PERANCANGAN ULANG SEPEDA ELEKTRIK
MENGGUNAKAN MBTODB VDI 222I
Agustinus Purna lrawanr, Dedy A. Sirahar' dan Jasson Sugandys
ABSTRAK
Sepeda merupakan salah satu alat transportasi yang cukup murah, mudah dikendarai, tidak menggunakan bahan bakar minyak dan ramah lingkungan. Disamping sebagai alat transportasi, sepeda juga dapat digunakan sebagai sarana olah raga, sehingga banyak digunakan oleh masyarakat dari berbagai kalangan. Sebagai salah satu alat transpoftasi, sepeda dapat dimodifikasi sedemikian rupa sehingga dapat digunakan untuk jarak yang cukup jauh, tanpa menghilangkan sifat riranualnya yaitu digerakkan dengan cara dikayuh. Dua sistem penggerak dapat dipasang pada sepeda, sehingga memiliki dua pilihan. Makalah ini membahas perancangan ulang sepeda manual menjadi sepeda elektrik dengan metode VDI 2221. Pembahasan meliputi metode pemilihan penggerak, komponen, pembuatan prototipe dan pengujian lapangan. Hasil perancangan ulang diperoleh prototipe sepeda elektrik dengan dua sistem penggerak yaitu manual dan elektrik dengan bantuan motor listrik. Hasil pengujian prototipe menunjukkan bahwa sepeda dapat berjalan cukup baik tetapi masih perlu perbaikan dan penyempurnaan lebih lanjut.
Kata kunci : perancangan, sepeda elektrik, metode VDI2221
I. PBNDAHULUAN
Alat transportasi merupakan suatu kebutuhan yang sangat penting bagi semua lapisan masyarakat, terutama yang memiliki mobilitas yang tinggi. Saat ini banyak alat transportasi telah tersedia baik yang menggunakan mesin seperti mobil, sepeda motor, kereta api, pesawat terbang maupun yang manual seperti sepeda, becak dan alat transportasi tradisional.
Sepeda merupakan salah satu alat transportasi yang digunakan untuk jarak yang cukllp dekat. Keuntungan dari alat transportasi tradisional seperti sepeda ini adalah murah, mudah dikendarai, tidak menggunakan bahan bakar minyak, mudah dan murah dalam perawatannya, serta ramah lingkungan. Disamping sebagai alat transportasi, sepeda jugu dapat digunakan sebagai sarana olah raga, sehingga banyak digunakan oleh masyarakat dari berbagai kalangan. Sepeda biasanya digerakkan dengan cara diengkolidikayuh dengan menggunakan kaki. Gerakan kinematik engkol kemudian diteruskan ke roda belakang dengan banhtan rantai dan roda gigi. Mekanisme gerakan ini mampu menjalankan sepeda dengan cukup baik pada jarak dekat dan jalan datar. Untuk jarak yang cukup jauh dengan jalan yang tidak datar, pengendara sepeda tersebut dapat merasakan kelelahan. Diperlukan mekanisme tambahan pada sepeda agar dapat digunakan dengan lebih nyaman dengan jarak tempuh yang cukup jauh, tanpa merasakan kelelahan yang berarti bagi pengendara.
Berdasarkan latar belakang tersebut, maka dilakukan perancangan ulang sepeda manual yang digerakkan dengan cara dikayuh menjadi sepeda elektrik yang digerakkan dengan
' Staff pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara Jakarta 2 Alumni Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Univenitas Tarumanagara Jakarta I Alumni Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Univenitas Tarumanagara Jakarta
bantuan motor listrik tetapi tetap dapat dikayuh. Hasil perancangan ulang kemudian dibuat prototipenya dan dilakukan pengujian apakah hasil prototipe tersebut dapat berfungsi dengan baik. Metode perancangan yang digunakan adalah metode VDI 2221.
TI. METODE PERANCANGAN VDI 222I
Perancangan merupakan proses mengambil keputusan yang dipakai untuk mengembangkan sistem teknik yang melibatkan sifat manusiawi. Merancang berarti menyusun dan mendapatkan hal-hal baru. Merancang dapat yang benar-benar baru atau pengembangan produk yang sudah ada, sehingga mendapatkan peningkatan perforrna.
