Abstrak—Kebutuhan energi listrik pada kendaraan militer modern sangat tinggi untuk mendukung peralatan elektroninika dan mekatronika yang ada pada kendaraan. Selama ini pasokan energi listrik kendaraan berasal dari alternator dengan mengambil sebagian energi putaran engine sehingga menurunkan daya engine dan meningkatkan konsumsi bahan bakar kendaraan. Dalam jurnal ini didesain dan dimodelkan sebuah konsep RSA pada suspensi military vehicle roda ban yang mampu memulihkan energi getaran terbuang menjadi energi listrik. Perhitungan besarnya energi listrik yang dapat dihasilkan RSA akan disimulasikan dengan menggunakan metode komputasi dalam domain waktu dan frekuensi. Selain itu, simulasi dengan metode komputasi juga digunakan untuk mengetahui pengaruh penggunaan RSA terhadap respon bodi kendaraan. Dari analisa ini didapatkan data power harvesting yang dapat dihasilkan oleh RSA pada sistem suspensi military vehicle dengan 50% dan 100% RSA sebesar 200 watt. Kemudian didapatkan dengan penambahan RSA, respon bodi yang terjadi lebih cepat stabil dibandingkan dengan suspensi semula.
Kata Kunci—military vehicle, power harvesting, RSA, suspensi.
I. PENDAHULUAN
ERTAHANAN nasional sangatlah penting untuk mempertahankan kedaulatan negara, keutuhan wilayah sebuah negara, dan keselamatan segenap bangsa dari ancaman dan gangguan terhadap keutuhan bangsa dan negara. Peralatan militer merupakan salah satu alat untuk memperkuat pertahanan nasional. Untuk itu diperlukan peralatan militer yang cukup untuk memperkuat pertahanan nasional seperti military vehicle. Salah satu jenis military vehicle adalah Pengangkut Personel Lapis Baja (Armoured personnel carrier atau APC).
APC adalah kendaraan tempur lapis baja ringan yang dibuat untuk mentransportasikan infanteri di medan perang. APC biasanya hanya dipersenjatai senapan mesin, tapi varian-variannya bisa saja dipersenjatai meriam, peluru kendali anti-tank, atau mortir. Kendaraan ini sebenarnya tidak dirancang untuk melakukan pertarungan langsung, melainkan untuk membawa tentara secara aman dilindungi dari senjata ringan dan pecahan-pecahan ledakan. APC bisa menggunakan roda biasa maupun roda rantai.
Fungsi listrik dan elektronik dalam kendaraan seperti APC saat ini sekitar dua kali lebih penting dibandingkan dengan 10 tahun lalu. Di masa depan fungsi listrik dan elektronik
mungkin jauh lebih penting dari saat ini. Salah satu fungsi listrik yang sangat penting adalah untuk mensuplai alat komunikasi dan alat navigasi pada APC ini. Selama ini pasokan energi listrik kendaraan berasal dari alternator dengan mengambil sebagian energi putaran engine sehingga menurunkan daya engine dan meningkatkan konsumsi bahan bakar kendaraan. Oleh karena itu, untuk meningkatkan efisiensi kendaraan diciptakan alat pemanen energi yang memanfaatkan gerak relatif naik-turun suspensi yang akan ditangkap oleh sebuah alat terpisah dan dikonversi menjadi energi listrik untuk menggantikan altenator. Alat pemanen energi yang akan dikembangkan ini memanfaatkan gerakan naik-turun suspensi yang kemudian dikonversi menjadi gerak rotasi melalui sistem roda gigi yang kemudian akan digunakan untuk memutar generator. Generator akan menghasilkan listrik yang kemudian dapat disimpan untuk keperluan kendaraan tersebut. Alat ini dinamakan Regenerative Shock Absorber (RSA).
Regenerative Shock Absorber (RSA) ini juga digunakan untuk meningkatkan efisiensi dari kendaraan tempur APC tersebut. Sebagaimana telah kita ketahui bersama bahwa menurut penelitian Lei Zuo dari New York State University, hanya 10-16 persen dari energi bahan bakar yang efektif digunakan untuk menjalankan mobil sehari-hari, yaitu untuk mengatasi resistensi dari gesekan jalan, hambatan udara dan mendorong kendaraan maju. Sebagian besar energinya justru terbuang sia-sia.
