Abstrak—Kebutuhan energi listrik pada kendaraan militer modern sangat tinggi untuk mendukung peralatan elektronika 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 minyak kendaraan. Pada penelitian ini dilakukan studi eksperimental karakteristik energi bangkitan dari model RSA untuk kendaraan tempur roda rantai akibat eksitasi impuls dan harmonik (sinusoidal) pada tingkat frekuensi dan amplitudo yang bervariasi. Perhitungan dan pengukuran energi bangkitan dilakukan dengan menggunakan suspension tester rig. Mekanisme yang akan digunakan adalah dengan memasang RSA ini pada alat tersebut yang kemudian dibebani dengan beban dan kecepatan tertentu. Dari penelitian ini didapatkan, saat eksitasi impuls dengan amplitudo 7.5 mm didapatkan daya bangkitan sebesar 0.0211 watt ketika ζ=0.17 dan 0.00734 watt ketika ζ=0.21. Sedangkan saat amplitudo 12.5 mm sebesar 0.1181 watt ketika ζ=0.17 dan 0.03243 watt ketika ζ=0.21. Sedangkan pada eksitasi harmonik, saat amplitudo 7.5 mm didapatkan nilai terbesar 0.0865 watt ketika ζ=0.17 dan 0.0505 watt ketika ζ=0.21. dan ketika amplitudo 12.5 mm didapatkan nilai terbesar 0.0252 watt ketika ζ=0.17 dan 0.0161 watt ketika ζ=0.21.
Kata Kunci—kendaraan tempur, pemanen energi, RSA, suspensi, suspension tester rig
I. PENDAHULUAN
ebutuhan energi listrik pada kendaraan militer modern sangat tinggi untuk mendukung peralatan elektronika 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 minyak kendaraan. Oleh karena itu diperlukan suatu alternatif alat yang bisa merecovery energy yang terbuang dari kendaraan untuk dimanfaatkan energy listrik sebagai kebutuhan tersebut. Tank merupakan salah satu kendaraan tempur yang sangat sering digunakan dalam pertempuran.
Mesin perang yang berbahan bakar diesel ini memiliki sistem suspensi pada setiap rodanya.
Dari penelitian yang terdahulu, yang dilakukan oleh Professor Lei Zuo University of Stony Brook mengatakan bahwa hanya sekitar 10 % hingga 16
% dari energi bahan bakar yang digunakan oleh kendaraan untuk bergerak, dan sisanya hanya energi yang terbuang sia-sia[1]. Ada beberapa cara yang bisa digunakan untuk merecovery energi
yang terbuang tersebut, diantaranya adalah dengan Kinetic Energy Recovery System (KERS) dan Thermal Energy Recovery System (TERS) .Selain itu , vibrasi yang dihasilkan oleh kendaraan tempur ini merupakan potensi yang sangat besar untuk dipanen energinya. Oleh karena itu dibuat suatu alat pemanen energi yang bisa memanfaatkan energi yang terbuang tersebut melalui sistem suspensi yang disebut sebagai Elektromagnetic Regenerative Suspension (ERS). Alat yang akan dibuat ini menggunakan prinsip memanfaatkan kembali energi vibrasi yang terbuang saat sistem suspensi kendaraan bekerja.
Ada beberapa jenis regenerative shock absorber yang telah dikembangkan, yaitu hydraulic regenerative shock absorber yang diperkenalkan oleh mahasiswa MIT dan elektromagnetik regenerative shock absorber yang dikembangkan oleh tim engineer dari New York State University.
Pada tugas akhir ini, mekanisme dari pemanen energi yang akan dibuat berbeda dengan peralatan VEH yang sudah pernah ada. Alat pemanen energi ini memanfaatkan gerak naik turunnya suspensi dari kendaraan tempur, yaitu tank yang akan diteruskan oleh peralatan yang terpisah dengan
Studi Eksperimental Karakteristik Model Regenerative Shock Absorber (RSA) Untuk Kendaraan Tempur Roda Rantai
Mohammad Choliq
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) HP. +6285731517329
abuhafsh007@gmail.com
K
suspensi kendaraan. Alat ini akan merubah gerak dari naik turunnya suspensi tank menjadi gerak rotasi yang akan menggerakkan generator sehingga dapat menghasilkan aliran listrik. Peralatan pemanen energi yang memanfaatkan gerak naik turunnya suspensi ini dinamakan sebagai Regenerative Shock Absorber (RSA) atau Electromagnetic Regenerative Suspension (ERS).
II. METODEPENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk menguji, menganalisa potensi energi dan performa suspensi pada model sistem suspensi kendaraan tempur tank akibat penambahan model RSA. Maka dari itu untuk memenuhi tujuan dari penelitian ini dibuat metode sebagai berikut:
A. Studi Literatur
Penelitahap ini dilakukan untuk memperkaya wawasan, pengetahuan, dan landasan tentang materi yang akan dibahas dalam penelitian ini.
Sumber yang diambil berasal dari beragam karya
ilmiah seperti buku dan jurnal ilmiah. Adapun tema yang akan dipelajari adalah seputar harvesting energy atau pemanenan energi. Dari tema ini kemudian dipecah menjadi beberapa bidang ilmu yang mendukung, antara lain buku mechanical vibration sebagai dasar untuk perhitungan besar gaya yang dapat dipanen oleh alat ini dan buku machine design sebagai dasar untuk perhitungan putaran roda gigi pada gearbox pada RSA.
Selain referensi-referensi di atas, maka perlu suatu referensi valid yang bisa membantu untuk pengerjaan penelitian ini. Diantara sumber acuan yang digunakan adalah jurnal-jurnal ilmiah dari penelitian yang telah ada tentang pengembangan alat ini.
B. Penyiapan Alat Pengujian
Tahapan ini digunakan untuk menentukan dimensi, massa uji, dan exciter yang akan digunakan pada pengujian. Alat uji yang digunakan adalah Suspension Test Rig yang terdapat pada Lab.Desain Teknik Mesin ITS.
C. Pengujian Karakteristik Generator
Tahapan ini digunakan untuk mendapatkan karakteristik generator yang akan digunakan dalam penelitian ini untuk mendapatkan energi bangkitan. Karakteristik generator yang dicari adalah variabel yang paling berperan, yaitu besarnya voltase terhadap perubahan kecepatan putar (rpm).
D. Menentukan Koefisien Redaman dari model RSA
Tahapan ini digunakan untuk mendapatkan nilai koefisien redaman model RSA. Data yang akan diambil adalah data ketika model RSA diberikan beban generator dan ketika tidak diberi beban generator.
Pengambilan data dilakukan dengan memberikan 3 variasi massa, yaitu 0,85 kg, 0,9 kg, 0,95 kg pada ujung tuas model RSA yang telah membentuk sudut 400, lalu dijatuhkan sampai pada sudut 950. Sehingga besar sudut yang ditempuh adalah sebesar 550. Ketika menempuh lintasan tersebut, maka waktu yang diperlukan dihitung menggunakan stopwatch kemudian dicatat. Setiap variasi massa dilakukan masing- masing 10 kali pengambilan data. Sehingga akan didapatkan kecepatan dengan persamaan v=s⋅t, dengan nilai s didapatkan dari panjang lintasan yaitu s r m rad 0,192m
180 20 55 ,
0 0
0 ⋅ =
⋅
=
⋅
= θ π .
E. Menentukan Konstanta Pegas
Tahapan ini digunakan untuk menentukan nilai konstanta pegas (k) yang dipasang pada model RSA ini. Pada tahapan ini, pegas akan diberikan 4 variasi beban, yaitu 5 kg, 10 kg, 15 kg, dan 20 kg.
Pada bagian bawah dipasang timbangan sehingga bisa menentukan besarnya beban yang diberikan.
(a) (b)
Gambar. 1. Mekanisme pengambilan data c model RSA : a) posisi awal;
a) posisi akhir.
Gambar. 2. Mekanisme pengambilan data koefisien pegas
Dari pengujian tersebut diperoleh hubungan antara F (gaya) dan x (displacement).
F. Instalasi dan Pengujian Model RSA Pada Alat Uji Suspensi
(a) (b)
(c)
Gambar. 3. Pemasangan model RSA pada suspension test rig : a) instalasi model RSA; a) skema dan posisi model RSA; c) free body diagram pengujian.
Pada tahapan ini akan dilakukan pengujian sistem dari model RSA setelah diinstalasi pada suspension test rig. Pengujian akan dilakukan dengan 2 variasi eksitasi, yaitu impulsive dan harmonik. Pada pengujian impulsive digunakan variasi amplitudo 7,5 mm dan 12,5 mm.