Secara umum perancangan terbagi dalam tiga jenis yaitu : l) Perancangan Orisinil (Original Design), yaitu perancangan yang melibatkan ketelitian dengan prinsip solusi orisinil untuk sebuah sistem (rencana, pengerjaan atau perakitan) yang sama atau sebuah tugas baru. 2) Perancangan Adaptif (Adaptive Design) yaitu perancangan yang melibatkan penyesuaian pada sistem yang telah ada (merupakan solusi dari prinsip yang sama dari yang pernah ada) untuk merubah tugas. Perancangan ini merupakan bagian dari perancangan orisinil atau sering disebut dengan perakitan saja. 3) Perancangan Varian (Varian Design) yaitu perancangan yang melibatkan kegiatan merubah dimensi atau menyusun aspek yang pasti dari sistem yang telah dipilih, dengan fungsi dan tujuan yang diinginkan dari konsep dasar.
Dalam melakukan proses perancangan, metode yang dapat digunakan cukup bervariasi. Beberapa metode yang dapat digunakan adalah Metode Ibrahim Zeid, Metode French, Metode Pahl & Beitz, Metode Ullman dan Metode Ulrich. Setiap metode perancangan mempunyai kekhasan masing-masing, tetapi secara umum meliputi beberapa fase perancangan yaitu : fase perencanaan, fase perancangan konsep produk, fase perancangan bentuk, fase perancangan detail, fase perancangan manufaktur, fase produksi.
Perancangan dengan menggunakan metode VDI 2221 (Verein Deutcher Ingenieure) merupakan salah satu metode untuk menyelesaikan permasalahan dan mengoptimalkan penggunaan material, teknologi dan keadaan ekonomi. Ide dan pengetahuan merupakan sumber dasar dari perancangan produk guna memenuhi permintaan konsumen dan demi keuntungan semua pihak tentunya. Metode perancangan VDI 2221 menurut Gerhard Pahl dan Wolfgang Beitz (1984) dibagi beberapa tahapan sebagai berikut :
1. Klasifikasi Tugas (Clastficution of the Task)
Tahapan ini merupakan tahap pengumpulan informasi dan menguraikannya ke bentuk sejenis dan bentuk dasar spesifikasi (requirement list), serta megidentifikasikan kendala-kendala yang dihadapi untuk mencapai solusi optimal. Hal yang perhr diperhatikan dalam
membuat daftar spesifikasi adalah membedakan persyaratan apakah keharu san (demand) atau keinginan (wishes). Demand merupakan segala persyaratan yang harus dipenuhi dalam perancangan dan wishes merupakan persyaratan dalam bentuk keinginan, dan dapat dimasukkan melalui pertimbangan-pertimbangan. Untuk membantu memudahkan dalam penyusunan speksifikasi, digunakan suatu daftar periksa (checktist).
2. Perancangan Konsep (Conceptaal Design).
Tahapan ini berisi tentang pembahasan tentang permasalahan abstraksi, membuat struktur fungsi, kemudian melakukan pencarian prinsip pemecahan masalah yang cocok dan kombinasi dari prinsip pemecahan masalah tersebut. Pemecahan masalah dari konsep ini terdiri dari bagian-bagian dasar solusi yang rumit.
E N E R G I N,IATEzuAL SINYAI-E N SINYAI-E R G I MATERIAL FLINGSI KESELURUHAN ENERGI IvIATERIAL SINYAL ENERGI MATERIAL S I N Y A L S I N Y A L
Gambar 1. Skema Stmktur Funssi
3. Perancangan Wujud (Embodiment Design)
Tahapan ini meliputi beberapa langkah perancangan, yaitu : langkah penguraian ke modul (modular stntcture), pembentukan layout awal (Preliminary layout) dan penentuan layottt jadi (definitive layout). Perancangan wujud dimulai dari konsep produk, kemudian perancangan dikembangkan dengan menguraikan struktur fungsi dan ke dalam struktur modul untuk memperoleh elemen pembangun struktur fungsi. Hasil dari tahap ini berupa layout, kemudian dianalisis untuk mendapatkan informasi lebih lanjut tentang kekuatan, getaran, kinematika, pemilihan material, proses produksi dan sebagainya.
