TUGAS AKHIR – TM141585
PEMODELAN DAN ANALISIS PENGARUH VARIASI
LUASAN SISI KOMPRESI DAN EKSPANSI DENGAN
PERUBAHAN DIAMETER PISTON, ORIFICE, DAN
PISTON ROD TERHADAP GAYA REDAM SHOCK
ABSORBER DAN RESPON DINAMIS SEPEDA
MOTOR YAMAHA MIO J
M Fauzi Rahman NRP 2112 100 135 Dosen Pembimbing
1. Dr. Wiwiek Hendrowati, ST., MT. 2. Dr. Harus Laksana Guntur, ST., M.Eng.
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2016
TUGAS AKHIR – TM 141585
PEMODELAN DAN ANALISIS RESPON DINAMIS
SISTEM SUSPENSI DENGAN MENGGUNAKAN
VARIABLE ORIFICE
PADA
SHOCK ABSORBER
KENDARAAN YAMAHA JUPITER 2008
BETARI SARASWATINRP 2112 100 010 Dosen Pembimbing
Dr.Eng Harus Laksana Guntur, ST., M.Eng. JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017
TUGAS AKHIR – TM141585
PEMODELAN DAN ANALISIS RESPON DINAMIS SISTEM SUSPENSI DENGAN MENGGUNAKAN
VARIABLE ORIFICE PADA SHOCK ABSORBER
KENDARAAN YAMAHA JUPITER 2008
BETARI SARASWATI NRP. 2112 100 010
Dosen Pembimbing:
Dr. Eng. Harus Laksana Guntur ST., M.Eng. PROGRAM SARJANA
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017
THESIS – TM141585
MODELLING AND ANALYSIS OF DYNAMIC RESPONSE SUSPENSION SYSTEM WITH VARIABLE ORIFICE USING THE VEHICLE SHOCK ABSORBER
YAMAHA JUPITER 2008
BETARI SARASWATI NRP. 2112 100 010
Advisory Lecturer:
Dr. Eng. Harus Laksana Guntur ST., M.Eng. PROGRAM SARJANA
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017
i
VARIABLE ORIFICE PADA SHOCK ABSORBER
KENDARAAN YAMAHA JUPITER 2008
Nama Mahasiswa : Betari Saraswati
NRP : 2112100010
Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS
Dosen Pembimbing : Dr. Eng. Harus Laksana Guntur,
ST., M. Eng. ABSTRAK
Mobilitas manusia yang semakin tinggi mempengaruhi jumlah pengguna kendaraan bermotor yang ada di Indonesia. Kendaraan bermotor yang paling banyak digunakan oleh masyarakat Indonesia saat ini adalah sepeda motor. Pada sepeda motor, sistem suspensi merupakan salah satu komponen yang paling penting, karena sistem suspensi menjamin kenyamanan dan keamanan pengendara. Kegagalan pada sistem suspensi dapat menimbulkan masalah yang serius dari segi keamanan dan kenyamanan bagi penumpang maupun kendaraan. Maka dari itu dibutuhkan suatu inovasi baru dari segi desain konstruksi maupun dimensi pada sistem suspensi untuk mendapatkan performa terbaik.
Dalam tugas akhir ini dilakukan pemodelan dan simulasi dari perubahan parameter yang ada pada sistem suspensi dengan variable orifice pada shock absorber terhadap gaya redam dan respon dinamis dari kendaraan dan penumpang pada sistem setengah kendaraan sepeda motor. Modifikasi yang dilakukan berupa perubahan geometri, dan posisi orifice pada shock absorber dengan menggunakan double cylinder. Orifice yang awalnya berbentuk lingkaran akan diubah menjadi bentuk persegi panjang dengan lebar (b) 1,06 mm dan panjang (H) 5 mm. Input yang digunakan pada simulasi ini yaitu input sinusoidal dan bump modified. Simulasi dilakukan dengan
menggunakan software MATLAB. Parameter seperti diameter piston, diameter piston rod, dan diameter orifice serta konstanta pegas dan konstanta damping kendaraan didapatkan dari eksperimen maupun jurnal. Diameter piston (Dp) yang digunakan sebesar 15,9 mm, diameter piston rod (Dpr) 7,95 mm, dan diameter orifice (Do) 1,5 mm. Simulasi ini bertujuan untuk membandingkan gaya redam sistem suspensi sebelum modifikasi (konvensional) dan sistem suspensi dengan variable orifice.
Dari hasil simulasi didapatkan bahwa perubahan geometri dan posisi dari orifice mempengaruhi besarnya gaya redam yang terjadi, serta merubah karakteristik dinamis dari kendaraan. Gaya redam yang dihasilkan oleh sistem suspensi dengan variable orifice lebih baik daripada sistem suspensi konvensional. Selain itu respon dinamis berupa displacement, velocity, dan acceleration yang dialami sistem suspensi dengan variable orifice lebih kecil dibandingkan sistem suspensi konvensional untuk variasi frekuensi 0,5 Hz, 1 Hz, 1,5 Hz, dan 2 Hz dengan variasi kecepatan 20 km/jam hingga 80 km/jam. Untuk perpindahan RMS, dan percepatan RMS sistem suspensi dengan variable orifice juga relatif lebih baik daripada sistem suspensi konvensional.
Kata kunci: sistem suspensi, karakteristik dinamis kendaraan, gaya redam, variable orifice, shock absorber.
iii
MODELLING AND ANALYSIS OF DYNAMIC RESPONSE SUSPENSION SYSTEM WITH VARIABLE ORIFICE
USING THE VEHICLE SHOCK ABSORBER YAMAHA JUPITER 2008
Name : Betari Saraswati
NRP : 2112100010
Department : Mechanical Engineering FTI-ITS
Adivosry Lecturer : Dr. Eng. Harus Laksana Guntur,
ST., M. Eng.
ABSTRACT
Increasing of society mobility that influence the number of users of motor vehicles in Indonesia. Motor vehicles most widely used by the Indonesian people at this time, is a motorcycle. On a motorcycle, the suspension system is one of the most important component, because the suspension system ensured the comfort and safety of the rider. The failure of the suspension system can cause serious problems in terms of safety and comfort for passengers and vehicles. Therefore we need a new innovation in terms of design, construction and dimensions of the suspension system to get the best performance.
In this thesis modeling and simulation of changes in the parameters that exist in the suspension system with variable orifice in the shock absorber damping force and dynamic response of the vehicle and the passenger on the motorcycle robin system. Modifications were made in the form of changes of the geometry and position of the orifice in the shock absorber using double cylinder. Orifice who initially circular will be transformed into a rectangular shape of a width (b) of 1.06 mms and a length (H) 5 mms. Inputs used in this simulation are sinusoidal input and bump modified. Simulations done using MATLAB software. Parameters such as piston diameter, the diameter of the piston rod, and the diameter of the orifice and the spring constant and
damping constant of the vehicle obtained from experiments and journals. Piston diameter (Dp) used at 15.9 mms, the diameter of the piston rod (Dpr) 7.95 mms, and the orifice diameter (Do) of 1.5 mms. This simulation aims to compare the style damping suspension system before modification (conventional) and the suspension system with variable orifice.
The simulation results showed that changes into the geometry and position of the orifice influence the damping force that occurred, as well as changing the dynamic characteristics of the vehicle. Style damping produced by the suspension system with variable orifice better than conventional suspension systems. Besides the dynamic response to the form of displacement, velocity, and acceleration experienced suspension system with variable orifice is smaller than conventional suspension systems to vary the frequency of 0.5 Hz, 1 Hz, 1.5 Hz, and 2 Hz with variation speed of 20 km / h up to 80 km / h. For RMS displacement and acceleration RMS suspension system with variable orifice is also relatively better than conventional suspension systems.