Sedangkan pada eksitasi harmonik diberikan variasi amplitudo 7,5 mm dan 12,5 mm dengan masing masing kecepatan eksitasi unsprung mass adalah 100 mm/s, 111 mm/s, dan 125 mm/s.
Pada pengujian ini, hasil yang diperoleh adalah grafik respon percepatan dari sprung mass dan unsprung mass, voltase bangkitan, dan arus bangkitan. Respon percepatan akan diperoleh pada pembacaan accelerometer yang dihubungkan pada osiloskop, voltase bangkitan juga terbaca pada osiloskop, dan arus bangkitan terbaca pada multimeter yang dihubungkan dengan generator.
III. HASILDANDISKUSI A. Pengujian Impulsive
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4
0 5 10 15 20
Time (s) a (m/s2 )
unsprung mass sprung mass
(a)
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4
10- 5- 0 5 10- 5- 0
Time (s) a (m/s2 )
unsprung mass sprung mass
(b)
Gambar. 4. Grafik respon percepatan dengan eksitasi impulsive pada amplitudo 12,5 mm : a) ζ=
0,21; b) ζ= 0,17.
Grafik di atas menunjukkan perbandingan antara percepatan sprung mass dan unsprung mass ketika nilai damping rasio ζ= 0,17 dan ζ= 0,21.
dari grafik di atas terlihat bahwa ketika nilai ζ=
0,17, percepatan dari unsprung mass cenderung menunjukkan nilai yang lebih besar dibandingkan ketika nilai ζ= 0,21. Hal ini dikarenakan pada 0,17, massa dari sprung lebih besar jika dibandingkan dengan ketika nilai ζ= 0,21, sehingga cenderung lebih ringan.
Selain itu , jika dilihat perbandingan antara sprung mass dan unsprung mass, maka percepatan pada unsprung mass cenderung lebih tinggi
dibandingkan dengan sprung mass. Keadaan ini dikarenakan pada sprung, sudah terjadi redaman dari sistem suspensi yang dipasang sehingga mengakibatkan percepatan menurun.
Dari grafik di atas didapatkan bahwa ketika ζ=0.17, nilai respon massa sprung adalah 5,32 m/s2 dan respon unsprung adalah 8,34 m/s2. Sedangkan ketika ζ=0.21, nilai respon massa sprung adalah 5,14 m/s2 dan respon unsprung adalah 7,54 m/s2.
Nilai ini jika ditinjau dari segi keamanan bagi otak manusia masih termasuk kriteria yang aman.
Dikarenakan batas maksimum percepatan yang masih aman bagi otak manusia adalah 20g ke arah atas dan 10g ke arah bawah.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -0.05
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Time (s)
Voltage
z=0.21 z=0.17
Gambar. 5. Grafik voltase dengan eksitasi impulsive pada amplitudo 12,5 mm.
Grafik di atas menunjukkan voltase yang dibangkitkan ketika amplitudo 12,5 mm. Pada grafik tersebut, ditunjukkan perbandingan voltase ketika nilai damping rasio ζ = 0,17 dan ζ = 0,21.
Dari grafik tersebut diketahui, ketika damping rasio sebesar 0,17, maka voltase yang dibangkitkan memiliki Vrms = 0.17 volt yang lebih besar daripada ketika nilai damping rasio 0,21 yang memiliki Vrms = 0.079 volt. Hal ini dikarenakan ketika damping rasio sebesar 0,17, maka massa dari body lebih besar daripada ketika damping rasio 0,21.
Namun dari grafik tersebut terlihat bahwa nilai dari voltase bangkitan cenderung masih relative kecil. Ini disebabkan nilai amplitudo dari sistem ini yang masih sangat kecil, sehingga displacement yang terjadi sangat kecil. Akibatnya energi yang diserap untuk menggerakkan generator juga semakin kecil yang menjadikan perputaran generator menjadi lambat.
