BAB III PERENCANAAN DAN GAMBAR SISTEM KEMUDI KENDARAAN UNTUK DIFABLE

commit to user 18

BAB III

PERENCANAAN DAN GAMBAR

SISTEM KEMUDI KENDARAAN UNTUK DIFABLE

3.1 Flow Chart

Gambar 3.1 Perencanaan alur kerja

commit to user

Memulai mengerjakan proyek akhir dengan melakukan studi literatur tentang vehicle for difable, setelah melakukan studi literature ini kemudian melakukan perencanaan mekanikal, dengan demikian dapat dilakukan sketsa prototipe dan pemilihan material bahan dan komponennya. Setelah melakukan sketsa kemudian menggambar global secara 3D, jika disetujui maka kemudian menggambar detail bagian-bagian prototipe secara 2D untuk dipakai pada proses produksi. Setelah desain disetujui dan komponen terkumpul maka sudah dapat melakukan proses pembuatan, setelah rangka selesai dibuat maka komponen pendukung lainnya dapat dipasangkan. Setelah semua terpasang maka dapat dilakukan uji prototipe, jika sudah sesuai yang diinginkan maka memulai mengerjakan laporan, jika masih terjadi error maka harus menganalisa ulang pada perancangan mekanikal. Setelah semua selesai maka mendapatkan hasil prototipe dan laporan.

3.2 Spesifikasi Teknik Kendaraan

Persyaratan yang harus di penuhi dalam perancangan vehicle for difable sesuai kebutuhan dan tuntutan konsumen, sehingga konsumen dapat menggunakan alat ini dengan mudah, tepat dan nyaman.

Adapun kebutuhan dan tuntutan dari vehicle for difable adalah:

1. Ergonomi.

2. Kursi roda dapat masuk dalam vehicle for difable 3. Dikendarai oleh 1 orang.

4. Harga vehicle for difable tidak melebihi 20 juta.

5. Dimensi proposional dan jumlah roda 4.

6. Mudah perawatannya.

7. Terdapat system keamanan bagi pengguna dan pengendara lainnya.

3.3 Batasan–Batasan Sistem Kemudi

Sistem kemudi merupakan suatu mekanisme pada kendaraan yang berfungsi untuk mengatur arah kendaraan dengan cara membelokkan roda depan. Sistem kemudi terdiri dari 3 (tiga) bagian utama, yaitu roda kemudi, steering column, dan steering linkage. Steering column terdiri dari steering main shaft dan

commit to user

column tube. Agar sistem kemudi sesuai dengan fungsinya maka dalam perancangan ini dibatasi persyaratan seperti berikut :

1. Kelincahannya baik.

2. Usaha pengemudian yang baik.

3. Recovery (pengembalian) yang halus.

Tabel 3.3.1 Pertimbangan Perancangan Sistem Kemudi

No.

Tuntutan Pertimbangan

Perancangan

Persyaratan

Jenis Kemudi Roda

Kemudi

Batang Kemudi

1 Ergonomi 1. Nyaman dan aman *** **

2. Mudah dioperasikan ** **

2 Komponen / Material 1. Mudah didapat * ***

2. Sesuai dengan standar umum *** **

3. Memiliki umur pakai yang

panjang *** **

4. Mempunyai sifat mampu las * ***

5. Biaya murah * *****

3 Perawatan 1. Biaya perawatan murah * ****

2. Suku cadang mudah didapat ** ***

3. Mudah dilakukan perawatan ** ****

4 Produksi

1. Dapat diproduksi bengkel

Kecil ** ***

2. Dapat dikembangkan kembali *** ***

3. Biaya produksi relatif rendah * ****

Jumlah 25 (*) 37 (*)

Keterangan :

(*) yaitu jumlah minat berdasarkan survey dari beberapa kaum difabel.

Sistem kemudi yang dipilih adalah sisitem kemudi penggerak dua roda depan menggunakan tipe Bell Rack, dimana sistem kemudi ini adalah yang paling sederhana dari beberapa pilihan sistem kemudi yang ada. Pada sistem kemudi ini perantara yang digunakan untuk mentransmisikan tenaga dari pengemudi adalah jenis kemudi Steering Rod (batang kemudi). Dimana gaya yang diterima dari steering rod diteruskan oleh steering collum kemudian gerak putar dari steering rod (batang kemudi) diubah menjadi gerak translasi (arah ke kanan-kiri) oleh steering linkage, dan gerak translasi inilah yang diteruskan rack pinion menuju tie rod untuk menggerakan knuckle roda (kanan dan kiri).

commit to user

3.4 Konsep Desain Sistem Kemudi

Berdasarkan data diatas maka didapat gambaran komponen yang akan membentuk vehicle for difable yang sedang dirancang. Dengan demikian maka dapat disusun suatu konsep berdasarkan bentuk fisik dan fungsi produk. Adapun konsep vehicle for difable dapat dilihat pada gambar 3.2.