Keywords: suspension system, dynamics characteristic of vehicle, damping force, variable orifice, shock absorber.
v
hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik dan tepat waktu. Tugas Akhir ini disusun sebagai syarat kelulusan pendidikan Sarjana S-1 di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri,Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.
Penyusunan Tugas Akhir ini dapat terlaksana dengan baik karena bantuan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :
1. Orang tua penulis, Ibu Sri Sudewi dan (alm) Bapak Juni Eman Subiyantoro, yang menjadi semangat dan motivasi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. Terima kasih karena selalu memberikan dorongan materi dan moril, yang memberikan doa tanpa pernah putus. Aldila Ningtyas dan Teguh Harianto selaku kakak penulis, yang selalu memberikan bantuan dan semangat bagi penulis. 2. Dr. Eng. Harus Laksana Guntur, ST., M.Eng yang selalu
memberikan bimbingan dan arahan dalam penulisan Tugas Akhir ini.
3. Dr. Wiwiek Hendrowati, ST., MT., Aida Anisa Amin Daman, ST., MT., dan Moch. Solichin, ST., MT., selaku dosen penguji yang telah memberikan saran dan kritik kepada penulis untuk Tugas Akhir ini.
4. Dr. Ir. Atok Setiyawan, M.Eng.Sc., selaku dosen wali penulis, serta seluruh dosen dan karyawan Jurusan Teknik Mesin FTI ITS. Terima kasih atas ilmu dan bimbingannya selama ini.
5. Teman-teman team #Harus115, Ayu, Bella, Didin, Piendra, Rahma, Fauzi, Fadli, Wando, IBP, Rai, Tiara. Terima kasih atas bantuan dan semangatnya, serta waktu yang diluangkan untuk mendengarkan keluh kesah penulis selama mengerjakan tugas akhir ini.
6. “Raden Ayu Mlete” tersayang, Ayu, Bella, Lintang, dan Selvi. Kalian sangat berharga bagi penulis, yang selalu meluangkan waktu unutk penulis di tengah-tengah kesibukan kalian.
7. Angkatan M55 Teknik Mesin 2012, Budals (bengkelers 2012), Divisi Tempur LBMM, anggota Lab Vibrasi dan SIstem Dinamis, yang telah menjadi keluarga penulis selama menempuh pendidikan di Teknik Mesin ITS. 8. Keluarga “Doraemon” Arwanda “Friend” Wahyu Eko
Sadewo, Gani “Gandos” Maustofah, Ielman “Uda” Wahid Nawazier, Rahmat Basya “Ayek” Sari Tsani. Terima kasih atas pengalaman dan kebersamaan yang kita lalui selama ini.
9. Mas Chanyeol, Mas Baekhyun, Dek Jongin, dan Dek Sehun yang mengisi hari-hari penulis serta memberi semangat penulis dalam menjalani masa studi. Yang memberi semangat penulis dari awal perkuliahan hingga akhir. Tidak lupa semua member EXO dan oppa-oppa yang lain, terima kasih atas hiburannya selama ini. 10. Seluruh keluarga penulis dan orang-orang yang tidak bisa
penulis sebutkan satu persatu.
Dengan segala keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis, tidak menutup kemungkinan Tugas Akhir ini jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis bersedia menerima kritik dan saran dari berbagai pihak untuk penyempurnaan lebih lanjut.Semoga hasil penulisan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.
Surabaya, Januari 2017
vii HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK ... i ABSTRACT ... iii KATA PENGANTAR ... v
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ... xi DAFTAR TABEL ... xv BAB I ... 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 2 1.3 Tujuan ... 2 1.4 Batasan Masalah ... 3 1.5 Manfaat ... 3 BAB II ... 5 TINJAUAN PUSTAKA ... 5 2.1. Konstruksi Motor ... 5
2.1.1 Sistem Suspensi Motor ... 6
2.1.2 Sistem Peredam Hidrolik ... 8
2.2 Teori Getaran Base Excitation ... 18
2.3 Permodelan Dinamis Setengah Kendaraan Untuk Sepeda Motor ... 18
2.4 Transmibilitas Perpindahan (Displacement Transmibility) ... 19
2.5 Transmibilitas Gaya (Force Transmibility) ... 20
2.6 Pengaruh Percepatan Kendaraan terhadap Kenyamanan Pengendara ... 21
BAB III ... 25
METODOLOGI ... 25
3.1 Metodologi Penelitian ... 25
3.3 Pemodelan dan Simulasi Sistem Suspensi dengan
Variable Orifice pada Shock Absorber ... 28 3.3.1 Pemodelan Fisik dan Permodelan Dinamis Sistem
Suspensi Konvensional ... 28 3.3.2 Pemodelan Fisik dam Permodelan Dinamis dari
Sistem Suspensi dengan VariableOrifice ... 29 3.3.3 Pembuatan Blok Simulasi dari Sistem Suspensi
Konvensional dan Sistem Suspensi dengan Variable Orifice ... 31 3.3.4 Analisis Grafik Sistem Suspensi Konvensional dan
Sistem Suspensi dengan Variable Orifice pada Shock Absorber ... 32 3.4 Pemodelan dan Simulasi Sistem Setengah Kendaraan
Sepeda Motor Yamaha Jupiter Z 2008 dengan Sistem Suspensi Konvensional dan SIstem Suspensi
denganVariableOrifice pada Shock Absorber ... 32 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 VariableOrifice ... 32 3.4.2 Pembuatan Blok Simulasi Sistem Setengah
Kendaraan Sepeda Motor Yamaha Jupiter Z 2008 dengan Sistem Suspensi Konvensional dan Sistem Suspensi dengan VariableOrifice ... 33 3.4.3 Analisis Grafik Sistem Setengah Kendaraan Sepeda
Motor Yamaha Jupiter Z 2008 dengan Sistem Suspensi Konvensional dan Sistem Suspensi dengan
VariableOrifice pada Shock Absorber ... 34
BAB IV ... 37
PERMODELAN SISTEM ... 37
4.1 Permodelan Dinamis dan Gaya Redam pada Sistem Suspensi ... 37 4.1.1 Permodelan Dinamis dan Gaya Redam pada Sistem
4.1.2 Permodelan Dinamis dan Gaya Redam pada Sistem Suspensi dengan Variable Orifice pada Shock
Absorber ... 42
4.2 Permodelan Dinamis Sistem Setengah Kendaraan Motor ... 48
4.2.1 Sistem Setengah Kendaraan Motor dengan Suspensi Konvensional ... 50
4.2.2 Sistem Setengah Kendaraan Motor dengan Sistem Suspensi dengan Menggunakan Variable Orifice pada Shock Absorber ... 54
4.3 Diagram Blok ... 58
4.3.1 Input yang Digunakan ... 58
4.3.2 Diagram Blok Sistem Suspensi ... 60
4.3.3 Diagram Blok Sistem Setengah Kendaraan Motor dengan Sistem Suspensi Meggunakan Variable Orifice pada Shock Absorber ... 62
BAB V ... 65
ANALISIS DAN PEMBAHASAN ... 65
5.1 Respon Dinamis Sistem Suspensi Konvensional ... 66
5.2 Respon Dinamis Sistem Suspensi dengan Variable Orifice pada Shock Absorber ... 68
