RSA - Digilib ITS - Institut Teknologi Sepuluh Nopember

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5

1

Pemodelan dan Analisa Regenerative Shock Absorber (RSA) pada Sistem Suspensi Kendaraan Militer Roda Ban Tidy Budiarto, dan Harus Laksana Guntur Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected]

Abstrak—Kebutuhan energi listrik pada kendaraan militer modern sangat tinggi untuk mendukung peralatan elektroninika dan mekatronika yang ada pada kendaraan. Selama ini pasokan energi listrik kendaraan berasal dari alternator dengan mengambil sebagian energi putaran engine sehingga menurunkan daya engine dan meningkatkan konsumsi bahan bakar kendaraan. Dalam jurnal ini didesain dan dimodelkan sebuah konsep RSA pada suspensi military vehicle roda ban yang mampu memulihkan energi getaran terbuang menjadi energi listrik. Perhitungan besarnya energi listrik yang dapat dihasilkan RSA akan disimulasikan dengan menggunakan metode komputasi dalam domain waktu dan frekuensi. Selain itu, simulasi dengan metode komputasi juga digunakan untuk mengetahui pengaruh penggunaan RSA terhadap respon bodi kendaraan. Dari analisa ini didapatkan data power harvesting yang dapat dihasilkan oleh RSA pada sistem suspensi military vehicle dengan 50% dan 100% RSA sebesar 200 watt. Kemudian didapatkan dengan penambahan RSA, respon bodi yang terjadi lebih cepat stabil dibandingkan dengan suspensi semula. Kata Kunci—military vehicle, power harvesting, RSA, suspensi.

I. PENDAHULUAN

P

ERTAHANAN nasional sangatlah penting untuk mempertahankan kedaulatan negara, keutuhan wilayah sebuah negara, dan keselamatan segenap bangsa dari ancaman dan gangguan terhadap keutuhan bangsa dan negara. Peralatan militer merupakan salah satu alat untuk memperkuat pertahanan nasional. Untuk itu diperlukan peralatan militer yang cukup untuk memperkuat pertahanan nasional seperti military vehicle. Salah satu jenis military vehicle adalah Pengangkut Personel Lapis Baja (Armoured personnel carrier atau APC). APC adalah kendaraan tempur lapis baja ringan yang dibuat untuk mentransportasikan infanteri di medan perang. APC biasanya hanya dipersenjatai senapan mesin, tapi varianvariannya bisa saja dipersenjatai meriam, peluru kendali antitank, atau mortir. Kendaraan ini sebenarnya tidak dirancang untuk melakukan pertarungan langsung, melainkan untuk membawa tentara secara aman dilindungi dari senjata ringan dan pecahan-pecahan ledakan. APC bisa menggunakan roda biasa maupun roda rantai. Fungsi listrik dan elektronik dalam kendaraan seperti APC saat ini sekitar dua kali lebih penting dibandingkan dengan 10 tahun lalu. Di masa depan fungsi listrik dan elektronik