3.4.1 Wheelbase

Wheelbase adalah jarak sumbu roda belakang dengan sumbu roda depan kendaraan. Panjang wheelbase pada vehicle for difable adalah 1650 mm.

Keuntungan dari wheelbase yang relatif panjang adalah meningkatnya stabilitas, mengurangi perpindahan beban longitudinal dan lebih banyak ruang untuk menempatkan komponen-komponen lainnya. Wheelbase dapat dilihat pada gambar 3.3 berikut :

Gambar 3.3 Wheelbase vehicle for difable Gambar 3. 2 Konsep desain sistem kemudi

1650 mm

commit to user

3.4.2 Track width

Track width adalah jarak antara roda kanan dan roda kiri kendaraan.

Panjang track width pada vehicle for difable adalah 1350 mm. Keuntungan dari track width yang lebar adalah mengurangi perpindahan beban lateral untuk sejumlah percepatan sentrifugal dan meminimalkan perubahan camber. Hal ini terjadi pada saat kendaraan berbelok. Sedangkan kerugiannya adalah ketika kendaraan melaju pada kecepatan tinggi yang mempengaruhi aerodinamika kendaraan. Track windth dapat dilihat pada gambar 3.4 berikut :

Gambar 3.4 Track width vehicle for difable

3.4.3 Ground Clearance

Dikarenakan kendaraan ini untuk kaum difable maka harus mempunyai ground clearance yang cukup rendah agar para difable dapat menaikkan kursi roda keatas kendaraan., maka ground clearance Vehicle for Difable depan dan belakang diasumsikan sama yaitu 12 cm. Ground Clearance dapat di lihat gambar 3.5 sebagai berikut :

Gambar 3.5 Ground clearance 1350 mm

120 mm

commit to user

3.4.4 Center Of Gravity

Center Of Gravity atau titik pusat massa atau titik berat kendaraan merupakan tempat bekerjanya gaya tarik bumi (gravitasi) terhadap keseluruhan massa kendaraan. Dengan konfigurasi kendaraan yang simetris maka titik berat pengemudi mesin, dan rangka direncanakan letaknya di tengah-tengah track width kendaraan atau berada pada sumbu y. Titik pusat massa pada kendaraan dapat dilihat pada gambar 3.6 berikut :

Gambar 3.6 Titik berat mesin, pengemudi, dan rangka

Letak pusat massa keseluruhan dimana pusat massa ini adalah pusat massa gabungan antara mesin dan pengemudi. Dalam mencari pusat massa total ini dianggap bahwa titik pusat sumbu koordinat x berada pada titik tengah sumbu roda depan rangka dan bidang xz berada pada tengah rangka. Letak pusat massa gabungan antara mesin dengan pengemudi dapat dilihat pada gambar 3.7.

1000 mm

Titik Pusat Beban Mesin

Titik Pusat Beban Rangka

650 mm

500 mm 1200 mm

1000 mm

commit to user

Gambar 3.7 Titik acuan pada rangka

Titik pusat massa Vehicle for Difable dipengaruhi oleh berat pengemudi, berat mesin, dan berat rangka. Untuk titik berat mesin, diasumsikan merata dengan bobot 150 kg, sedangkan berat pengemudi dan kursi roda yang memiliki berat 150 kg dan tinggi 120 cm. Untuk berat rangka dan komponen pendukung yang lain sebesar 115 kg. Apabila titik pusat massa kendaraan ini memiliki jarak sumbu z yang tinggi, maka akan berpengaruh pada keamanan pada saat kendaraan belok. Hal ini dikarenakan gaya sentrifugal yang terjadi pada saat kendaraan belok dengan kecepatan yang melebihi batas maksimum. Semakin tinggi letak center of gravity akan semakin mudah mobil terlempar keluar track saat berbelok seperti yang terlihat pada gambar 3.8.

Gambar 3.8 High and low center of gravity Sumber : www.mini4wdclub.blogspot.com

z

x

y

commit to user Gambar 3D Sistem Kemudi

Gambar 3.9 Rangkaian sistem kemudi Keterangan :

1. Batang kemudi

2. Dudukan Poros pinion kemudi (intermediate)

3. Poros pinion kemudi (intermediate) 4. Universal Joint

5. Upper Ball Joint 6. Rack Shaft 7. Tie Rod

8. Steering Linkage 9. Lower Ball Joint 10. Steering Knuckle

Gambar 3.10 Steering knuckle and steering linkage 1

2

4

3

9 8

5

6 10 7

commit to user

Gambar 3.11 Steering knuckle

3.5 Analisa Sistem Kemudi

Analisa yang akan dilakukan terhadap sistem kemudi ini adalah gaya-gaya yang bekerja pada roda depan, sudut belok, serta mencari radius putar maksimum.