5.3 Perbandingan Respon Dimanis Kendaraan dari Sistem Setengah Kendaraan Sepeda Motor dengan Sistem Suspensi Konvensional dan Sistem Suspensi dengan Variable Orifice pada Shock Absorber dengan Input Sinusoidal ... 70
5.3.1 Kecepatan 20 km/jam ... 70
5.3.2 Kecepatan 40 km/jam ... 72
5.3.3 Kecepatan 60 km/jam ... 74
5.3.4 Kecepatan 80 km/jam ... 76
5.4 Perbandingan Respon Dimanis Penumpang dari Sistem Setengah Kendaraan Sepeda Motor dengan Sistem Suspensi Konvensional dan Sistem Suspensi dengan Variable Orifice pada Shock Absorber dengan Input Bump Modified ... 77
5.4.1 Input Low Impact ... 78
5.4.2 Input High Impact ... 80
5.5 Perbandingan RMS (Root Mean Square) Percepatan Penumpang pada Sistem Suspensi Hidrolis dan Sistem Sistem Suspensi dengan Variable Orifice pada Shock Absorber ... 81
5.6 Perbandingan Displacement TransmissibilityInput Sinusoidal pada Sistem Setengah Kendaraan Sepeda Motor Menggunakan Sistem Suspensi Konvensional dan Sistem Suspensi dengan Variable Orifice ... 85
BAB VI ... 89
KESIMPULAN DAN SARAN ... 89
6.1 Kesimpulan ... 89
6.2 Saran ... 90
xi
Gambar 2. 1 Konstruksi sepeda motor ... 5
Gambar 2. 2 Konstruksi suspensi plunger unit pada suspensi bagian belakang motor. ... 7
Gambar 2. 3 Konstruksi suspensi swing arm yang dipasang pada bagian belakang sepeda motor ... 8
Gambar 2. 4 Sistem suspensi hidrolik ... 8
Gambar 2. 5 Siklus kompresi pada shock absorber ... 10
Gambar 2. 6 Siklus ekspansi pada shock absorber ... 11
Gambar 2. 7 Desain dari twin tube shock absorber yang diuji ... 11
Gambar 2. 8 Energi disipasi terhadap frekuensi ... 12
Gambar 2. 9 Grafik perbandingan gaya redam terhadap (a) kecepatan dan (b) percepatan pada sistem hidrolik dengan posisi suspensi tegak ... 12
Gambar 2. 10 . Grafik perbandingan gaya redam terhadap (a) kecepatan dan (b) percepatan pada sistem hidrolik dengan posisi suspensi miring ... 13
Gambar 2. 11 Grafik respon perpindahan dan kecepatan terhadap gaya redam pada massa jenis minyak (ρ=860 kg/m3), diameter piston (Dp = 3 cm) dan diameter orifice (Do = 1-3 mm) dengan variasi frekuensi . 15 Gambar 2. 12 Grafik pengaruh variasi frekuensi terhadap gaya redam maksimum yang dihasilkan dari sistem suspensi hydro-pneumatic dengan massa jenis minyak (ρ=860 kg/m3) dan diameter piston (Dp = 3 cm) pada masing-masing diameter orifice (Do = 1-3 mm) ... 16
Gambar 2. 13 Gambar siklus osilasi suatu shock absorber saat terjadi tension dan compression ... 17
Gambar 2. 14 Hasil percobaan dalam bentuk tabel ... 17
Gambar 2. 15 Base excitation (a) Sistem fisik base excitation (b) Free body diagram untuk sistem base excitation ... 18
Gambar 2. 16 Gambar Permodelan ½ kendaraan untuk sepeda
motor ... 19
Gambar 2. 17 Grafik Variasi Td dan ɸ terhadap r ... 20
Gambar 2. 18 Grafik Force Transmibility ... 21
Gambar 2. 19 Ketahanan badan manusia terhadap percepatan linier yang dapat diterima ... 22
Gambar 3. 1 Diagram alir penyelesaian tugas akhir ... 25
Gambar 3. 2 Permodelan fisik shock absorber konvensional .... 28
Gambar 3. 3 Model dinamis shock absorber konvensional saat (a) kompresi (b) ekspansi ... 29
Gambar 3. 4 Model dinamis shock absorber dengan variable orifice ... 29
Gambar 3. 5 Diagram alir proses pembuatan blok diagram pada Simulink MATLAB ... 31
Gambar 3. 6 Model dinamis setengah kendaraan dan free body diagram sistem setengah kendaraan Yamaha Jupiter Z 2008 ... 33
Gambar 3. 7 Diagram alir proses pembuatan blok diagram Simulink MATLAB dari sistem setengah kendaraan Yamaha Jupiter Z 2008 ... 34
Gambar 4. 1 Model dinamis sistem hidrolis ... 37
Gambar 4. 2 Model dinamis shock absorber konvensional saat (a) kompresi (b) ekspansi ... 38
Gambar 4. 3 Model fisik shock absorber dengan variable orifice ... 43
Gambar 4. 4 Model dinamis shock absorber dengan variable orifice ... 44
Gambar 4. 5 Free Body Diagram kendaraan model half car ... 49
Gambar 4. 6 Free body diagram dari permodelan dinamis setengah kendaraan sepeda motor ... 50
Gambar 4. 7 Free body diagram massa pengendara ... 51
Gambar 4. 8 Free body diagram massa kendaraan ... 51
Gambar 4. 9 Free bdy diagram massa roda ... 53
Gambar 4. 10Free body diagram dari permodelan dinamis setengah kendaraan sepeda motor ... 54
Gambar 4. 11 Free body diagram massa pengendara ... 55 Gambar 4. 12 Free body diagram massa kendaraan ... 55 Gambar 4. 13 Free bdy diagram massa roda ... 57 Gambar 4. 14 Profil jalan dengan input bump yang dimodifikasi
(a) γ = 1 (b) γ = 5 (c) γ = 20 ... 59 Gambar 4. 15 Profil jalan dengan input sinusoidal pada kecepatan
(a) 20 km/jam, (b) 40 km/jam, dan (c) 60 km/jam ... 60 Gambar 4. 16 Diagram blok gaya redam pada sistem suspensi
hidrolis... 61 Gambar 4. 17 Diagram blok gaya redam pada sistem suspensi
dengan variable orifice pada shock absorber... 62 Gambar 4. 18 Input bump modified yang digunakan pada simulasi setengah kendaraan sepeda motor ... 62 Gambar 4. 19 Blok diagram sistem setengah kendaraan sepeda
motor dengan pemasangan sistem suspensi konvensional atau sistem suspensi variable orifice shock absorber dengan input bump modified ... 63 Gambar 4. 20 Blok diagram sistem setengah kendaraan sepeda
motor dengan pemasangan sistem suspensi konvensional atau sistem suspensi variable orifice shock absorber dengan input sinusoidal ... 64 Gambar 5. 1 Grafik respon gaya redam terhadap (a) displacement
(b) velocity pada sistem suspensi konvensional .. 66 Gambar 5. 2 Grafik gaya redam terhadap (a) displacement (b)
velocity pada sistem suspensi dengan variable orifice ... 69 Gambar 5. 3 Grafik respon (a) displacement (b) velocity (c)
acceleration terhadap waktu pada sistem setengah kendaraan dengan input sinusoidal (V=20 km/jam) ... 70 Gambar 5. 4 Grafik respon (a) displacement (b) velocity (c)
acceleration terhadap waktu pada sistem setengah kendaraan dengan input sinusoidal (V=40 km/jam) ... 72
Gambar 5. 5 Grafik respon (a) displacement (b) velocity (c)
acceleration terhadap waktu pada sistem setengah kendaraan dengan input sinusoidal (V=60 km/jam) ... 74 Gambar 5. 6 Grafik respon (a) displacement (b) velocity (c)