4. Perancangan Detail (Detail Design)
Tahapan ini merupakan tahap akhir dalam perancangan. Hasil perancangan detail berupa gambar lengkap, daftar komponen, spesifikasi bahan, toleransi dan lainnya yang
merupakan satu kesatuan dalam pembuatan mesin. Kemudian dilakukan evaluasi kembali terhadap produk, apakan benar-benar sudah memenuhi spesifikasi yang diberikan.
III. PERANCANGAN SEPEDA ELEKTRIK
Metode perancangan sepeda elektrik yang digunakan adalah metode VDI 2221. Secara umum metode tersebut dapat dibuat diagram alir perancangan sebagai berikut :
Gambar 2.Diagram Alir Proses Perancangan
-T--y. t4 = c n V I _L + d a o q) E E .; al E a-) u x dn q u o x d o o r i - 6 O J v q A E a) I I I I Y + = o .go o -t_
Sebagai acuan awal memperhat ikan persyaratan
dalam perancangan ini, apakah keharusan (demand)
ditetapkan spesifikasi arval dengan atau keinginan (tvishel.
Rencana / Abstrak
Kejelasan rencana Penentuan soesifikasi
I ndentifi kasi problem utama Tentukan struktur kefungsian
Cari dasar-dasar pemecahan Cari alternatif pemecahan Evaluasi terhadap kriteria teknik dan ekonomi
Konsep rancangan
Tata letak awal dalam bentuk Pilih tata letak terbaik Evaluasi terhadap kriteria teknik dan ckonomi
Tata letak awal
O p t i m a s i d a l a m b e n t u k d a n d e s a i n Cek kesalahan
Pet'siapan daftal elemen dan dokumentasi produksi
Tata letak akhir
Perincian akhir Gambar teknik Cek dokumen
Tabel 1. Daftar Spesifikasi Awal
Parameter Spesifkasi Demand (D) / Wish (W)
Geometri Dimensi perancangan D Panjang D Lebar D
Tqeei
D GayaKekakuan yang tinggi D
Titik berat yang tepat D
Mempergunakan motor listrik D Bentuk rancangan hemat material D
Energi Energi beraqal dari Aki D
Energi yang digunakan kecil D
Material
Komponen tidak mudah rusak D
Material mudah didapat D
Material tahan lama D
Ergonomi Bentuk proposional
W
Bentuk tidak kaku
w
Perakitan Mudah untuk dibongkar pasang
w
Biayaproduksi Biaya pembuatan cukup murah
w
Dalam perancangan ini telah ditetapkan bahwa akan dirancang ulang sepeda manual menjadi sepeda elektrik. Oleh karena itu perlu dibuat struktur fungsi yang menyatakan bagaimana alur gerakan dari sepeda elektrik tersebut.
Energi
Sepeda
Sepeda bergerak
Gambar 3. Sub Stmktur Fungsi Motor Sepeda Elekhik
Selanjutnya harus dibuat daftar prinsip solusi sub fungsi untuk menyeleksi komponen yang mungkin digunakan dalam mewujudkan desain sepeda elekstrik. pri'sip solusi sebaiknya sebanyak mungkin. Jika telah diperoleh, prinsip-prinsip solusi tersebnt perlu dianalisis kembali, dimana prinsip solusi yang kurang bermanfaat dapat dihilan-ekan atau diabaikan dengan tujuan agar dalam tahap perancangan konsep selanjutnya tidak terlalu banyak evaluasi yang harus dilakukan.
