Dalam penulisan tugas akhir ini diperlukan beberapa referensi untuk menunjang analisis dari sistem suspensi dengan variable orifice pada shock absorber kendaraan sepeda motor. Karena itu dilakukan studi literatur untuk menambah pengetahuan dan dasar-dasar mengenai permasalahan yang akan dibahas pada tugas akhir ini. Materi dari studi literatur yang menunjang dalam pengerjaan tugas akhir ini adalah mekanika getaran, permodelan dan analisis sistem dinamis, serta pembuatan blok diagram dengan menggunakan software Simulink MATLAB. Sedangkan studi lapangan yang dilakukan untuk penelitian ini adalah penentuan nilai parameter dari shock absorber yang digunakan dalam permodelan dan simulasi dari sistem. Nilai dari parameter yang diperlukan pada sistem berupa data teknis dari sistem suspensi yang meliputi dimensi shock absorber, massa sepeda motor saat kosong dan saat dikendarai oleh penumpang.
Referensi untuk studi literatur didapatkan dari buku, jurnal-jurnal ilmiah, dan penelitian-penelitian terdahulu yang berhubungan dengan permasalahan yang akan dibahas. Sedangkan untuk studi lapangan yang dilakukan meliputi
penentuan dimensi pada sepeda motor yang didapat dari data hasil penelitian oleh kelompok yang membuat perancangan alat terkait.
3.3 Pemodelan dan Simulasi Sistem Suspensi dengan
Variable Orifice pada Shock Absorber
3.3.1 Pemodelan Fisik dan Permodelan Dinamis Sistem Suspensi Konvensional
Penelitian ini bertujuan untuk memodifikasi shock absorber yang digunakan pada kendaraan sepeda motor Yamaha Jupiter 2008 dengan mengubah geometri dari orifice yang ada pada shock absorber. Pada shock absorber konvensional, silinder yang digunakan adalah tipe monotube dimana orifice terletak pada bagian piston dengan jumlah 6 orifice.
Permodelan fisik shock absorber konvensional dapat dilihat pada gambar 3.2 di atas. Sistem tersebut meliputi silinder hidrolis, piston, orifice, dan fluida kerja. Saat proses kompresi, piston bergerak ke atas sehingga fluida pada ruang atas piston akan terdorong, menyebabkan fluida kerja mengalir dari ruang atas piston menuju ruang bawah piston melalui orifice. Saat ekspansi, piston bergerak ke bawah, fluida pada ruang bawah piston akan terdorong, menyebabkan fluida kerja mengalir dari ruang bawah piston menuju ruang atas piston melalui orifice.
Gambar 3. 2 Permodelan fisik shock absorber konvensional
Gambar 3.3 menunjukkan model dinamis shock absorber konvensional saat terjadi proses kompresi dan ekspansi.
Gambar 3. 3 Model dinamis shock absorber konvensional saat (a) kompresi (b) ekspansi
3.3.2 Pemodelan Fisik dam Permodelan Dinamis dari Sistem Suspensi dengan Variable Orifice
Sistem suspensi dengan variable orifice terdiri dari dua silinder (twin tube) dengan orifice berbentuk persegi panjang dengan ukuran panjang (H) dan lebar (b) pada dinding silinder dalam. Permodelan fisik dan dinamis shock absorber dengan variable orifice dapat dilihat pada gambar 3.4
Luasan total dari orifice pada sistem suspensi konvensional sama besarnya dengan luasan total orifice pada sistem suspensi dengan variable orifice. Besarnya nilai lebar (b) dan panjang (H) orifice didapatkan dengan perhitungan sebagai berikut
Luasan 1 buah orifice pada sistem suspensi konvensional adalah sebagai berikut, dengan diameter orifice (Do) 1,5 mm dan diameter orifice ekspansi sama dengan kompresi
( )
untuk sistem suspensi konvensional memiliki 6 orifice, sehingga luasan total adalah
( )
Sedangkan luasan 1 buah orifice pada sistem suspensi dengan variable orifice adalah sebagai berikut, dengan lebar (b) 1,06 mm dan panjang (H) 5 mm.
Untuk sistem suspensi dengan variable orifice memiliki 2 buah orifice, sehingga luasan total sistem suspensi dengan variable orifice adalah
Dari perhitungan tersebut dapat dilihat luasan total kedua sistem suspensi adalah sama. Pemilihan besarnya nilai lebar (b) dan panjang (H) didapatkan berdasarkan perhitungan untuk mendapatkan nilai gaya redam terbesar.