acceleration terhadap waktu pada sistem setengah kendaraan dengan input sinusoidal (V=80 km/jam) ... 76 Gambar 5. 7 Grafik respon (a) displacement (b)velocity (c)
acceleration terhadap waktu pada sistem setengah kendaraan sepeda motor dengan input bump ((γ = 1)) ... 78 Gambar 5. 8 Grafik respon (a) displacement (b)velocity (c)
acceleration terhadap waktu pada sistem setengah kendaraan sepeda motor dengan input bump ((γ = 3)) ... 80 Gambar 5. 9 Perbandingan percepatan RMS dari respon
penumpang kendaraan yang menggunakan sistem suspensi konvensional dan variable orifice ... 83 Gambar 5. 10 Grafik ketahanan pengemudi berdasarkan ISO 2631 ... 83 Gambar 5. 11 Grafik perbandingan dispaclement transmibility
antara penggunaan sistem suspensi konvensional dan sistem suspensi dengan variable orifice ... 86
xv
Tabel 2. 1 Nilai gaya redam yang dihasilkan pada sistem hidrolik dengan dan tanpa sudut ... 13 Tabel 2. 2 Nilai gaya redam maksimum untuk massa jenis minyak (ρ=860 kg/m3) dan diameter piston (Dp = 3 cm) pada masing-masing diameter orifice (Do = 1-3 mm) ... 16 Tabel 2. 3Reaksi kenyamanan terhadap percepatan – ISO 2631
... 23 Tabel 4. 1 Parameter shock absorber konvensional ... 38 Tabel 4. 2 Parameter sepeda motor Yamaha Jupiter 2008 ... 61 Tabel 5. 1 Parameter dan variasi sistem suspensi konvensional 66 Tabel 5. 2 Data gaya redam sistem suspensi konvensional ... 67 Tabel 5. 3 Data parameter dan gaya redam sistem suspensi
variable orifice ... 68 Tabel 5. 4 Nilai respon dinamis dari sistem setengah kendaraan
sistem suspensi konvensional dan sistem suspensi dengan variable orifice dengan input sinusoidal (V=20 km/jam) ... 71 Tabel 5. 5 Nilai respon dinamis dari sistem setengah kendaraan
sistem suspensi konvensional dan sistem suspensi dengan variable orifice dengan input sinusoidal (V=40 km/jam) ... 72 Tabel 5. 6 Nilai respon dinamis dari sistem setengah kendaraan
sistem suspensi konvensional dan sistem suspensi dengan variable orifice dengan input sinusoidal (V=60 km/jam) ... 74 Tabel 5. 7 Nilai respon dinamis dari sistem setengah kendaraan
sistem suspensi konvensional dan sistem suspensi dengan variable orifice dengan input sinusoidal (V=80 km/jam) ... 76 Tabel 5. 8 Nilai displacement, velocity dan acceleration
maksimum pada setengah kendaraan sepeda motor terhadap waktu dengan input bump modified (γ = 1)79
Tabel 5. 9 Nilai perpindahan, kecepatan, dan percepatan maksimum pada setengah kendaraan sepeda motor terhadap waktu dengan input bump modified (γ = 5) modified (γ = 5) ... 81 Tabel 5. 10 Nilai percepatan RMS dari sistem suspensi
konvensional dan sistem suspensi dengan variable orifice
... 81
Tabel 5. 11 Perbandingan nilai ketahanan pengemudi saatberkendara dengan kendaraan yang menggunakan sistem suspensi konvensional dan sistem suspensi dengan variable orifice ... 85 Tabel 5. 12 Nilai perpindahan RMS dari sistem suspensi
konvensional dan sistem suspensi dengan variable orifice ... 86
1
1.1 Latar Belakang
Mobilitas manusia pada era globalisasi saat ini sangatlah tinggi, sehingga dibutuhkan banyaknya sarana transportasi baik darat, air, maupun udara. Sampai saat ini sarana transportasi darat merupakan yang paling populer dan banyak jenisnya. Diantara berbagai jenis alat transportasi darat yang ada, salah satu yang paling banyak digunakan oleh masyarakat Indonesia adalah sepeda motor. Banyaknya penggunaan sepeda motor sebagai alat transportasi dikarenakan kepadatan jalan yang tinggi, sehingga sepeda motor dirasa lebih praktis. Dengan meningkatnya pengguna sepeda motor, maka para produsen berlomba lomba untuk memberikan inovasi pada produk tersebut, baik berupa efisiensi kendaraan maupun kenyamanan. Dan faktor penunjang kenyamanan yang utama pada sepeda motor adalah sistem suspensinya
Sistem suspensi adalah salah satu komponen yang penting dalam sepeda motor, karena sistem suspensi menjamin keamanan dan kenyamanan bagi pengendara. Sistem suspensi sering menimbulkan permasalahan berupa getaran berlebih, yang apabila melebihi batas akan menyebabkan kegagalan mesin dan permasalahan kenyamanan pada pengendara. Sistem suspensi pada motor dapat dimodelkan dengan model setengah kendaraan, karena hal ini sudah mewakili keseluruhan sistem yang ada pada sepeda motor.
Sistem suspensi yang biasa digunakan pada sepeda motor adalah hydrolic shock absorber. Pada sistem suspensi hydrolic ini menggunakan minyak sebagai fluida kerja pada silinder hidrolik. Parameter-parameter yang ada pada sistem suspensi ini seperti dimensi shock absorber, tekanan dan volume fluida akan mempengaruhi karakteristik redaman dari sistem tersebut, serta dapat mempengaruhi respon dinamis dari sepeda motor saat sistem suspensi tersebut dipasangkan pada kendaraan. Untuk
memperoleh hasil yang terbaik maka dibutuhkan inovasi – inovasi baru dari segi desain konstruksi, dimensi , maupun fluida pengisi tabung suspensi sehingga memiliki performa terbaik. Oleh karena itu, dilakukan analisa untuk mengetahui respon dinamis dan karakteristik dari sistem suspensi yang ada pada sepeda motor.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut,
1. Bagaimana pengaruh parameter geometri dan posisi dari
variable orifice terhadap gaya redam yang dihasilkan oleh shock absorber pada sepeda motor Yamaha Jupiter Z 2008.
2. Bagaimana respon dinamis dari penumpang dan kendaraan terhadap perubahan geometri dan posisi dari
variable orifice.
3. Bagaimana perbandingan gaya redam yang dihasilkan oleh shock absorber pada sepeda motor Yamaha Jupiter 2008 sebelum dan sesudah menggunakan variable orifice.
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut, 1. Mengetahui pengaruh parameter geometri dan posisi dari
variable orifice terhadap gaya redam yang dihasilkan oleh shock absorber pada sepeda motor Yamaha Jupiter Z 2008.
2. Untuk mengetahui respon dinamis dari penumpang dan kendaraan terhadap perubahan geometri dan posisi dari
variable orifice.
3. Mengetahui perbandingan gaya redam yang dihasilkan oleh shock absorber pada sepeda motor Yamaha Jupiter 2008 sebelum dan sesudah menggunakan variable orifice.