Tabel 2. Prinsip Solusi Sub Fungsi No Prinsip Solusi Sub Fungsi B c Surnber Daya
A
DC n t2 Volt Tenaga M a n u s i a t l f 2 Penggerak M e k a n i k Motor Listrik AC f ' C & ')r-f-€ Penerus Daya Sabuk ' , i-ffi
4 Tingkat Kecepatan 2 lArah Cerakan Roda
Berputar
c
B o l a k - b a l i k \---alBaj
6 Rangka Alunrunium Stainless Steel
Setelah prinsip solusi sub fungsi telah dibuat, maka perlu dilakukan kombinasi yang mungkin, sehingga terbentuk suatu sistem yang paling menunjang dalam bentuk beberapa varian.
Tabel 3. Kombinasi Prinsip Solusi Sub Fungsi
N o -___-____-prinsiR sorusi Sub Fungsi \-- B C I Sumber Daya
, \ X \
I T
Tenaga M a n u s i a..-_v
2 PcnggcrakI
,l"k-i[-\tr
ffi
\4otor Listrik\ o .
ffi
Penerus Daya S^bvk // '...:,f.' I nanttri utr(
4 Tingkat Kecepatan I - l \ I I + / 2Arah Gerakan Roda
K
/ \ b a l i k /i__-.>.N \ \ 6 Rangka A l u r n u n i u n r
J','\'
\less steel u ' ) ( " ) ( u ,Berdasarkan prinsip-prinsip solusi yang telah dilakukan di atas, dapat diperoleh beberapa kombinasi atau variasi :
1 . V a r i a n I : C l ) A 2 ) 4 3 ) A 4 ) . { 5 ) 86 2 . V a r i a n 2 : A l t 8 2 ) 8 3 ) 8 4 ) 4 5 ) 8 6
A 5 ) 8 6 8 5 ) 8 6 B l ) c 2 ) 8 3 ) A . 1 ) 8 2 ) . { 3 ) 3 . 4 . Varian 3 : Varian 4 :
c 4 )
A 4 )Untuk menentukan varian yang mungkin dilanjutkan dalam proses harus dilakukan seleksi terhadap varian yang ada. Salah satu cara dalam dapat dilakukan dengan menggunakan selection chart seperti pada Tabel 4.
perancangan ini, pemilihan varian
Tabel 4. Pemilihan Varian Solusi
Dari Tabel 4 di atas terlihat bahwa varian yang memenuhi laiteria perancangan adalah varian 2,3 dan 4. Dengan memperhitungkan yang paling mungkin unhrk diwujudkan dalam bentuk prototipe sesuai batasan perancangan, pemilihan komponen yang mudah dan sesuai untuk sepeda, maka dipilih varian 3 yang akan dilanjutkan ke proses berikutnya. Varian 3 terdiri dari sumber daya aki 12 V, penggerak motor DC, fransmisi rantai, 3 (tiga) tingkat kecepatan, gerakan berputar dan rangka terbuat dari baja.
IV. PEMBUATAN PROTOTIPE SEPEDA ELEKTRIK
Setelah varian yang akan dikembangkan dapat diperoleh, kemudian dilakukan perancangan detail. Perancangan detail meliputi perancangan konstruksi, perhihrngan daya pemilihan motor DC, perhifungan dan pemilihan komponen pendukung, perhitungan system
Selection Chart Varian dievaluasi dengan kriteria solusi :
( + ) Y a ( - ) Tidak
( ?) Kekurangan informasi ( ! ) P e r i k s a s p e s i f i k a s i
Keputusan tanda solusi varian (SV) : + ) Meningkatkan solusi
- ) Menghilangkan solusi ? ) Mengumpulkan informasi
! ) Memeriksa spesifikasi untuk perubahan
Sesuai dengan daftar kehendak Secara prinsip dapat diwujudkan
Dalam batasan biaya produksi
Pengetahuan tentang konsep memadai Sesuai dengan keinginan pembuat
Memenuhi syarat keamanan
Tidak sesuai Sesuai dengan keseluruhan
transmisi, sistem sepeda elektrik Gambar 5.