II. METODEPENELITIAN A. Pemodelan Matematis
Disini akan dibahas mengenai sistem suspensi dari kendaraan APC dimana memerlukan pemodelan matematis. Pada kendaraan APC memiliki 6 roda, sedangkan analisa yang digunakan adalah analisa pada satu suspensi saja, sehingga pemodelan matematisnya adalah pemodelan seperenam kendaraan APC. Dalam hal ini analisa akan dilakukan dengan menggunakan pemodelan matematis seperenam kendaraan APC dengan dua derajat kebebasan (2 dof) untuk pemodelan tanpa RSA dan dengan lima derajat kebebasan (5 dof) untuk pemodelan dengan RSA.
Pemodelan dan Analisa
Regenerative Shock
Absorber
(RSA) pada Sistem Suspensi
Kendaraan Militer Roda Ban
Tidy Budiarto, dan Harus Laksana Guntur
Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: haruslg@me.its.ac.id
FBD pada Gambar. 1 mengasilkan persamaan gerak sebagai berikut:
0
=
)
x
-(x
k
+
)
x
-x
(
c
+
)
x
-(y
k
-)
x
-y
(
c
-x
m
2 1 v 2 1 v 1 w 1 w 1 w
(1)0
=
)
x
-(x
k
+
)
x
-x
(
c
-x
m
w
2 v
1
2 v 1 2 (2)Sistem gerak pada Gambar. 2 terbagi menjadi dua, yaitu gerak translasi dan rotasi. Gambar. 3 dibawah menunjukkan FBD dari arah gerak translasi.
FBD pada Gambar. 3 mengasilkan persamaan gerak sebagai berikut:
0
=
F
+
)
x
-(x
k
+
)
x
-x
(
c
+
)
x
-(y
k
-)
x
-y
(
c
-x
m
c 2 1 v 2 1 v 1 w 1 w 1 w
(3)0
=
F
-)
x
-(x
k
+
)
x
-x
(
c
-x
m
w
2 v
1
2 v 1 2 c (4)Gambar. 4 dibawah menunjukkan FBD dariarah gerak rotasi.
FBD pada Gambar. 4 mengasilkan persamaan gerak sebagai berikut: 1 R B 2 Rx x R K 2 1 R J c1
(
x
-
x
)
(
-
θ
)
θ
F
11 1 2 1 1 1 2 1 1
+
+
=
− (5)0
=
R
F
θ
B
+
)
θ
-(
k
-θ
J
2 2 1 xR1x 2 2 2 c2 2 2 1−
+
(6))
θ
θ
(
θ
θ
F
RR 2 3 R k 2 RR B 2 R R J c2 3 2 3 2 1 2 3 2 1 2 1+
+
−
=
(7)0
=
R
F
θ
B
+
)
θ
θ
(
k
-θ
J
4
3 2 RR32 2−
3 4
3+
c3 4 (8))
θ
θ
(
θ
θ
F
R 3 4 R R k 3 R R B 3 R R J c3 5 4 5 3 2 5 4 5 2 5 4 5+
+
−
=
(9)0
=
θ
)
B
(B
+
)
θ
θ
(
k
-θ
J
6
4 3 RR54 3−
4 g−
6
4 (10)Desain RSA yang akan dipasang pada APC adalah dengan menggunakan susunan roda gigi untuk mengubah gerak translasi menjadi rotasi untuk memutar generator dan menggunakan one way bearing untuk mengubah gerak naik turun menjadi satu arah putaran pada generator.
B. Pemodelan Simulasi
Setelah membuat pemodelan matematis dari seperenam mobil angkut pasukan tanpa dan dengan RSA, maka didapatkan matrik input dan matrik ouput dalam bentuk variable-variabel state space. Variabel-variabel state space ini kemudian digunakan untuk simulasi dengan metode
Gambar. 1. Pemodelan matematis seperenam kendaraan APC dengan dua derajat kebebasan (2 dof) untuk pemodelan tanpa RSA.