3
1.4 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut,
1. Untuk simulasi, hanya menggunakan setengah kendaraan (half car), dan kendaraan yang digunakan adalah sepeda motor.
2. Kendaraan yang dimodelkan adalah Yamaha Jupiter Z 2008.
3. Profil jalan dimodelkan sebagai input sinusoidal
4. Parameter yang digunakan dalam simulasi didapat berdasarkan jurnal.
5. Fluida kerja minyak pada silinder hidrolik diasumsikan
incompressible flow.
6. Panjang stroke maksimal adalah dari titik atas upper orifice sampai titik bawah lower orifice.
7. Metode yang digunakan untuk simulink adalah state variable.
1.5 Manfaat
Adapun manfaat dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut, 1. Memberikan informasi pengaruh parameter dimensi dan
posisi dari variable orifice terhadap gaya redam yang dihasilkan oleh shock absorber pada sepeda motor Yamaha Jupiter Z 2008.
2. Memberikan informasi mengenai respon dinamis dari penumpang dan kendaraan terhadap perubahan geometri dan posisi dari variable orifice.
3. Memberikan informasi mengenai perbandingan gaya redam yang dihasilkan oleh shock absorber pada sepeda motor Yamaha Jupiter 2008 sebelum dan sesudah menggunakan variable orifice.
5
2.1. Konstruksi Motor
Gambar 2. 1 Konstruksi sepeda motor
Motor adalah alat transportasi darat yang digerakkan oleh mesin, dan memiliki dua roda yang berada pada posisi sebaris lurus. Motor biasanya menggunakan bahan bakar berupa premium, pertamax, ataupun pertalite. Mesin motor merubah bahan bakar dan udara, dari energi kimia menjadi energi mekanik untuk kemudian ditransmisikan ke komponen-komponen lain pada motor sehingga motor dapat berjalan. Sebagai suatu sistem penggerak, motor memiliki beberapa komponen penyusun utama. Semua komponen tersebut bekerja sama menyusun suatu sistem utuh yang menyokong suatu kendaraan. Komponen utama penyusun motor adalah sebagai berikut :
1.Unit Daya (Mesin)
2.Sistem Pemindah Daya (Drivetrain) 3.Sistem Suspensi
4.Support dan Penyangga (Body) 5.Sistem Kelistrikan
2.1.1 Sistem Suspensi Motor
Sistem suspensi adalah kumpulan komponen tertentu yang berfungsi meredam kejutan, getaran yang terjadi pada kendaraan akibat permukaan jalan yang tidak rata yang dapat meningkatkan kenyamanan berkendara dan pengendalian kendaraan[6]. Sistem suspensi kendaraan terletak di antara bodi (kerangka) dengan roda.
Pada sepeda motor, tipe suspensi yang digunakan untuk roda depan dan belakang biasanya berbeda. Hal ini dikarenakan besarnya gaya impact dan beban yang diterima oleh bagian depan berbeda dengan yang diterima oleh bagian belakang kendaraan. Beberapa jenis suspensi yang biasa digunakan untuk sepeda bermotor adalah sebagai berikut.
A. Suspensi Depan (Front Suspension)
Sistem suspensi bagian depan sepeda motor umunya terbagi menjadi 3, yaitu :
a. Garpu batang bawah (bottom link fork)
Jenis ini biasanya dipasang pada sepeda motor bebek model lama, vespa atau scooter.
b. Garpu teleskopik (telescopic fork)
Jenis ini merupakan jenis suspensi yang paling banyak digunakan pada sepeda motor. Suspensi teleskopik terdiri dari dua garpu (fork) yang dijepitkan pada steering yoke.
c. Up side down
Jenis suspensi ini banyak diterapkan pada sepeda motor kapsitas besar, seperti Yamaha R1 dan R6, Suzuki GSX 600, dll. Tipe ini pada dasarnya hampir sama dengan tipe garpu teleskopik, hanya saja jika pada tipe garpu teleskoik tabung fluida redam terletak di bawah, maka pada tipe ini justru sebaliknya, tabung fluida redam terletak di atas.
B. Suspensi Belakang (Rear Suspension)
Gambar 2. 2 Konstruksi suspensi plunger unit pada suspensi bagian
belakang motor.
Generasi awal suspensi belakang pada sepeda motor adalah jenis plunger unit. Tipe ini tidak mampu mengontrol dengan nyaman roda belakang. Tidak seperti suspensi depan, suspensi belakang tidak mempunyai sistem steering (kemudi). Sistem ini hanya menopang roda belakang dan menahan goncangan akibat permukaan kondisi jalan.
Tipe suspensi belakang saat ini yang banyak digunakan adalah:
a. Tipe Swing Arm b. Tipe Unit Swing
Konstruksi suspensi tipe swing arm adalah dua buah lengan yang digantung pada rangka dan ujung yanga lain dari suspensi tersebut menopang roda belakan, seperti ditunjukkan pada gambar 2.2 di atas.
Getaran pada sepeda motor yang disebabkan oleh permukaan jalan yang tidak rata perlu diredam untuk mengurangi kejutan-kejutan akibat gerak pegas. Komponen yang berfungsi sebagai peredam kejut tersebut adalah sok breker. Oleh sok breker gerak ayun naik turun badan sepeda motor diperlambat sehingga menjadi lembut dan tidak mengejut. Itulah sebabnya sok breker disebut juga sebagai peredam kejut.
Gambar 2. 3 Konstruksi suspensi swing arm yang dipasang pada bagian belakang sepeda motor
Kontruksi tipe unit swing arm adalah bagian itu sendiri yang bereaksi seperti lengan yang berayun. Jadi bagian tersebut yang berayun. Umumnya suspensi tipe unit swing dipakai pada sepeda motor yang mempunyai penggerak akhirnya (final drive) memakai sistem poros penggerak.
2.1.2 Sistem Peredam Hidrolik
Jika sistem suspensi hanya dilengkapi dengan sebuah pegas saja, maka setiap kendaraan yang menghantam bump akan mengalami pantulan yang naik turun selama beberapa kali pada frekuensi natural pegasnya. Ketika tertekan oleh sebuah bump, sebuah sistem suspensi membutuhkan komponen untuk mendisipasi energi yang tersimpan pada pegas. Shock absorber atau peredam kejut adalah alat yang digunakan untuk mendisipasi energi tersebut.
Sistem suspensi hidrolik (hydraulic suspension) adalah sistem yang banyak digunakan saat ini, karena sistem ini memiliki banyak kelebihan dibanding sistem suspensi konvensional. Sistem ini memanfaatkan fluida kerja untuk membantu mengurangi redaman. Sistem suspensi bekerja dalam dua siklus yaitu siklus kompresi dan siklus ekspansi.
a. Siklus Kompresi
Saat shock absorber ditekan karena gaya osilasi dari pegas suspensi, maka gerakan shock absorber memendek. Siklus kompresi terjadi ketika piston bergerak ke bawah, menekan fluida hidrolik di dalam ruang bawah piston. Minyak shock absorber yang berada di bawah piston akan naik ke ruang atas piston melalui lubang yang ada pada piston. Sementara lubang kecil (orifice) pada piston tertutup karena katup menutup saluran orifice tersebut. Penutupan katup ini disebabkan karena peletakan katup yang berupa membran (plat tipis) dipasangkan di bawah piston, sehingga ketika minyak shock absorber berusaha naik ke atas maka katup membran ini akan terdorong oleh shock absorber dan akibatnya menutup saluran orifice. Jadi minyak shock absorber akan menuju ke atas melalui lubang yang besar pada piston, sementara minyak tidak bisa keluar melalui saluran orifice pada piston. Pada saat ini shock absorber tidak melakukan peredaman terhadap gaya osilasi dari pegas suspensi karena minyak dapat naik ke ruang di atas piston dengan sangat mudah.