mungkin jauh lebih penting dari saat ini. Salah satu fungsi listrik yang sangat penting adalah untuk mensuplai alat komunikasi dan alat navigasi pada APC ini. Selama ini pasokan energi listrik kendaraan berasal dari alternator dengan mengambil sebagian energi putaran engine sehingga menurunkan daya engine dan meningkatkan konsumsi bahan bakar kendaraan. Oleh karena itu, untuk meningkatkan efisiensi kendaraan diciptakan alat pemanen energi yang memanfaatkan gerak relatif naik-turun suspensi yang akan ditangkap oleh sebuah alat terpisah dan dikonversi menjadi energi listrik untuk menggantikan altenator. Alat pemanen energi yang akan dikembangkan ini memanfaatkan gerakan naik-turun suspensi yang kemudian dikonversi menjadi gerak rotasi melalui sistem roda gigi yang kemudian akan digunakan untuk memutar generator. Generator akan menghasilkan listrik yang kemudian dapat disimpan untuk keperluan kendaraan tersebut. Alat ini dinamakan Regenerative Shock Absorber (RSA). Regenerative Shock Absorber (RSA) ini juga digunakan untuk meningkatkan efisiensi dari kendaraan tempur APC tersebut. Sebagaimana telah kita ketahui bersama bahwa menurut penelitian Lei Zuo dari New York State University, hanya 10-16 persen dari energi bahan bakar yang efektif digunakan untuk menjalankan mobil sehari-hari, yaitu untuk mengatasi resistensi dari gesekan jalan, hambatan udara dan mendorong kendaraan maju. Sebagian besar energinya justru terbuang sia-sia. II. METODE PENELITIAN A. Pemodelan Matematis Disini akan dibahas mengenai sistem suspensi dari kendaraan APC dimana memerlukan pemodelan matematis. Pada kendaraan APC memiliki 6 roda, sedangkan analisa yang digunakan adalah analisa pada satu suspensi saja, sehingga pemodelan matematisnya adalah pemodelan seperenam kendaraan APC. Dalam hal ini analisa akan dilakukan dengan menggunakan pemodelan matematis seperenam kendaraan APC dengan dua derajat kebebasan (2 dof) untuk pemodelan tanpa RSA dan dengan lima derajat kebebasan (5 dof) untuk pemodelan dengan RSA.


2

m w x1 - c w (y - x 1 ) - k w (y - x1 ) + cv (x 1 - x 2 ) X2

X2

Mv

Mv

+ k v (x1 - x 2 ) + Fc = 0 m w x2 - cv (x 1 - x 2 ) + k v (x1 - x 2 ) - Fc = 0

Kv

X1

Cv

(3) (4)

Gambar. 4 dibawah menunjukkan FBD dariarah gerak rotasi.

Mw X1

Mw

Kw

Cw

Y(t)

Gambar. 1. Pemodelan matematis seperenam kendaraan APC dengan dua derajat kebebasan (2 dof) untuk pemodelan tanpa RSA.

FBD pada Gambar. 1 mengasilkan sebagai berikut:

persamaan gerak

m w x1 - c w (y - x 1 ) - k w (y - x1 ) + cv (x 1 - x 2 )

(1)

+ k v (x1 - x 2 ) = 0 m w x2 - cv (x 1 - x 2 ) + k v (x1 - x 2 ) = 0

(2)

up

Gambar. 4. FBD gerak rotasi untuk pemodelan dengan RSA.

X1-X2 down X2

R1

Mv

K1

J1

R2 J2

B1 Kv

B2

Cv RSA

X1

R1

Mw

J1

K1

B1 Kw

R3

K2

R4 J4

B3 J3

B4 R6

R2

J5

R5

K3

B5

J2

J6

B2

Cw


Bg

B6

Y(t)

Gambar. 2. Pemodelan matematis seperenam kendaraan APC dengan lima derajat kebebasan (5 dof) untuk pemodelan dengan RSA.

Sistem gerak pada Gambar. 2 terbagi menjadi dua, yaitu gerak translasi dan rotasi. Gambar. 3 dibawah menunjukkan FBD dari arah gerak translasi.

Mw

X1

Mv

X2

Gambar. 3. FBD gerak translasi untuk pemodelan dengan RSA.


persamaan gerak

Fc1 =

J1

R12

(x1 - x2 ) +

K1 R1

( x1R−1x2 - θ 2 ) +

persamaan gerak B1 R1

θ1

J 2 θ2 - k 1 ( x1R−1x2 - θ 2 ) + B2 θ2 + Fc2 R2 = 0

Fc2 =

J 1 R2 R12

θ2 +

B3 R2 R1

θ2 +

k2 R3

( RR23 θ 2 − θ 3 )

J 4 θ3 - k 2 ( RR23 θ 2 − θ 3 ) + B4 θ3 + Fc3 R4 = 0

Fc3 =

J 5 R4 R52

θ3 +

B5 R4 R52

θ3 +

k3 R5

( RR45 θ 3 − θ 4 )