pengereman dan perakitan komponen yang telah dipilih. Gambar rancangan dapat dilihat pada Gambar 4. Prototipe fisik yang dibuat disajikan pada
Gambar 4. Gambar Rancangan Sepeda Elektrik Varian 3
Gambar 5. Gambar Prototipe Fisik Sepeda Elektrik
Keterangan
No. Keterangan No. Keterangan
I Roda depan 8 Sproket besar (motor)
2 Gu.pu depan 9 Sproket kecil (kayuh)
3
Stangikemudi l 0 Sproket kecil (motor)4 Rangka l l Rantai
5 Sadel l 2 Sproket besar (kayuh)
6 Motor listrik l 3 Pedal
Tabel 5. Spesifikasi Teknis Sepeda Elektrik
No. Spesifikasi Besar dan Satuan
I Panjang total 1 7 5 0 m m 2 . Lebar total 5 3 0 m m 3 . Tinggi total 930 mm
4 . Diameter roda 500 mm 5 . Sudut kemudi I 50'
6 . Sistem transmisr Rantai dan sproket, rantai roll, No. 40 rangkaian tunggal, 38 mata rantai
7 . Sistem pengereman Roda belakang rem tromol, roda depan rem blok ganda
8 . Kecepatan maksimum 3 m/s
9 . Beban total 900 N (sepeda dan penumpang)
1 0 . Motor listrik DC
l 1 Daya
600
w
12. Putaran I 15 r/mrn 1 l5 r/min
1 3 . Aki Aki kering, 72V, lZ A, 2 buah rangkaian seri, berat 6 kg
1 4 . Lama pengisian 4-6 iam
1 5 . Lama pemakaian 30 - 60 menit terus menerus
V. PENGUJIAN PROTOTIPE
Setelah prototipe fisik dibuat, kemudian dilakukan pengujian agar diperoleh karakteristik dari sepeda elektrik hasil rancangan. Pengujian-pengujian ini berfujuan untuk mengetahui secara langsung bagaimana kecepatan sepeda elektrik, sistem pengereman yang terjadi, dan bagaimana sistem kemudi yang digunakan pada sepeda elektrik tersebut.
Pengujian dilakukan dengan berbagai variasi kecepatan dan sistem pengereman serta berbagai manuver yaitu belok ke kiri, belok ke kanan, berputar balik, maupun lurus. Pengujian pertama adalah pengujian kecepatan maksimum yang dapat dicapai oleh sepeda tersebut. Dengan beberapa kali pengujian maka dapat disimpulkan, bahwa dengan kecepatan awal : 0 '/, kecepatan maksimum yaitu 3 -/, dapat dicapai kurang lebih selama 5 - l0 detik setelah sepeda bergerak.
Pengujian kedua yaitu pengujian sistem pengereman yang digunakan pada sepeda elektrik. Rem yang digunakan pada roda depan yaitu rem blok, sedangkan rem yang roda belakang yaitu rem tromol. Kedua rem dapat berfungsi dengan baik.
Pengujian ketiga yaitu pengujian sistem kemudi sepeda elekhik. Pada saat melakukan manuver, hanya dibutuhkan ruangan yang kecil sehingga dapat melakukan manuver pada jalan yang sempit (gang). Hal ini didukung oleh sudut kemudi yang dapat dilakukan oleh
sistem kemudi sebesar 150".
Pengujian terakhir adalah gabungan dari pengujian-pengujian sebelumnya, yaitu dari keadaan diam kemudian melaju dengan kecepatan maksimum lalu melakukan pengereman,
setelah itu melakukan manuver ke kanan atau ke kiri kemudian melaju kembali dengan kecepatan maksimum dan terakhir melakukan pengereman sampai sepeda berltenti.
VI. PEMBAHASAN
Dalam melakukan perancangan sepeda elektrik ini, perancangan terlebih dahulu melakukan survei terhadap berbagai bentuk sepeda yang ada di pasaran. Berdasarkan hasil survei, dipilih sepeda manual yang cocok untuk dimodifikasi sesuai hasil perancangan. Pada rangka sepeda yang telah dipilih, diadakan penambahan rangka pada bagian tengah rangka sehingga rangka menjadi lebih panjang dari sebelumnya. Hal ini dilakukan agar ruangan yang digunakan untuk meletakkan aki beserta dengan rangkaian elektronik menjadi lebih besar.