3.3.3 Pembuatan Blok Simulasi dari Sistem Suspensi Konvensional dan Sistem Suspensi dengan Variable
Orifice
Gambar 3. 5 Diagram alir proses pembuatan blok diagram pada Simulink MATLAB
Setelah membuat persamaan gerak sistem suspensi, langkah berikutnya adalah membuat blok diagram pada simulink matlab. Proses pembuatan blok diagram dijelaskan pada diagram alir seperti pada gambar 3.5 di atas. Input yang digunakan pada simulasi permodelan ini adalah input sinusoidal dengan amplitudo yang diberikan sebesar 0,02 m dan frekuensi perpindahan batang piston 0 -2 Hz dengan kenaikan sebesar 0,1 Hz.
3.3.4 Analisis Grafik Sistem Suspensi Konvensional dan Sistem Suspensi dengan Variable Orifice pada Shock
Absorber
Dari simulasi yang telah dilakukan untuk sistem suspensi kovensional dan sistem suspensi dengan variable orifice pada shock absorber, didapatkan grafik karakteristik gaya redam yang berupa grafik gaya redam terhadap perpindahan dan kecepatan.
Grafik karakteristik tersebut dianalisis dan diambil keputusan, kemudian dipilih gaya redam terbaik untuk selanjutnya digunakan sebagai parameter pada simulasi sistem setengah kendaraan.
3.4 Pemodelan dan Simulasi Sistem Setengah Kendaraan Sepeda Motor Yamaha Jupiter Z 2008 dengan Sistem
Suspensi Konvensional dan SIstem Suspensi
denganVariable Orifice pada Shock Absorber
3.4.1 Pemodelan Dinamis dan Pembuatan Persamaan dari Sistem Setengah Kendaraan Yamaha Jupiter Z 2008 dengan Penggunaan Sistem Suspensi Konvensional dan Sistem Suspensi dengan Variable Orifice
Permodelan yang digunakan dalam tugas akhr ini adalah model setangah kendaraan untuk sepeda motor dengan tiga degree of freedom (DOF). Permodelan sistem ini ditunjukkan dengan gambar 3.6 di bawah yang meliputi Mp adalah massa penumpang, Map adalah massa kendaraan, dan Mt adalah massa roda. Sedangkan Kp adalah konstanta kekakuan dari alas duduk penumpang, Kt adalah konstanta kekakuan roda, Cp adalah konstanta redaman alas duduk penumpang, dan Ct adalah konstanta redaman roda. Sedangkan Fd merupakan gaya redaman yang dihasilkan oleh sistem suspensi dengan variasi luasan orifice, dan Fk adalah gaya pegas dari sistem suspensi.
Gambar 3. 6 Model dinamis setengah kendaraan dan free body diagram sistem setengah kendaraan Yamaha Jupiter Z 2008
3.4.2 Pembuatan Blok Simulasi Sistem Setengah Kendaraan Sepeda Motor Yamaha Jupiter Z 2008 dengan Sistem Suspensi Konvensional dan Sistem Suspensi dengan
Variable Orifice
Setelah mendapatkan persamaan gerak dari sistem setengah kendaraan, selanjutnya membuat blok diagram simulasi untuk sistem setengah kendaraan sepeda motor pada software Simulink MATLAB. Input yang digunakan adalah input sinusoidal dan input bump modified. Setelah melakukan simulasi, hasil yang keluar berupa grafik karakteristik dinamis sistem setengah kendaraan untuk kedua sistem suspensi. Langkah yang digunakan sama untuk kedua input baik input sinusoidal dan input bump modified. Parameter yang digunakan terdapat ada tabel 4.1 dan 4.2 Diagram alir pembuatan blok diagram setengah kendaraan dapat dilihat pada gambar 3.7.
Gambar 3. 7 Diagram alir proses pembuatan blok diagram Simulink MATLAB dari sistem setengah kendaraan Yamaha Jupiter Z 2008
3.4.3 Analisis Grafik Sistem Setengah Kendaraan Sepeda Motor Yamaha Jupiter Z 2008 dengan Sistem Suspensi Konvensional dan Sistem Suspensi dengan Variable
Orifice pada Shock Absorber
Dari simulasi sistem setengah kendaraan sepeda motor Yamaha Jupiter Z 2008 dengan penggunaan sistem suspensi dengan variable orifice pada shock absorber diperoleh respon dinamis berupa perpindahan, kecepatan, dan percepatan dari input sinusoidal dan input bump modified yang digunakan.
Respon dinamis dari sistem suspensi asli Yamaha Jupiter Z 2008 dibandingkan dengan respon dinamis pada sistem suspensi Yamaha Jupiter Z 2008 dengan variable orifice. Sistem suspensi dengan variable orifice akan memiliki gaya redam yang lebih baik sehingga lebih mampu mengurangi getaran pada bodi sepeda motor akibat energi eksitasi dari permukaan jalan yang tidak rata dan beban impact saat kendaraan berjalan dengan kecepatan tinggi. Dengan gaya redam yang lebih baik maka getaran yang diterima oleh penumpang juga sangat kecil.