J 6 θ4 - k 3 ( RR45 θ 3 − θ 4 ) + (B g − B6 )θ4 = 0

(5) (6) (7) (8) (9) (10)

Desain RSA yang akan dipasang pada APC adalah dengan menggunakan susunan roda gigi untuk mengubah gerak translasi menjadi rotasi untuk memutar generator dan menggunakan one way bearing untuk mengubah gerak naik turun menjadi satu arah putaran pada generator. B. Pemodelan Simulasi Setelah membuat pemodelan matematis dari seperenam mobil angkut pasukan tanpa dan dengan RSA, maka didapatkan matrik input dan matrik ouput dalam bentuk variable-variabel state space. Variabel-variabel state space ini kemudian digunakan untuk simulasi dengan metode


3

komputasi sehingga didapatkan hasil yang diinginkan. 0,2

Y road (m)

C. Parameter Yang Digunakan Kendaraan yang akan dianalisa adalah kendaraan tempur APC. Untuk itu diperlukan data parameter-parameter sistem kendaraan dan RSA untuk pemodelan. Data inilah yang nantinya akan diolah dalam metode komputasi hingga keluar nilai-nilai output yang diinginkan.

0,1 0 -0,1 -0,2 0

1

2

3 X (m)

4

5

6

Gambar. 5. Profil jalan sinusoidal

Model parameter

Simbol (unit)

Berat total kendaraan Berat ban Jumlah ban Suspension spring stiffness

mv (kg) mw (kg) Nw kv (N.m-1)

Transportpanzer (Fuchs) APC 17 000 315 6 4,40×105

Tyre compliance

kw (N.m-1)

1,25×106

Suspension damping

cv (N.s.m-1)

Tyre damping

cw (N.s.m-1)

1,25×104 2860

Tabel 2. Parameter regeratif shock absorber (RSA)[5] Model parameter Symbol (unit) Mean Value Jari-jari roda gigi 1 R1 (m) 0,03 Jari-jari roda gigi 2 R2 (m) 0,05 Jari-jari roda gigi 3 R3 (m) 0,02 Jari-jari roda gigi 4 R4 (m) 0,06 Jari-jari roda gigi 5 R5 (m) 0,02 Jari-jari generator R6 (m) 0,06 Stiffness poros 1 k1 (N.m/rad) 103620 Stiffness poros 2 k2 (N.m/rad) 103620 Stiffness poros 3 k3 (N.m/rad) 6908 Frictional momen ball bearing 1 B1 (N.s.m/rad) 0,000902 Frictional momen ball bearing 2 B2 (N.s.m/rad) 0,000902 Frictional momen ball bearing 3 B3 (N.s.m/rad) 0,000651 Frictional momen ball bearing 4 B4 (N.s.m/rad) 0,000651 Frictional momen ball bearing 5 B5 (N.s.m/rad) 0,000210 Frictional momen ball bearing 6 B6 (N.s.m/rad) 0,000210 Damping coefficient of generator Bg1 (N.s.m/rad) 0,7489 dengan 50% RSA Damping coefficient of generator Bg2 (N.s.m/rad) 1,4978 dengan 100% RSA Momen inersia roda gigi 1 J1 (kg.m2) 9,2834x10-5 Momen inersia roda gigi 2 J2 (kg.m2) 7,1631x10-4 Momen inersia roda gigi 3 J3 (kg.m2) 1,8338x10-5 Momen inersia roda gigi 4 J4 (kg.m2) 1,4853x10-3 Momen inersia roda gigi 5 J5 (kg.m2) 1,8338x10-5 2 Momen inersia generator J6 (kg.m ) 2,9707x10-2

panjang gelombang (λ) 6 m dan amplitudo 0,2 m. Eksitasi sinussoidal sendiri menggambarkan pofil jalan yang bergelombang yang dilalui oleh kendaran. Kecepatan kendaraan melintasi profil jalan tersebut adalah 20 km/jam. Sehingga, dengan perhitungan frekuensi (ω) input 𝜔 = 2𝜋𝑓 dimana 𝑓 = 𝑣/𝜆, sehingga didapatkan frekuensi input untuk kecepatan kendaraan 20 km/jam adalah 𝜔 = 5.814 rad/s. B. Respon yang dihasilkan Hasil simulasi dengan metode komputasi dari pemodelan matematis didapatkan grafik respon bodi dan daya yang dihasilkan oleh generator. Hasi simulasi ditunjukkan pada Gambar. 6 sampai Gambar. 11. 0.4

perpindahan (m)