3.5.1 Analisa Secara Grafis Sistem Kemudi

Analisa yang akan dilakukan terhadap sistem kemudi ini adalah mencari besar sudut belok roda depan (kanan dan kiri) dengan rencana perancangan sudut maksimum pada steering linkage (45⁰), serta kondisi belok ideal dari kendaraan.

Gambar 3.12 Dimensi Kendaraan

commit to user Dari gambar perancangan :

1. Panjang tie-rod = 540 mm = 54 cm 2. Panjang steering knuckle = 150 mm = 15 cm 3. Putaran maksimum steering linkage = 45⁰

4. Center Of Gravity = Terletak pada 1000 mm dari poros roda depan, dan 650 mm dari titik tengah poros roda belakang.

a. Grafis sudut belok ( ) sistem kemudi

Gambar 3.13 Grafis sudut belok ( ) sistem kemudi

Dari hasil analisa kinematika menggunakan AutoCAD berdasarkan data diatas dengan besar sudut steering linkage 45⁰ deproleh besar sudut belok pada roda kiri ( _i) sebesar 24.35⁰, dan besar sudut pada roda kanan ( o) sebesar 20.45⁰.

b. Grafis radius putar sistem kemudi

Gambar 3.14 Radius belok kendaraan

i o

commit to user Keterangan :

Dengan kondisi seperti ini antara roda kiri dan roda kanan memiliki radius (R) atau titik pusat melingkar yang berbeda, yaitu memiliki selisih sebesar 1,8⁰. Kondisi ini akan menyebabkan terjadinya slip pada roda ketika belok. Maka untuk memperkecil sudut slip yang terjadi pada saat belok, dilakukan pengaturan Toe In dengan sudut tiap roda sebesar 0,9⁰.

Diketahui :

Lf = 1000 mm = 1 m L_r = 650 mm = 0,65 m

f (sudut steer rata-rata roda depan) = 45⁰ (asumsi rancangan pertama)

Maka untuk mencari besar radius (R) dapat digunakan persamaan 2.5 Sebagai berikut :

R =

R = R = 0,036 . 5,29 R = 2,1 m

Dari analisa perhitungan berdasarkan data diatas dengan sudut steer 45⁰ diperoleh radius putar maksimum sebesar 2,1 m. Kondisi ini adalah radius maksimum yang mampu dicapai oleh kendaraan pada saat tikungan yang paling tajam yaitu sebesar 2,1 m (sebagai jari-jari tikungan).

Gambar 3.15 Radius kendaraan pada saat belok Sumber : www.zenius.net

commit to user

3.5.2 Analisa Grafik Dengan Variasi Sudut Pada Steer

Gambar 3.16 Grafik perbandingan sudut roda pada saat belok ke kiri

Gambar 3.17 Grafik perbandingan sudut roda pada saat belok ke kanan Keterangan :

Untuk roda depan kanan dan kiri pada saat belok memiliki sudut yang berbeda. Alasannya agar pusat lingkaran dari ke empat roda bertemu di satu titik supaya tidak ada ban yang terseret (slip). Pada saat belok kiri, roda depan sebelah kiri memiliki sudut yang lebih besar dari roda kanan.

Dan sebaliknya pada saat belok kanan, roda kanan memiliki sudut yang lebih besar.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 ˚ 5 ˚ 10 ˚ 15 ˚ 20

˚

25 ˚ 30 ˚ 35 ˚ 40 ˚ 45 ˚

Sudut Roda Kiri (δi)

Sudut Roda Kanan (δo)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 ˚ 5 ˚ 10 ˚ 15 ˚ 20

˚

25 ˚ 30 ˚ 35 ˚ 40 ˚ 45 ˚

Sudut Roda Kanan (δi)

Sudut Roda Kiri (δo) Sudut steering linkage Sudur roda (0 ) Sudur roda (0 )

Sudut steering linkage

commit to user

Dari hasil pengujian, sistem kemudi ini cenderung Understeer karena pada kecepatan rendah kendaraan sulit untuk berbelok dan radius putar yang dihasilkan besar. Sistem kemudi tipe bell rackk cenderung lebih berat karena rasio kemudinya 1:1 sehingga dibutuhkan gaya yang besar untuk memutar roda kemudi.