Gaya redam pada sistem peredam hidrolik saat siklus kompresi dapat dirumuskan dengan hubungan silinder hidrolik dengan pipa menggunakan persamaan konservasi massa sebagai berikut:
((
) ) (2.1)
dimana:
ρ : massa jenis fluida (kg/m3) A2 : luas area kompresi (m2)
Atube : luas silinder (m 2
)
Gambar 2. 5 Siklus kompresi pada shock absorber
b. Siklus Ekspansi
Pada saat ekspansi, piston di dalam tabung akan bergerak dari bawah naik ke atas. Gerakan naik piston ini membuat minyak shock absorber yang sudah berada di atas menjadi tertekan. Minyak shock absorber ini akan mencari jalan keluar agar tidak tertekan oleh piston, maka minyak ini akan mendorong katup pada saluran orifice untuk membuka dan minyak akan keluar atau turun ke bawah melalui saluran orifice. Pada saat ini katup pada lubang besar di piston akan tertutup karena katup ini terletak di atas piston. Minyak shock absorber ini akan menekan katup lubang besar, piston ke bawah dan mengakibatkan katup tertutup. Pada saat itu, minyak shock absorber hanya dapat turun melalui saluran orifice kecil, karena saluran kecil maka minyak shock absorber tidak akan bisa cepat turun ke bawah atau terhambat. Di saat itulah shock absorber melakukan peredaman terhadap gaya osilasi pegas suspensi.
Gaya redam pada sistem peredam hidrolik saat siklus kompresi dapat dirumuskan dengan hubungan silinder hidrolik dengan pipa menggunakan persamaan konservasi massa sebagai berikut:
((
) ) (2.1)
dimana:
ρ : massa jenis fluida (kg/m3) A1 : luas area ekspansi (m2)
Atube : luas silinder (m2)
Gambar 2. 6 Siklus ekspansi pada shock absorber
Pada tahun 2014 penelitian mengenai twin tube shock absorber telah dilakukan oleh Avinash B, Shyam Sundar S, dan K V Gangadharan dengan judul Experimental Study of Damping Characteristic of Air, Silicon Oil, Magneto Reologichal Fluid on Twin Tube Damper. Penelitian ini menguji karakteristik damping dari magneto reologichal pada twin tube shock absorber terhadap variasi fluida kerja yang digunakan.
Gambar 2. 7 Desain dari twin tube shock absorber yang diuji
Fluida kerja yang digunakan silicon oil, udara, dan MR fluid serta frekuensi yang diberikan bervariasi antara 1 Hz sampai dengan 1.5 Hz. Masing – masing fluida kerja tersebut kemudian diuji dengan menggunakan alat untuk memperoleh karakteristik dampingnya.
Gambar 2. 8 Energi disipasi terhadap frekuensi
Dari percobaan yang dilakukan, terlihat bahwa MR fluid
memiliki karakteristik damping terbesar dibandingkan silicon oil
dan udara. Selain itu, MR fluid dapat meningkatkan damping rate saat berada di bawah pengaruh medan magnet. Dimana damper yang digunakan adalah magneto reologichal twin tube shock absorber, sehingga MR fluid dapat bekerja dengan baik.
Pada tahun 2015, Tri Ayu Rachmawati mahasiswa Lintas Jalur Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya melakukan penelitian berjudul Pemodelan Respon Dinamis Sistem HMERSA (Hydro-Magneto Electro Regenerative Shock Absorber) Pada Sistem Suspensi Truk dengan Posisi Tegak dan Bersudut. Parameter yang digunakan yaitu diameter silinder 5 cm, diameter batang piston 3 cm, dan diameter pipa 2 mm dengan variasi frekuensi 1 Hz hingga 1.7 Hz dengan kenaikan 0.2 Hz.
(a) (b)
Gambar 2. 9 Grafik perbandingan gaya redam terhadap (a) kecepatan dan (b) percepatan pada sistem hidrolik dengan posisi suspensi tegak
(a) (b)
Gambar 2. 10 . Grafik perbandingan gaya redam terhadap (a) kecepatan dan (b) percepatan pada sistem hidrolik dengan posisi suspensi miring Tabel 2. 1 Nilai gaya redam yang dihasilkan pada sistem hidrolik dengan dan tanpa sudut
Suspensi Kondisi 1 Hz 1.3 Hz 1.5 Hz 1.7 Hz Depan (dengan sudut) Ekspansi 1860 2742 3458 4279 Kompresi 5414 8678 1133e+004 1436e+004
Belakang (tegak)
Ekspansi 2024 3018 3826 4752 Kompresi 6035 9725 1272e+004 1616e+004 Dari tabel 2.1. dapat dilihat nilai gaya redam yang dihasilkan. Jika dibandingkan, misalnya pada frekuensi 1.7 Hz sistem hidrolik dengan sudut menghasilkan gaya redam yaitu 4279 N pada saat ekspansi. Sedangkan gaya redam yang dihasilkan oleh sistem hidrolik tanpa sudut adalah 4752 N. Terjadi perbedaan nilai gaya redam pada ekspansi dan kompresi karena pengaruh dari luasan diameter silinder hidrolik dan piston hidrolik. Nilai gaya redam yang paling besar pada suspensi dengan dan tanpa sudut terjadi pada saat frekuensi paling besar yaitu 1.7 Hz. Dapat disimpulkan bahwa dengan adanya sudut, gaya redam yang dihasilkan oleh sistem hidrolik lebih kecil.
Pada tahun 2016 dilakukan penelitian kembali mengenai suspensi hydro-pneumatic oleh Istina Rahmawati dan telah dimuat dengan judul “Permodelan dan Analisis Pengaruh Perubahan Parameter Sistem Suspensi Hydro-Pneumatic terhadap Gaya Redam dan Gaya Pegas Serta Respon Dinamis Mobil”. Melalui model matematis dan permodelan pada software Matlab, penelitian ini menjelaskan dan membahas karakteristik dari sistem suspensi hydro-pneumatic shock absorber pada mobil dengan perubahan parameter. Input yang digunakan pada tugas akhir ini adalah input sinusoidal dan bump modified[5].
Dari sistem suspensi hydro-pneumatic didapatkan hasil bahwa semakin kecil diameter orifice(D0) maka gaya redam yang dihasilkan semakin besar. Semakin besar tekanan awal gas (p0),
maka gaya pegas yang dihasilkan semakin besar. Semakin besar volume awal gas (V0) yang digunakan, maka gaya pegas yang dihasilkan semakin kecil. Pada sistem seperempat kendaraan mobil dengan penggunaan sistem suspensi hydro-pneumatic
untuk input bump modified dengan variasi jenis gas dan tekanan awal gas, respon kendaraan dan penumpang berturut-turut mencapai kondisi steady state kurang dari 2 detik dan 1,5 detik. Sedangkan untuk input sinusoidal dengan variasi jenis gas dan tekanan awal gas, respon kendaraan dan penumpang mencapai kondisi steady state kurang dari 3 detik. Dari kedua jenis variasi jenis gas dan tekanan awal gas yang digunakan pada simulasi, hasil dari nilai RMS untuk percepatan getaran penumpang adalah tidak ada keluhan (nyaman) apabila dibandingkan dengan standar ISO 2631 dan mencapai ketahanan lebih dari 24 jam. Untuk gaya tekan ban (road holding) untuk variasi jenis gas maupun tekanan gas bernilai positif, sehingga ban dalam posisi aman, yaitu masih menapaki jalan.