Jika dibandingkan nilai voltase bangkitan antara amplitudo 7,5 mm dengan amplitudo 12,5 mm, maka bisa dikatakan bahwa keduanya memiliki voltase bangkitan yang hampir sama ketika nilai damping rasionya 0,17. Sebaliknya ketika damping
rasio yang dimiliki adalah 0,21, maka ketika amplitudo 12,5 mm, nilai voltase yang dibangkitkan cenderung lebih besar daripada ketika amplitudo 7,5 mm. Ini terjadi karena displacement yang terjadi semakin besar yang berakibat generator berputar lebih cepat, sehingga menghasilkan nilai voltase yang lebih besar.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
Time (s)
Power (Watt)
z=0.17 z=0.21
Gambar. 6. Grafik daya dengan eksitasi impulsive pada amplitudo 12,5 mm
Grafik di atas menujukkan nilai daya yang dihasilkan oleh RSA dengan amplitudo 7,5 mm dan diberikan eksitasi impuls. Grafik di atas membandingkan antara daya bangkitan dengan nilai ζ = 0,17 dan ζ = 0,21. Nilai P rms (daya rata- rata) yang dihasilkan merupakan perkalian antara I rms dengan Vrms. Pada saat ζ = 0,17 , nilai I rms = 0.69 Ampere, sehingga nilai Prms = 0.118 watt.
Sedangkan saat ζ = 0,21 , nilai I rms = 0.41 Ampere, sehingga nilai Prms = 0.032 watt.
Sehingga dapat disimpulkan bahwa ketika ζ = 0,17, daya yang dihasilkan cenderung lebih tinggi dibandingkan ketika ζ = 0,21. Hal ini disebabkan oleh nilai percepatan relatif pada ζ = 0,17 memiliki nilai yang lebih besar. Percepatan yang dihasilkan tersebut akan membentuk suatu torsi yang digunakan untuk menggerakkan generator, semakin besar percepatan yang diberikan, maka torsi yang dihasilkan akan semakin besar. Sesuai dengan persamaan
r l B
i Tinput
⋅
⋅
= ⋅ 2
, maka semakin besar T (torsi), maka nilai arus (i) akan semakin besar juga. Sedangkan nilai P (daya) ditentukan dengan persamaan P=V⋅i, dengan V adalah voltase bangkitan.
B. Pengujian Harmonik
1 1.5 2 2.5 3
-5 0 5 10 15 20
Time (s) a (m/s2 )
unsprung mass sprung mass
1 1.5 2 2.5 3
-20 -15 -10 -5 0 5 10
Time (s) a (m/s2)
unsprung mass sprung mass
Gambar. 7. Grafik respon percepatan dengan eksitasi harmonik pada amplitudo 7,5 mm dan frekuensi 4,17 Hz (kecepatan eksitasi 125 mm/s) : a) ζ= 0,21; b) ζ= 0,17.
Grafik di atas menunjukkan perbandingan antara percepatan sprung mass dan unsprung mass dengan amplitudo 7,5 mm dan kecepatan 125 mm/s. ketika nilai damping rasio ζ= 0,17 dan ζ=
0,21. Dari grafik di atas terlihat, bahwa grafik sprung maupun unsprung menyerupai bentuk grafik sinusoidal yang menunjukkan bahwa eksitasi yang bekerja adalah sinusoidal. Dari grafik di atas didapatkan bahwa ketika ζ=0.17, nilai respon massa sprung adalah 3,08 m/s2 dan respon unsprung adalah 7,25 m/s2. Sedangkan ketika ζ=0.21, nilai respon massa sprung adalah 2,88 m/s2 dan respon unsprung adalah 8,26 m/s2 . Nilai ini jika ditinjau dari segi keamanan bagi otak manusia masih termasuk kriteria yang aman. Dikarenakan batas maksimum percepatan yang masih aman bagi otak manusia adalah 20g ke arah atas dan 10g ke arah bawah.
Selain itu , jika dilihat perbandingan antara sprung mass dan unsprung mass, maka percepatan pada unsprung mass cenderung lebih tinggi dibandingkan dengan sprung mass. Keadaan ini dikarenakan sebelum melewati sprung mass, terjadi redaman dari sistem suspensi oleh koefisien redaman (c) model RSA yang dipasang sehingga mengakibatkan percepatan menurun. Berbeda keadaannya dengan unsprung mass, karena hampir
tidak terjadi proses redaman, sehingga eksitasi langsung mengenai sprung mass.
Dari data tersebut terdapat keunikan tatkala memperhatikan nilai dari respon pada kedua macam nilai damping rasio tersebut. Pada saat ζ=0.21, respon percepatan cenderung lebih kecil daripada ketika ζ=0.17. hal ini mungkin disebabkan oleh nilai dari rasio frekuensi (r) pada saat ζ=0.21 adalah lebih kecil daripada saat ζ=0.17, sehingga mengakibatkan respon percepatan pada saat ζ=0.21 adalah lebih cepat daripada ζ=0.17 yang akan memberikan efek redaman yang signifikan.