Mv X2 Mw X1 Mv Mw Kv Cv Kw Cw Y(t) X2 X1 Mv Mw Kv Cv RSA Kw Cw Y(t) X2 X1 X1-X2 up down R1 R1 R2 R2 R4 R5 R6 J1 J3 J4 J5 J6 Bg R3 B2 B2 B3 B6 K1 K1 K2 K3 B1 B1 B4 B5 J1 J2 J2
Gambar. 2. Pemodelan matematis seperenam kendaraan APC dengan lima derajat kebebasan (5 dof) untuk pemodelan dengan RSA.
Gambar. 4. FBD gerak rotasi untuk pemodelan dengan RSA.
Mw X1
Mv X2
komputasi sehingga didapatkan hasil yang diinginkan. C. Parameter Yang Digunakan
Kendaraan yang akan dianalisa adalah kendaraan tempur APC. Untuk itu diperlukan data parameter-parameter sistem kendaraan dan RSA untuk pemodelan. Data inilah yang nantinya akan diolah dalam metode komputasi hingga keluar nilai-nilai output yang diinginkan.
III. HASILDANDISKUSI A. Profil Eksitasi Input
Dalam simulasi ini akan dihasilkan respon getaran kendaraan pada masing-masing input. Respon getaran tersebut berupa perpindahan (displacement), kecepatan (velocity), percepatan (acceleration), dan daya yang dihasilkan RSA. Input yang dipakai adalah sinusoidal. Koefisien redaman suspensi kendaraan akan divariasikan dengan mensering redaman pada suspensi dan redaman RSA. Variasi dari sering redaman suspensi adalah dengan 100%Cv, 50%Cv+50%CRSA,
dan 100%CRSA.
Input yang digunakan adalah eksitasi sinusoidal dengan
panjang gelombang (λ) 6 m dan amplitudo 0,2 m. Eksitasi sinussoidal sendiri menggambarkan pofil jalan yang bergelombang yang dilalui oleh kendaran.
Kecepatan kendaraan melintasi profil jalan tersebut adalah 20 km/jam. Sehingga, dengan perhitungan frekuensi (ω) input 𝜔= 2𝜋𝑓 dimana 𝑓=𝑣/𝜆, sehingga didapatkan frekuensi input untuk kecepatan kendaraan 20 km/jam adalah 𝜔= 5.814 rad/s.
B. Respon yang dihasilkan
Hasil simulasi dengan metode komputasi dari pemodelan matematis didapatkan grafik respon bodi dan daya yang dihasilkan oleh generator. Hasi simulasi ditunjukkan pada Gambar. 6 sampai Gambar. 11.
Dari ketiga grafik perpindahan, kecepatan, dan percepatan dapat dilihat bahwa gerak respon yang terjadi pada kendaraan
Tabel1. Parameter kendaraan APC [5]
Model parameter Simbol (unit) Transportpanzer (Fuchs) APC
Berat total kendaraan mv (kg) 17 000
Berat ban mw (kg) 315
Jumlah ban Nw 6
Suspension spring stiffness kv (N.m-1)
4,40×105 Tyre compliance kw (N.m-1) 1,25×106 Suspension damping cv (N.s.m-1) 1,25×104 Tyre damping cw (N.s.m-1) 2860 Tabel2.