37
4.1 Permodelan Dinamis dan Gaya Redam pada Sistem Suspensi
4.1.1 Permodelan Dinamis dan Gaya Redam pada Sistem Suspensi Konvensional
A. Permodelan fisik shock absorber konvensional
Penelitian ini bertujuan untuk memodifikasi shock absorber yang digunakan pada kendaraan sepeda motor Yamaha Jupiter 2008 dengan mengubah geometri dari orifice yang ada pada shock absorber. Pada shock absorber konvensional, silinder yang digunakan adalah tipe monotube dimana orifice terletak pada bagian piston dengan jumlah 6 orifice.
Gambar 4. 1 Model dinamis sistem hidrolis
Permodelan fisik shock absorber konvensional dapat dilihat pada gambar 4.1 di atas. Sistem tersebut meliputi silinder hidrolis, piston, orifice, dan fluida kerja. Saat proses kompresi, piston bergerak ke atas sehingga fluida pada ruang atas piston akan terdorong, menyebabkan fluida kerja mengalir dari ruang atas piston menuju ruang bawah piston melalui orifice. Saat ekspansi,
piston bergerak ke bawah, fluida pada ruang bawah piston akan terdorong, menyebabkan fluida kerja mengalir dari ruang bawah piston menuju ruang atas piston melalui orifice.Parameter dari shock absorber konvensional dapat dilihat pada tabel 4.1 di bawah ini.
Tabel 4. 1 Parameter shock absorber konvensional
Keterangan Dimensi (mm)
Diameter piston (Dp) 15.90
Diameter piston rod (Dpr) 7.95
Diameter orifice (Do) 1.50
Tebal piston (Tp) 10.00
Panjang piston rod (Psr) 114.30
Panjang silinder (Ps) 133.60
B. Permodelan dinamis shock absorber konvensional
Permodelan dinamis untuk sistem suspensi konvensional ditunjukkan pada gambar 4.2. Fluida kerja yang digunakan adalah minyak yang akan menghasilkan gaya redam, baik saat proses ekspansi maupun saat proses kompresi.
Gambar 4. 2 Model dinamis shock absorber konvensional saat (a) kompresi (b) ekspansi
Besarnya gaya redam yang dihasilkan saat proses kompresi maupun ekspansi dirumuskan sebagai berikut : Hukum Pascal
(4.1) Dimana didapatkan dari persamaan Bernoulli yang menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik dalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik yang lain pada aliran yang sama.
Hukum Bernoulli
(4.2) Pada kasus ini = , dan dianggap sama, sehingga
menghasilkan persamaan :
(4.3) Minyak sebagai fluida kerja diasumsikan sebagai incompressible fluid, maka dengan menggunakan hukum konservasi massa didapatkan persamaan sebagai berikut :
Kompresi (4.4) Ekspansi
(4.5) dimana,
(4.6) (4.7) Perumusan perbedaan tekanan dengan substitusi persamaan (4.4) ke persamaan (4.3) sehingga didapat perbedaan tekanan saat kompresi sebagai berikut :
Kompresi (( ) ) (( ) ) (( ) ) ̇ (4.8) Sedangkan perbedaan tekanan saat ekspansi didapat dengan substitusi (4.5) ke (4.3) maka persamaan menjadi :
Ekspansi
((
) ) ̇ (4.9) Persamaan gaya redam saat kompresi didapat dari
substitusi persamaan (4.8) ke persamaan (4.1), sehingga didapat gaya redam saat kompresi sebagai berikut :
Kompresi ( ) (( ) ) (( ) ) (( ) ) ̇ (4.10) Ekspansi ( ) (( ) ) ( ) ( ) (( ) ) ( ) (( ) ) ̇ (4.11) Keterangan = Tekanan
= Massa jenis fluida = Kecepatan piston ̇
= Kecepatan alir fluida saat ekspansi (ekspansion) = Kecepatan alir fluida saat kompresi (compression) = Besarnya perpindahan piston (m)
= Luasan orifice saat kompresi = Luasan orifice saat ekspansi
= Luasan piston = Luasan piston rod
= Gaya redam = Diameter orifice
4.1.2 Permodelan Dinamis dan Gaya Redam pada Sistem Suspensi dengan Variable Orifice pada
Shock Absorber
A. Permodelan fisik shock absorber dengan variable
orifice
Shock absorber dengan menggunakan variable orifice terdiri dari dua buah silinder (twin tube) dan memiliki diameter silinder yang berbeda. Diameter silinder dalam lebih kecil daripada diameter silinder luar. Shock absorber ini memilik dua buah orifice yang berada pada posisi berbeda. Orifice bagian atas (upper orifice) berada pada bagian atas titik kesetimbangan dari silinder. Sedangkan orifice bawah (lower orifice) berada pada bagian bawah titik kesetimbangan. Hal ini menyebabkan, pada saat piston berada pada titik kesetimbangan, akan terjadi overlapping antara upper orifice dan lower orifice.