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Time (s)
Voltage
z=0.21 z=0.17
Gambar. 8. Grafik voltase dengan eksitasi harmonik pada amplitudo 7,5 mm dan frekuensi 4,17 Hz (kecepatan eksitasi 125 mm/s).
Grafik di atas menunjukkan voltase yang dibangkitkan ketika amplitudo 7,5 mm dan kecepatan 125 mm/s. Pada grafik tersebut, ditunjukkan perbandingan voltase ketika nilai damping rasio ζ = 0,17 dan ζ = 0,21. Dari grafik tersebut diketahui, ketika damping rasio sebesar 0,17, maka voltase yang dibangkitkan memiliki Vrms = 0.157 volt yang lebih besar daripada ketika nilai damping rasio 0,21 yang memiliki Vrms = 0.122 volt. Hal ini dikarenakan ketika damping rasio sebesar 0,17, maka massa dari body lebih besar daripada ketika damping rasio 0,21.
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
Time (s)
Power (Watt)
z=0.17 z=0.21
Gambar. 9. Grafik daya dengan eksitasi harmonik pada amplitudo 7,5 mm dan frekuensi 4,17 Hz (kecepatan eksitasi 125 mm/s.
Grafik di atas menujukkan nilai daya yang dihasilkan oleh RSA dengan amplitudo 7,5 mm
dan kecepatan unsprung mass 125 mm/s. Grafik di atas membandingkan antara daya bangkitan dengan nilai ζ = 0,17 dan ζ = 0,21. Pada saat ζ = 0,17 , nilai I rms = 0,551 Ampere, sehingga nilai Prms = 0,086 watt. Sedangkan saat ζ = 0,21 , nilai I rms = 0,419 Ampere, sehingga nilai Prms = 0,051 watt. Sehingga dapat disimpulkan bahwa ketika ζ
= 0,17, daya yang dihasilkan cenderung lebih tinggi dibandingkan ketika ζ = 0,21. Hal ini disebabkan oleh nilai percepatan relatif pada ζ = 0,17 memiliki nilai yang lebih besar.
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Dari penelitian ini disimpulkan bahwa dari hasil analisa respon menunjukkan bahwa menurut standar keamanan , model RSA ini aman untuk manusia. Selain itu power yang dihasilkan masih sangat kecil. Hal ini dimungkinkan amplitudo yang diberikan masih sangat kecil, sehingga disarankan untuk penelitian selanjutnya amplitudo diberikan dengan nilai yang lebih tinggi. Selain itu perlu untuk digunakan rangkaian elektronik untuk menstabilkan voltase bangkitan yang muncul.
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis Mohammad Choliq mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua penulis, dosen pembimbing, serta tim dosen penguji. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada PT PELINDO yang telah memberikan dukungan finansial melalui PMDK Beasiswa 2008-2012.
DAFTARPUSTAKA
[1] Zuo, Lei dkk. Design And Characterization Of An Electromagnetic Energy Harvester For Vehicle Suspension. New York State University, USA (2010).
[2] Arziti, Marcos. Harvesting Energy From Vehicle Suspension. Tempere University of Technology: Spanyol (2010).
[3] Kelly, S Graham. Fundamental of Mechanical Vibrations. McGraw-Hill International Editions.: Ohio, USA(2000).
[4] Seongpil Ryu. Ride quality analysis of a tracked vehicle suspension with a preview control. Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science andTechnology (KAIST), Science Town, Daejeon 305-701, South Korea (2011).
[5] Guenter H. Hohl.2006. Military terrain vehicles. Austrian Society of Automotive
Engineers, Elisabethstrasse 26, A-1010 Vienna, Austria.
[6] Krylov, V.V. Calculation of Ground Vibration Spectra From Heavy Military Vehicles.
Departement of Aeronautical and Automotive Engineering, Loughborough University, Loughborough, Leicestershire LE113TU, United of Kingdom(2010)..
[7] S. Rao, Singiresu. Mechanical Vibration.
Prentice Hall PTR. Singapore(2004).
[8] Imam Muslim, ST. Studi Eksperimental Karakteristik Regenerative Shock Absorber (RSA) Model Rotational Jaw dan Pengaruhnya Terhadap Road Grip Mobil Perkotaan. Institut Tenologi Sepuluh Nopember, Indonesia (2011).