Parameter regeratif shock absorber (RSA)[5]
Model parameter Symbol (unit) Mean Value
Jari-jari roda gigi 1 R1 (m) 0,03 Jari-jari roda gigi 2 R2 (m) 0,05 Jari-jari roda gigi 3 R3 (m) 0,02 Jari-jari roda gigi 4 R4 (m) 0,06 Jari-jari roda gigi 5 R5 (m) 0,02
Jari-jari generator R6 (m) 0,06
Stiffness poros 1 k1 (N.m/rad) 103620 Stiffness poros 2 k2 (N.m/rad) 103620 Stiffness poros 3 k3 (N.m/rad) 6908 Frictional momen ball bearing 1 B1 (N.s.m/rad) 0,000902 Frictional momen ball bearing 2 B2 (N.s.m/rad) 0,000902 Frictional momen ball bearing 3 B3 (N.s.m/rad) 0,000651 Frictional momen ball bearing 4 B4 (N.s.m/rad) 0,000651 Frictional momen ball bearing 5 B5 (N.s.m/rad) 0,000210 Frictional momen ball bearing 6 B6 (N.s.m/rad) 0,000210 Damping coefficient of generator
dengan 50% RSA
Bg1 (N.s.m/rad) 0,7489 Damping coefficient of generator
dengan 100% RSA
Bg2 (N.s.m/rad) 1,4978 Momen inersia roda gigi 1 J1 (kg.m2) 9,2834x10-5
Momen inersia roda gigi 2 J2 (kg.m2) 7,1631x10-4
Momen inersia roda gigi 3 J3 (kg.m2) 1,8338x10-5
Momen inersia roda gigi 4 J4 (kg.m2) 1,4853x10-3
Momen inersia roda gigi 5 J5 (kg.m2) 1,8338x10-5 Momen inersia generator J6 (kg.m2) 2,9707x10-2
Gambar. 5. Profil jalan sinusoidal
0 1 2 3 4 5 6 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 X (m) Y r oad ( m)
Gambar. 6. Respon perpindahan bodi arah vertikal
0 2 4 6 8 10 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 waktu (detik) per pi ndahan ( m ) 50% RSA 100% RSA tanpa RSA
Gambar. 7. Respon kecepatan bodi arah vertikal
0 2 4 6 8 10 -3 -2 -1 0 1 2 waktu (detik) ve lo ci ty ( m /s) 50% RSA 100% RSA tanpa RSA
memiliki tren bernilai besar dan tidak beraturan di awal, kemudian selebihnya semakin tampak seperti gelombang sinusoidal biasa. Hal ini disebabkan karena kendaraan diberi input berupa eksitasi yang bersifat sinusoidal serta dipengaruhi oleh redaman. Itulah mengapa tren yang terjadi pada respon akan tampak tidak beraturan di awal dan semakin lama semakin stabil layaknya gelombang sinusoidal.
Dengan penambahan RSA, didapatkan respon bodi yang terjadi lebih cepat stabil dan bernilai lebih kecil dibandingkan dengan suspensi semula. Sehingga dapat disimpulkan bahwa dengan penambahan RSA akan menambah nilai redaman yang mengakibatkan respon bodi lebih cepat stabil dan lebih kecil.
Respon kecepatan putaran (angular velocity) generator dan percepatan putaran (angular acceleration) generator digunakan untuk menganalisa pengaruh daya yang akan dihasilkan oleh generator. Sedangkan percepatan generator akan menggambarkan salah satu losses yang terjadi pada sistem, losses tersebut adalah inersia losses yang besarnya adalah inersia dikali percepatan (𝐼×𝛼).
Terlihat bahwa potensi daya dengan 50 % RSA memiliki nilai yang lebih baik dari 100% RSA. Hal ini didasarkan pada nilai kecepatan putaran generator yang lebih tinggi tanpa memperhatikan pengaruh dari redaman pada generator. Pada grafik percepatan putaran generator terlihat bahwa nilai dari percepatan generator tidah besar. Hal ini menggambarkan bahwa losses yang terjadi kecil, itulah sebabnya hasil dari respon bodi tidak memiliki perbedaan yang terlalu besar.
Terlihat bahwa daya yang dihasilkan dengan 100% RSA sedikit lebih besar dibandingkan dengan 50% RSA. Hal ini dikarenakan daya yang dihasilkan merupakan fungsi dari redaman pada generator dan kecepatan putaran generator, yaitu dengan perumusan :
2 2
1
B
θ
P
=
(11)Walaupun dengan 50% RSA memiliki nilai kecepatanputara generator yang lebih tinggi dibandingakn dengan 100% RSA, itu tidak sebanding dengan perbedaan nilai redaman dengan 100% RSA, yaitu dua kali dari redaman dengan 50% RSA. Sehingga daya yang dihasilkan dengan 100% RSA sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan 50% RSA dan sama ketika telah stabil yaitu sekiatar 200 watt.