Orifice pada shock absorber ini berbentuk persegi panjang dengan panjang (H) dan lebar (b) yang telah ditentukan. Disebut sebagai variable orifice, karena luasan orifice akan berubah seiring dengan pergerakan piston terhadap sumbu x saat terjadi proses ekspansi maupun kompresi. Saat piston bergerak, maka tebal piston akan menutup sebagian orifice sehingga gaya redam yang dihasilkan akan berubah seiring pergerakan piston. Saat menghitung gaya redam maka rumus luasan orifice tersebut menjadi , dimana x adalah jarak perpindahan piston saat naik atau turun sesuai proses yang sedang berlangsung (kompresi atau ekspansi), x disini merupakan fungsi waktu.
Gambar 4. 3 Model fisik shock absorber dengan variable orifice
Gambar 4.3 menunjukkan model fisik dari shock absorber dengan variable orifice. Keterangan untuk model fisik tersebut adalah sebagai berikut :
= Diameter silinder luar = Diameter silinder dalam
= Diameter piston = Piston stroke b = Lebar orifice h = Panjang orifice
B. Permodelan dinamis shock absorber dengan variable
orifice
Gambar 4. 4 Model dinamis shock absorber dengan variable orifice
Gambar 4.4 menunjukkan model dinamis dari shock absorber dengan variable orifice. Untuk memperoleh gaya redam saat terjadi ekspansi dan kompresi, dirumuskan sebagai berikut : Persamaan bernoulli dasar :
(4.12) Dengan mengasumsikan dan besarnya nilai
adalah sama, maka didapatkan persamaan sebagai berikut :
Dengan menggunakan persamaan yang sama, maka diperoleh dapat diperoleh perubahan nilai tekanan saat terjadi kompresi dan ekspansi sebagai berikut :
Persamaan kompresi
(4.14) Persamaan ekspansi
(4.15) Dengan besarnya luasan orifice didefinisikan sebagai berikut :
( ( )) (4.16) Dikarenakan luasan kedua orifice sama, maka didapatkan persamaan berikut :
(4.17) Keterangan
= Tekanan
= Massa jenis fluida = Kecepatan piston ̇
= Kecepatan alir fluida saat ekspansi (ekspansion) = Kecepatan alir fluida saat kompresi (compression) = Luasan orifice
= Lebar orifice = Tinggi orifice
= Besarnya perpindahan piston (m) = Luasan orifice kompresi
= Luasan orifice bawah (lower orifice) = tebal piston
Kompresi
Persamaan debit fluida saat terjadi kompresi dapat dirumuskan sebagai berikut :
(4.18) Keterangan :
= Luas permukaan piston = Kecepatan piston ̇ = Luas orifice
= Kecepatan alir fluida saat kompresi (compression) Untuk mendapatkan besarnya perubahan tekanan, maka dicari dengan mensubtitusikan persamaan (4.18) ke persaman (4.14)
(( ) )
(( ) )
(( ) ) ̇ (4.19)
Gaya redam yang dihasilkan shock absorber pada saat kompresi dapat dirumuskan dengan persamaan berikut :
(4.20) Dimana : (4.21) Keterangan : = Gaya redam = Perubahan tekanan
= Luasan orifice saat terjadi kompresi = Diameter piston
Dengan mensubtitusikan persamaan (4.19) dan (4.21) ke persamaan (4.20) didapatkan persamaan berikut :
[ ((
*( ) ̇ + ( ̇ ̇ ) ( ̇ ̇ ) ( ) ̇ (4.22) Ekspansi
Persamaan debit fluida saat terjadi ekspansi dapat dirumuskan sebagai berikut :
(4.23) Keterangan :
= Luas permukaan piston = Luas piston rod
= Kecepatan piston ̇ = Luas orifice
= Kecepatan alir fluida saat ekspansi (ekspansion)
Untuk mendapatkan besarnya perubahan tekanan, maka dicari dengan mensubtitusikan persamaan (4.23) ke persaman (4.15) (( ) ) (( ) ) (( ) ) ̇ (4.24)
Gaya redam yang dihasilkan shock absorber pada saat ekspansi dapat dirumuskan dengan persamaan berikut :