Motor DC yang digunakan sebagai alternatif dalam memutar poros belakang selain dengan cara manual, dipilih sesuai dengan kebutuhan kecepatan sepeda yang dirancang. Begitu jugu dengan aki yang digunakan sebagai sumber tenaga untuk menggerakkan motor DC disesuaikan dengan kebutuhan dari motor tersebut. Merangkai DC regulator yang digunakan untuk mengatur kecepatan putar dari motor DC juga menjadi hal yang penting yang harus dikerjakan. Aki dan DC regulator yang akan diletakkan pada rangka, harus diberi dudukan. Dudukan ini harus sesuai dengan bentuk rangka yang menyanggany\ dan juga tidak terlalu besar karena dapat mengganggu pergerakan. Dudukan terbuat dari plastik sehingga tidak menambah berat sepeda.
Setelah semua komponen telah terpasang, selanjutnya dilakukan penggabungan antara aki, DC regulator dan motor DC. Penggabungan tersebut berupa kabel dari aki yang dihubungkan ke input dari DC regulator, lalu kabel dari motor DC dihubungkan ke output dari DC regulator. Penempatan potensiometer yang digunakan untuk mengatur kecepatan sepeda dipilih senyaman mungkin bagi pengendara sehingga mudah dalam mengendarai sepeda elektrik ini. Posisi potensiometer diletakkan dengan pegangan sebelah kanan, yang diperkirakan merupakan tempat yang paling sesuai. ,
Hasil pengujian yang dilakukan menunjukkan bahwa sepeda elektrik hasil rancangan dapat berjalan dengan baik. Kecepatan maksimum 3 -/, dapat dicapai kurang lebih setelah sepeda berjalan selama 5 - l0 detik.
Dari semua pengujian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa sepeda dapat berfungsi dengan baik. Meskipun demikian, perlu pengembangan dan perbaikan lebih lanjut, terutama pada sistem kontrol elektrik sehingga lebih aman dan dapat menghemat energi. Perbaikan sistem penyimpan energi akan menghasilkan penghematan energi listrik dan mengrlrangi kemungkinan sistem elektrik terbakar karena kelebihan daya.
VII. KESIMPULAN
Dari proses perancangan dan pembuatan sepeda elektrik, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Sepeda elektrik yang dirancang dapat berfungsi cukup baik sebagai kendaraan alternatif dengan sistem penggerakn ganda yaitu elektrik dan manual dengan cara dikayuh.
2. Sistem penggerak elektrik yang digunakan adalah motor DC, aki kering, dan sistem transmisi rantai.
3. Komponen yang digunakan untuk pembuatan prototipe merupakan komponen standar mudah didapat di pasaran.
4. Kecepatan maksimum sepeda elektrik yang dirancang adalah 3 m/s.
VIII. DAFTAR PUSTAKA
(1) Beer Ferdinand and Johnston Russel (1988) "lulechanics of Materials" SI Metric Edition. McGraw-Hill, Singapore.
(2) Dedy A. Sirahar dan Agustinus P. Iralyan (2006) "Perancangon dan Perhitungan Konstruksi pada Desain SepedaElektrik" Skripsi tidak dipublikasikan. Jurusan Teknik Ivlesin Fakultas Teknik Universitas Tarum anagara, Jakarta.
(3) Dieter, G.8., (1991) "Engineering Design,4 Muterial ancl Processing Approach" International Edition, McGraw-Hill Inc, Singapore.
(4) Jasson Sugan$y dan Agustinus P. Irarvan (2006) "Perancangan Sistem Elektrik dan MekantsmePenggerak pada Desain Sepeda Elektrik" Skripsi tidak dipublikasikan. Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarum anagara,, Jakarta.
(5) Khurmi, R.S. and J.K. Gupta. , (2004) "A Text Book of Mac:hirte Design " Eurasia Publising House (Pvt) Ltd, New Delhi.
(6) Pahl, G. and Beitz, W. (1984) "Engineering Design" The Design Council Ken Wallace, London.
(7) Ulrich' Karl T. and Eppinger, Steven D. (1995) "Prodttct Desigrt and Development ". International Editions. McGraw-Hill, Singapore.