Tabel 1. Parameter kendaraan APC [5]

50% RSA 100% RSA tanpa RSA

0.2

0

-0.2

-0.4 0

2

2

velocity (m/s)

A. Profil Eksitasi Input Dalam simulasi ini akan dihasilkan respon getaran kendaraan pada masing-masing input. Respon getaran tersebut berupa perpindahan (displacement), kecepatan (velocity), percepatan (acceleration), dan daya yang dihasilkan RSA. Input yang dipakai adalah sinusoidal. Koefisien redaman suspensi kendaraan akan divariasikan dengan mensering redaman pada suspensi dan redaman RSA. Variasi dari sering redaman suspensi adalah dengan 100%Cv, 50%Cv+50%CRSA, dan 100%CRSA. Input yang digunakan adalah eksitasi sinusoidal dengan

10

Gambar. 6. Respon perpindahan bodi arah vertikal


1

III. HASIL DAN DISKUSI

8

6 4 waktu (detik)

0 -1 -2 -3 0

2

4 6 waktu (detik)

8

10

Gambar. 7. Respon kecepatan bodi arah vertikal

Dari ketiga grafik perpindahan, kecepatan, dan percepatan dapat dilihat bahwa gerak respon yang terjadi pada kendaraan



10

0

-10

-20 0

2

4 6 waktu (detik)

8

10

Gambar. 8. Respon percepatan bodi arah vertikal

memiliki tren bernilai besar dan tidak beraturan di awal, kemudian selebihnya semakin tampak seperti gelombang sinusoidal biasa. Hal ini disebabkan karena kendaraan diberi input berupa eksitasi yang bersifat sinusoidal serta dipengaruhi oleh redaman. Itulah mengapa tren yang terjadi pada respon akan tampak tidak beraturan di awal dan semakin lama semakin stabil layaknya gelombang sinusoidal. Dengan penambahan RSA, didapatkan respon bodi yang terjadi lebih cepat stabil dan bernilai lebih kecil dibandingkan dengan suspensi semula. Sehingga dapat disimpulkan bahwa dengan penambahan RSA akan menambah nilai redaman yang mengakibatkan respon bodi lebih cepat stabil dan lebih kecil.

kecepatan putaran (rad/s)

50% RSA 100% RSA

50

50% RSA 100% RSA

600

400

200

0 0

2

4 6 waktu (detik)

8

10

Terlihat bahwa daya yang dihasilkan dengan 100% RSA sedikit lebih besar dibandingkan dengan 50% RSA. Hal ini dikarenakan daya yang dihasilkan merupakan fungsi dari redaman pada generator dan kecepatan putaran generator, yaitu dengan perumusan :

40 30 20

P = 21 Bθ 2

10 2

4 6 waktu (detik)

8

10

Gambar. 9. Respon kecepatan putaran generator pada RSA

4000

percepatan putaran (rad/s2)

800

Gambar. 11. Daya yang dihasilkan oleh generator pada RSA

60

0 0

Respon kecepatan putaran (angular velocity) generator dan percepatan putaran (angular acceleration) generator digunakan untuk menganalisa pengaruh daya yang akan dihasilkan oleh generator. Sedangkan percepatan generator akan menggambarkan salah satu losses yang terjadi pada sistem, losses tersebut adalah inersia losses yang besarnya adalah inersia dikali percepatan (𝐼 × 𝛼). Terlihat bahwa potensi daya dengan 50 % RSA memiliki nilai yang lebih baik dari 100% RSA. Hal ini didasarkan pada nilai kecepatan putaran generator yang lebih tinggi tanpa memperhatikan pengaruh dari redaman pada generator. Pada grafik percepatan putaran generator terlihat bahwa nilai dari percepatan generator tidah besar. Hal ini menggambarkan bahwa losses yang terjadi kecil, itulah sebabnya hasil dari respon bodi tidak memiliki perbedaan yang terlalu besar.