3.5.3 Analisa Kecepatan Maksimum (V

max

) Pada Saat Belok

Pada saat mobil melaju pada sebuah tikungan, maka mobil akan melakukan gerak melingkar. Hal ini menyebabkan timbulnya gaya sentrifugal yang arahnya keluar tikungan yang besarnya sama dengan gaya sentripetal dan selalu menuju pusat kelengkungan sehingga mobil tidak tergelincir. Dalam hal ini, gaya sentripetal yang arahnya menuju pusat kelengkungan diwakili oleh gaya gesekan roda yang melawan gaya sentrifugal mobil. Sesuai dengan Hukum II Newton bahwa gaya sentrifugal akan menyebabkan percepatan sentrifugal. Pada saat menikung, kecepatan mobil tidak boleh terlalu tinggi karena akan menghasilkan gaya sentrifugal yang besar. Batas kecepatan kendaraan terjadi saat besarnya gaya sentrifugal sama dengan gaya gesek maksimum kendaraan terhadap jalan yang arahnya berlawanan dengan gaya sentrifugal.

Gambar 3.18 Gaya sentrifugal Sumber : www.zenius.net

commit to user

Dengan demikian, resultan gaya pada arah tegak lurus gerak kendaraan sama dengan nol. Maka untuk mencari kecepatan maksimum yang diijinkan dapat menggunakan persamaan 2. sebagai berikut :

Fs = fs

= _s

.

m.g Vmax2

= _s.g.r

Dimana :

Fs = gaya sentrifugal

fs = gaya gesek maksimum mobil terhadap jalan

s= koefisien gesek maksimum g = percepatan gravitasi (m/s²)

r = jari-jari lintasan tikungan diambil dari jari-jari radius yang mampu dicapai kendaraan saat belokan maksimum (m)

3.6 Perhitungan

3.6.1

Perhitungan gaya normal pada roda

Perhitungan gaya-gaya pada roda dicari dengan tujuan untuk mengetahui berapa besar gaya yang dibutuhkan agar sistem kemudi dapat digerakkan dan kendaran dapat berbelok.

Gambar 3.19 Titik berat kendaraan (center of gravity) Center

Of Gravity

a Wr

Wf

h

b

commit to user Diketahui :

Nilai tinggi center of gravity (h) diasumsikan 600 mm dari ground.

a = Jarak antara titik pusat kendaraan dari poros roda depan = 1000 mm b = Jarak antara titik pusat kendaraan dari poros roda belakang = 650 mm Wf = Gaya yang bekerja pada roda depan (N)

Wr = Gaya yang bekerja pada roda belakang (N)

Gambar 3.20 Perhitungan gaya pada roda Diketahui :

Gaya yang bekerja pada roda Wf = Wr = WA = WB = W Wtotal = 415 kg

= 415 kg x 9,81 m/s² Wtotal = 4069,76 N

Maka :

+

B

= ½ W

total

. b - W

A

. (a+b) = 0

½ . 4069,76 N . 650 mm - W_{A .} 1650 mm = 0 1322,67 N mm - WA . 1650 mm = 0

WA . =

= 801,62 N

Dari hasil perhitungan diperoleh nilai W_A = 801,62 N, maka gaya yang bekerja pada tiap roda (FN) = 400,8 N. Maka untuk mencari gaya gesek maksimum (fmax) dapat digunakan persamaan 2.3 sebagai berikut :

f_max = _s

.

F_N Dimana :

fmax = gaya gesek maksimum pada roda (N)

a WB

WA

b

½ Wtotal

commit to user

s

= koefisien gesek statis

FN = Gaya yang bekerja pada roda (N)

Diasumsikan nilai koefisien gesek statis ( s) sebesar 0,5. Maka dengan persamaan 2. Dapat diperoleh nilai gaya gesek maksimum pada tiap roda (f_max) sebagai berikut :

Maka :

f_max = 0,5 . 400,8 N = 200,4 N

Dari perhitungan diatas diperoleh nilai gaya gesek maksimum (fmax) pada setiap roda dalam kondisi statis dengan nilai koefisien gesek maksimum ( _s

)

0,5 yaitu sebesar 200,4 N. Besar gaya gesek maksimum (fmax) ini diartikan sebagai besar gaya maksimum yang akan bekerja pada tie rod maksimum.