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Desain RSA yang akan dipasang pada APC adalah dengan menggunakan susunan roda gigi untuk mengubah gerak translasi menjadi rotasi untuk memutar generator dan menggunakan one way bearing untuk mengubah gerak naik turun menjadi satu arah putaran pada generator. RSA dapat membangkitkan daya sekitar 200 watt pada kecepatan kendaraan 20 km/jam dengan melintasi profil jalan dengan panjang gelombang 6 m dan amplitudo 0,2 m. Dengan penambahan RSA mengakibatkan respon bodi yang terjadi
Gambar. 11. Daya yang dihasilkan oleh generator pada RSA
0 2 4 6 8 10 0 200 400 600 800 waktu (detik) day a ( w at t) 50% RSA 100% RSA Gambar. 8. Respon percepatan bodi arah vertikal
0 2 4 6 8 10 -20 -10 0 10 20 waktu (detik) per c epat an ( m /s 2) 50% RSA 100% RSA tanpa RSA
Gambar. 10. Respon percepatan putaran generator pada RSA
0 2 4 6 8 10 0 1000 2000 3000 4000 waktu (detik) per c epat an put ar an ( rad/ s 2 ) 50% RSA 100% RSA Gambar. 9. Respon kecepatan putaran generator pada RSA
0 2 4 6 8 10 0 10 20 30 40 50 60 waktu (detik) k ec epat an put ar an ( rad/ s ) 50% RSA 100% RSA
lebih cepat stabil dibandingkan dengan suspensi semula Sehingga disarankan untuk penelitian selanjutnya dilakukan perancangan generator dengan memperhitungan semua losses yang terjadi.
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis Tidy Budiarto mengucapkan terima kasih kepada selurus dosen pembimbing dan pembahas yang telah memberikan bimbingan dan masukan dalam penulisan artikel ini. Penulis juga megucapkan terima kasih kepada keluarga besar penulis yang telah memberikan doa dan dukungan finansial sehingga penulis dapat menyelesaikan artikel ini dengan lancar.
DAFTARPUSTAKA
[1] Zuo, Lei dkk. 2010. Design and Characterization of an Electromagnetic
Energy Harvester for Vehicle Suspension. USA : New York State
University.
[2] Arziti, Marcos. 2010. Harvesting Energy From Vehicle Suspension. Spanyol : Tempere University of Technolog.
[3] Stobart, R K. July. 2007. “An availability approach to thermal energy recovery in vehicles”. Proceedings of the Institution of Mechanical
Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering.
[4] Hyo-Jun Kim, dkk. 2002. Improving The Vehicle Performance with
Active Suspension Using Road-Sensing Algorithm. Elcevier Science Ltd.
[5] S. Rao, Singiresu. 2004. Mechanical Vibration. Miami, USA : Prentice Hall PTR.
[6] Frederick, Close. 1995. Modeling and Analysis of Dynamic System. USA : John Wiley & Sons.
[7] Nise, Norman S. 1995. Control System Engineering. USA : John Wiley & Sons.
[8] Krylov, V.V., Pickup, S., dan McNuff, J., Feb. 2011. “Calculation of Ground Vibration Spectra from Heavy Military Vehicles”. Journal of
Sound and Vibration 329 (2010) 3020–3029.
[9] Yudhantara, W. 2011. Analisa Dinamika Sistem Suspensi Pada Mobl
Perkotaan Sebelum dan Se sudah Penambahan Mekanisme Vibration
Energy Recovery System (VERS). Surabaya : Teknik Mesin FTI ITS.
[10] Gysen, Bart L.J, dkk. Feb. 2010. “Active Electromagnetic Suspension System for Improved Vehicle Dynamics”. IEEE Transaction on
Vehicular Technology vol 59.
[11] Zuo, Lei dan Pei-Sheng, Zhang. March. 2011. “Energy Harvesting, Ride Comfort, and Road Handling of Regenerative Vehicle Suspensions”.