daya (watt)

percepatan (m/s2)

20

4

50% RSA 100% RSA

(11)

Walaupun dengan 50% RSA memiliki nilai kecepatanputara generator yang lebih tinggi dibandingakn dengan 100% RSA, itu tidak sebanding dengan perbedaan nilai redaman dengan 100% RSA, yaitu dua kali dari redaman dengan 50% RSA. Sehingga daya yang dihasilkan dengan 100% RSA sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan 50% RSA dan sama ketika telah stabil yaitu sekiatar 200 watt.

3000

IV. KESIMPULAN/RINGKASAN 2000

1000

0 0

2

6 4 waktu (detik)

8

Gambar. 10. Respon percepatan putaran generator pada RSA

10

Desain RSA yang akan dipasang pada APC adalah dengan menggunakan susunan roda gigi untuk mengubah gerak translasi menjadi rotasi untuk memutar generator dan menggunakan one way bearing untuk mengubah gerak naik turun menjadi satu arah putaran pada generator. RSA dapat membangkitkan daya sekitar 200 watt pada kecepatan kendaraan 20 km/jam dengan melintasi profil jalan dengan panjang gelombang 6 m dan amplitudo 0,2 m. Dengan penambahan RSA mengakibatkan respon bodi yang terjadi

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 lebih cepat stabil dibandingkan dengan suspensi semula Sehingga disarankan untuk penelitian selanjutnya dilakukan perancangan generator dengan memperhitungan semua losses yang terjadi. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis Tidy Budiarto mengucapkan terima kasih kepada selurus dosen pembimbing dan pembahas yang telah memberikan bimbingan dan masukan dalam penulisan artikel ini. Penulis juga megucapkan terima kasih kepada keluarga besar penulis yang telah memberikan doa dan dukungan finansial sehingga penulis dapat menyelesaikan artikel ini dengan lancar. DAFTAR PUSTAKA Zuo, Lei dkk. 2010. Design and Characterization of an Electromagnetic Energy Harvester for Vehicle Suspension. USA : New York State University. [2] Arziti, Marcos. 2010. Harvesting Energy From Vehicle Suspension. Spanyol : Tempere University of Technolog. [3] Stobart, R K. July. 2007. “An availability approach to thermal energy recovery in vehicles”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. [4] Hyo-Jun Kim, dkk. 2002. Improving The Vehicle Performance with Active Suspension Using Road-Sensing Algorithm. Elcevier Science Ltd. [5] S. Rao, Singiresu. 2004. Mechanical Vibration. Miami, USA : Prentice Hall PTR. [6] Frederick, Close. 1995. Modeling and Analysis of Dynamic System. USA : John Wiley & Sons. [7] Nise, Norman S. 1995. Control System Engineering. USA : John Wiley & Sons. [8] Krylov, V.V., Pickup, S., dan McNuff, J., Feb. 2011. “Calculation of Ground Vibration Spectra from Heavy Military Vehicles”. Journal of Sound and Vibration 329 (2010) 3020–3029. [9] Yudhantara, W. 2011. Analisa Dinamika Sistem Suspensi Pada Mobl Perkotaan Sebelum dan Se sudah Penambahan Mekanisme Vibration Energy Recovery System (VERS). Surabaya : Teknik Mesin FTI ITS. [10] Gysen, Bart L.J, dkk. Feb. 2010. “Active Electromagnetic Suspension System for Improved Vehicle Dynamics”. IEEE Transaction on Vehicular Technology vol 59. [11] Zuo, Lei dan Pei-Sheng, Zhang. March. 2011. “Energy Harvesting, Ride Comfort, and Road Handling of Regenerative Vehicle Suspensions”. ASME Journal of Vibrations and Acoustics. [1]

5