(a) (b)
Dp = 3 x 10-2 m , Do = 2 x 10-3 m Dp = 3 x 10-2 m , Do = 2 x 10-3 m
(c) (d)
Dp = 3 x 10-2 m , Do = 3 x 10-3 m Dp = 3 x 10-2 m , Do = 3 x 10-3 m
(e) (f)
Gambar 2. 11 Grafik respon perpindahan dan kecepatan terhadap gaya redam pada massa jenis minyak (ρ=860 kg/m3), diameter piston (Dp = 3
cm) dan diameter orifice (Do = 1-3 mm) dengan variasi frekuensi
-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2x 10 5 Displacement (m) D a m p in g F o rc e ( N ) 0,5 Hz 1 Hz 1,5 Hz 2 Hz -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2x 10 5 Velocity (m/s) D a m p in g F o rc e ( N ) 0,5 Hz 1 Hz 1,5 Hz 2 Hz -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5x 10 4 Displacement (m) D a m p in g F o rc e ( N ) 0,5 Hz 1 Hz 1,5 Hz 2 Hz -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5x 10 4 Velocity (m/s) D a m p in g F o rc e ( N ) 0,5 Hz 1 Hz 1,5 Hz 2 Hz -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 Displacement (m) D a m p in g F o rc e ( N ) 0,5 Hz 1 Hz 1,5 Hz 2 Hz -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 Velocity (m/s) D a m p in g F o rc e ( N ) 0,5 Hz 1 Hz 1,5 Hz 2 Hz
Tabel 2. 2 Nilai gaya redam maksimum untuk massa jenis minyak (ρ=860 kg/m3) dan diameter piston (Dp = 3 cm) pada
masing-masing diameter orifice (Do = 1-3 mm)
Diameter Orifice (Do) Gaya Redam 0,5 Hz 1 Hz 1,5 Hz 2 Hz 1 mm 10799 N 43198 N 97195 N 177880 N 2 mm 674,9667 N 2699,9 N 6074,7 N 11117 N 3 mm 133,3258 N 533,3032 N 1199,9 N 2196 N
Gambar 2. 12 Grafik pengaruh variasi frekuensi terhadap gaya redam maksimum yang dihasilkan dari sistem suspensi hydro-pneumatic dengan massa jenis minyak (ρ=860 kg/m3) dan diameter piston (Dp = 3 cm) pada masing-masing diameter orifice (Do = 1-3 mm)
Pada tahun 2016 dilakukan penelitian oleh I.V. Ryabova, V.V. Novikova, dan A.V. Pozdeev dengan judul Efficiency of Shock Absorber in Vehicle Suspension. Penelitian ini membahas keberadaan dua daerah yang dianggap tidak efisien pada siklus osilasi dalam suatu shock absorber pada suspensi kendaraan. Penelitian ini berdasarkan analisis persamaan dinamis untuk suatu sistem yang disebut linear single-support single-mass vibrating system with fixed elastic and damping characteristics at harmonic kinematic disturbance. -20000 30000 80000 130000 180000 0,5 1 1,5 2 M ax. Fo rc e ( N ) Frequency (Hz)
Silinder Hidrolik ρ = 860 kg/m3 dan Dp = 3 mm
Do = 3 mm Do = 2 mm Do = 1 mm
Gambar 2. 13 Gambar siklus osilasi suatu shock absorber saat terjadi tension dan compression
Pada gambar 2.13 menunjukkan suatu shock absorber yang mengalami suatu siklus osilasi, dimana terlihat bahwa shock absorber tersebut berada pada kondisi tension dan compression. Daerah yang diarsir merupakan daerah yang dianggap tidak efisien saat terjadi siklus osilasi. Berdasarkan penurunan rumus dan simulasi yang telah dilakukan, didapatkan hasil sebagai berikut.
Gambar 2. 14 Hasil percobaan dalam bentuk tabel
Dari hasil yang didapatkan diketahui bahwa secara linier, kuadratic maupun kubik memiliki hasil yang relatif sama untuk nilai relative damping factor yang sama. Hal ini menunjukkan bahwa keberadaan area yang tidak efisien saat terjadi siklus osilasi pada shock absorber tersebut adalah benar adanya.
2.2 Teori Getaran Base Excitation
Akibat adanya eksitasi input y(t), memungkinkan suatu sistem pegas-massa-peredam mengalami gerak harmonik seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.12(a). Eksitasi input y(t) menyatakan perpindahan dari base, dan x(t) menyatakan perpindahan massa dari posisi kesetimbangan statis pada aktu t. Sehingga perpanjangan dari pegas adalah ( -y) dan kecepatan relatif antara kedua ujung damper adalah ( -y ). Dari free body diagram yang ditunjukkan pada gambar 2.11(b), didapatkan persamaan gerak:
( ) ( ̇ ̇) ̈ (2.3)
( ) ( ) (2.4)
Gambar 2. 15 Base excitation (a) Sistem fisik base excitation (b) Free body diagram untuk sistem base excitation
2.3 Permodelan Dinamis Setengah Kendaraan Untuk Sepeda
Motor
Dalam perancangan kendaraan, dalam kasus ini sepeda motor model setengah kendaraan (salah satu dari dua roda) digunakan untuk menyederhanakan masalah dengan sistem pegas-peredam.
M1 K1 C1 X1 M2 K2 C2 X2 W
Gambar 2. 16 Gambar Permodelan ½ kendaraan untuk sepeda motor.
Persamaan gerak dari gambar adalah :
̈ ( ̇ ̇ ) ( ) (2.5)
̈ ( ̇ ̇ ) ( ) ( ̇ ̇ ) ( )(2.6) Kemudian dari persamaan tersebut, diubah menjadi bentuk
state variableequation:
̇ ̇ ̇
̇ [ ( ) ( )] (2.7)
̇ [ ( ) ( ) ( ) ( )] (2.8)
2.4 Transmibilitas Perpindahan (Displacement Transmibility)
Rasio dari amplitudo respon Xp(t) terhadap base motion
y(t), yaitu X/Y, disebut dengan displacement transmissibility.
Displacement transmissibility adalah seberapa besar respon gerakan yang ditransmisikan dari input jalan ke massa kendaraan dengan variasi frekuensi saat berkendara[2]. Grafik transmisibilitas perpindahan dapat dilihat pada gambar 2.14. di bawah ini.
Gambar 2. 17 Grafik Variasi Td dan ɸ terhadap r
Berikut ini merupakan karakteristik yang didapat dari gambar 2.14.a, yaitu:
1. Td = 1 saat r = 0 dan mendekati 1 untuk nilai r yang
sangat kecil
2. Untuk sistem yang tak teredam (ζ = 0), Td menuju tak
hingga saat r = 1 (resonansi)
3. Nilai Td < 1 ketika r = √ , untuk semua nilai ζ
4. Nilai Td = 1 ketika r = √ , untuk semua nilai ζ
5. Untuk r < √ , semakin kecil nilai ζ maka akan semakin besar Td-nya. Sebaliknya, untuk r > √ ,
semakin kecil nilai ζ maka akan semakin kecil Td-nya
6. Nilai dari Td mencapai maksimum untuk 0 < ζ < 1
pada saat r = rm < 1. Perumusan rm dapat ditulis
sebagai berikut:
[√ ] (2.9)
2.5 Transmibilitas Gaya (Force Transmibility)
Rasio dari FT/kY diketahui sebagai force transmissibility
dengan catatan gaya yang ditransmisikan berada pada fase yang sama dengan gerakan dari massa x(t). Variasi dari gaya yang ditransmisikan ke permukaan jalan (base) dengan rasio frekuensi r dapat dilihat pada gambar 2.15. untuk nilai damping ratio (ζ ) yang berbeda.