3.6.2 Gaya untuk memutar kemudi (F_k)

1. Gaya yang dibutuhkan untuk memutar kemudi pada kondisi statis

Gambar 3.21 Arah gaya tie rod (Ft) Keterangan gambar :

Fk1 = Gaya tangan horizontal arah ke depan Fk2 = Gaya tangan horizontal arah ke belakang

Ftr = Gaya pada right tie rod dimisalkan kondisi belok ke kanan Ftl = Gaya pada left tie rod dimisalkan kondisi belok ke kanan Ls = Panjang lengan steering linkage

Diketahui :

D = Panjang batang kemudi = 400 mm = 0,4 m r = ½ .D = ½ . 0,4 m = 0,2 m

Fk2 Fk1

Ftr Ftl

D

r

Ls

commit to user

fmax = 200,4 N (diperoleh dari hasil perhitungan sebelumnya).

Ls = 8 cm = 0,08 m

Ftie rod = Fmax (diasumsikan besar gaya gesek maksimum pada roda (fmax) adalah sama dengan besar gaya maksimum yang bekerja pada tie rod (Ftie rod).

Sehingga dari gambar 3.21 diperoleh persamaan pada gaya yang bekerja pada tie rod sebagai berikut :

2Ftie rod =

Maka untuk persamaan gaya yang bekerja pada kemudi (Fk) pada kondisi statis adalah sebagai berikut :

2F_k =

Atau F_k =

Maka :

F_k =

=

= Fk = 40, 08 N Atau Fk = 4,08 kg

Dari perhitungan diatas diperoleh hasil gaya maksimum yang dibutuhkan untuk memutar kemudi (Fk) pada kondisi statis adalah 40,08 N.

2. Gaya yang dibutuhkan untuk memutar kemudi pada kondisi dinamis Dalam kondisi dimanis ini yang membedakan antara besar gaya yang dibutuhkan untuk menggerakan kemudi dengan kondisi statis adalah koefisien gesek roda ( ) terhadap jalan karena dipengaruhi oleh kecepatan. Sehingga untuk koefisien gesek kinetik ( _k) diasumsikan sebesar 0,2. Maka untuk menghitung besar gaya minimum dinamis ( _k) dapat digunakan persamaan 2.4 sebagai berikut :

fmin = _k

.

FN

Dimana :

k = koefisien gesek minimum roda F_N = gaya yang bekerja pada roda (N)

commit to user Maka :

fmin = 0,2 . 400,8 N = 80,16 N

Dari perhitungan diatas diperoleh nilai gaya gesek minimum (fmin) pada setiap roda dalam kondisi dinamis dengan nilai koefisien gesek minimum ( _k

)

0,2 yaitu sebesar 80,6 N. Besar gaya gesek minimum (f_min) ini diartikan sebagai besar gaya minimum yang akan bekerja pada tie rod minimum pada saat kendaraan bergerak.

Maka untuk persamaan gaya yang bekerja pada kemudi (Fk) pada kondisi dinamis adalah sebagai berikut :

F_{k dinamis} =

Maka :

F_{k dinamis} =

=

= Fk dinamis = 16,12 N Atau Fk = 1,64 kg

Dari perhitungan diatas diperoleh hasil gaya minimum yang dibutuhkan untuk memutar kemudi (Fk) pada kondisi dinamis adalah 16,12 N.

3.6.3 Kecepatan maksimum (V_max) yang diijinkan pada saat belok

Dari analisa kecepatan maksimum (Vmax) yang diijinkan, resultan gaya pada arah tegak lurus gerak kendaraan sama dengan nol. Maka diperoleh persamaan sebagai berikut :

Fs = fs

= _s

.

m.g Vmax2

= _s.g.r Dimana :

Fs = gaya sentrifugal

fs = gaya gesek maksimum mobil terhadap jalan

commit to user

s= koefisien gesek maksimum g = percepatan gravitasi (m/s²)

r = jari-jari lintasan tikungan diambil dari jari-jari radius yang mampu dicapai kendaraan saat belokan maksimum (m)

Diketahui :

s= 0,5 g = 9,81 m/s² r = 2,1 m Maka :

V_max² = _s.g.r Vmax2

= 0,5 x 9,81 m/s² x 2,1 m Vmax2

= 10,3 m²/s² V_max = Vmax = 3,2 m/s

Atau Vmax = 11,52 km/jam

Dari hasil perhitungan diperoleh kecepatan maksimum (Vmax) yang diijinkan pada saat kendaraan belok pada tikungan yang paling tajam (jari-jari terkecil yang mampu dicapai sudut belok) yaitu 11,52 km/jam. Dalam hal ini jari- jari tikungan yang paling tajam yang mampu dicapai kendaraan tidak lebih kecil dari batas radius (R) kendaraan pada sudut steer ( maksimum (sebesar 45⁰).