Gambar 2. 18 Grafik Force Transmibility
Gaya, F, ditransmisikan ke permukaan jalan atau tumpuan bergantung pada reaksi dari pegas (spring) dan dashpot. Gaya tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut:
( ) ( ̇ ̇) ̈ (2.10)
( ) ( ) (2.11) Dimana FT adalah amplitudo atau nilai maksimum dari gaya yang ditransmisikan ke permukaan jalan, dirumuskan sebagai berikut: * ( ) ( ) ( ) + ⁄ (2.12)
2.6 Pengaruh Percepatan Kendaraan terhadap Kenyamanan
Pengendara
Gerakan utama yang dialami pengemudi selama mengemudi adalah berupa percepatan, perlambatan dan getaran. Unit dasar yang digunakan sebagai ukuran dari percepatan yang dialami manusia adalah berbasis pada gaya gravitasi yang diringkas G. Seseorang yang jatuh bebas dimana percepatan jatuhnya adalah 9,81 m/s2 dikatakan mengalami percepatan sebesar 1 G. Toleransi manusia terhadap percepatan ditunjukan pada gambar 2.18. Gambar tersebut menunjukan level percepatan rata-rata untuk bermacam arah gerakan yang mampu ditahan oleh tubuh manusia.
Informasi ketahanan badan manusia terhadap percepatan merupakan hal yang sangat penting sebagai referensi dalam perancangan ketahanan bodi kendaraan terhadap impact. Jika pada saat kendaraan mengalami impact dimana pengemudi atau penumpang mendapat percepatan atau perlambatan melebihi yang mampu didukung oleh badan, maka akan dapat membahayakan pengemudi dan penumpang kendaraan tersebut.
Gambar 2. 19 Ketahanan badan manusia terhadap percepatan linier yang dapat diterima
Untuk kriteria kenyamanan berdasarkan besar percepatan menurut standart ISO 2631, ditampilkan pada tabel berikut:
Tabel 2. 3Reaksi kenyamanan terhadap percepatan – ISO 2631
No. Getaran Keterangan
1. a < 0.315 m/s2 Tidak ada keluhan 2. 0.315 m/s2< a < 0.63 m/s2 Sedikit tidak nyaman 3. 0.5 m/s2< a < 0.1 m/s2 Agak tidak nyaman 4. 0.8 m/s2< a < 1.6 m/s2 Tidak nyaman 5. 1.25 m/s2< a < 2.5 m/s2 Sangat tidak nyaman 6. a > 2 m/s2 Amat sangat tidak nyaman
Selain berdasarkan kenyamanan, acuan baik tidaknya suspensi kendaraan juga dilihat berdasarkan kenyamanan. Ditinjau dari segi keamanan, suspensi dikatakan relatif aman jika roda dan permukaan jalan melekat dengan baik atau diusahakan defleksi pada roda seminimal mungkin. Defleksi maksimum dari suspensi depan sebesar 10 cm, sedangkan untuk suspensi belakang maksimum sebesar 12 cm.
25
3.1 Metodologi Penelitian
Penelitian tugas akhir ini dilakukan untuk mengetahui dan menganalisa respon berupa perpindahan dan kecepatan pada desain shock absorber yang dimodifikasi parameternya. Dalam proses analisis dilakukan beberapa langkah yang ditunjukkan dengan diagram alir pada gambar 3.1 di bawah ini
Mulai
Studi lliteratur
Data gaya redaman yang dibutuhkan motor
Hasil sesuai kebutuhan
Permodelan dinamis sistem setengah kendaraan untuk Yamaha Jupiter Z 2008 dengan shock absorber sebelum modifikasi dan
variable orifice pada shock absorber A
Permodelan dinamis shock absorber sebelum modifikasi
Permodelan dinamis shock absorber dengan variable orifice Pembuatan blok diagram pada
Simulink Matlab untuk shock absorber sebelum modifikasi
Pembuatan blok diagram pada Simulink Matlab untuk shock absorber
dengan variable orifice Simulasi gaya redam untuk shock
absorber sebelum modifikasi
Simulasi gaya redam untuk shock absorber dengan variable orifice
Hasil simulasi dibandingkan dan dianalisis
Ya
Pembuatan diagram, blok sistem setengah kendaraan untuk Yamaha Jupiter Z 2008 dengan shock absorber sebelum
modifikasi dan variable orifice pada shock absorber
Input Sinusoidal Input bump
modified
Simulasi dan analisis grafik dari sistem setengah kendaraan untuk Yamaha Jupiter Z 2008 dengan shock absorber sebelum
modifikasi dan variable orifice pada shock absorber Grafik dan karakteristik dinamis pada sistem
suspensi hydrolis dan sistem setengah kendaraan untuk Yamaha Jupiter Z 2008 dengan shock absorber sebelum modifikasi dan
variable orifice pada shock absorber
Kesimpulan dan saran
Selesai A
Gambar 3. 1 Diagram alir penyelesaian tugas akhir
Metodologi penyelesaian tugas akhir ini secara umum dapat dilihat pada gambar 3.1, dimulai dari tahapan studi literatur. Pada tahapan ini kita mempelajari dan mencari informasi mengenai prinsip kerja dan re-design shock absorber. Kemudian kita mencari data-data mengenai gaya redam yang dibutuhkan oleh kendaraan. Langkah berikutnya adalah membuat permodelan dinamis untuk shock absorber yang belum dimodifikasi. Setelah dilakukan permodelan dinamis, berikutnya adalah membuat blok diagram pada Simulink Matlab untuk shock absorber sebelum dimodifikasi. Blok diagram yang sudah dibuat disimulasikan untuk memperoleh grafik karakteristik gaya redam dari shock absorber sebelum modifikasi tersebut. Langkah permodelan sampai simulasi tersebut juga dilakukan pada shock absorber
dengan variable orifice, untuk mendapatkan grafik karakteristik gaya redamnya. Hasil kedua grafik gaya redam tersebut dibandingkan dan dianalisis. Langkah selanjutnya adalah sistem tersebut dipasang pada model setengah kendaraan sepeda motor dengan langkah yang sama seperti sebelumnya. Langkah tersebut adalah dengan membuat model fisik dan matematis untuk sistem tersebut, kemudian kita buat persamaan geraknya dan dilanjutkan dengan membuat blok diagram dengan menggunakan input berupa input sinusoidal dan bump. Dari simulasi yang dilakukan akan didapatkan grafik karakteristik dinamis dari setengah kendaraan dengan variable orifice pada shock absorber. Setelah didapatkan hasil, maka langkah terakhir adalah membuat kesimpulan berdasarkan hasil tersebut dan memberikan saran untuk penelitian selanjutnya.
3.2 Tahap Studi Literatur
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
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 VariableOrifice
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
denganVariableOrifice 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 VariableOrifice
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
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
VariableOrifice
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)
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
