bab iii perancangan lay out dan perumusan parameter ... · o sudut belok pada bellows kurang dari...
TRANSCRIPT
Bab III
Perancangan Lay Out dan Perumusan Parameter-parameter Bus
Tempel Tipe Pendorong
3.1 Perancangan Lay out
Bus tempel tiga gandar yang akan dianalisis pada tugas akhir ini didasarkan
pada produk yang telah ada yaitu Mercedes Benz Citaro-G. Sedangkan bus tempel
empat gandar produknya belum ada sehingga lay out-nya dibuat berdasarkan bus
tempel tiga gandar dan bus standar dua gandar. Ada beberapa ketentuan dalam
pembuatan lay out ini yaitu:
o Panjang total bus tempel 18 m
o Lebar total bus tempel 2,5 m
o Radius putar minimum kurang dari 13 m
o Sudut belok pada bellows kurang dari 500
o Di dalam bus hanya ada penumpang duduk
3.1.1 Bus yang Dijadikan Dasar Pembuatan Lay out Chassis
Gambar 3.1 Bus tempel tipe pendorong Mercedes Benz Citaro-G
Bus tempel Citaro-G pada gambar 3.1 menggunakan chassis buatan MAN.
Oleh karena itu, pada pembuatan lay out ini akan didasarkan pada chassis 18
m dan chassis 12 m buatan MAN. Kedua lay out ini dapat dilihat pada
gambar 3.2
14
Gambar 3.2 Dimensi jarak antargandar dan overhang bus tempel (atas) dan bus
standar (bawah)
Dimensi bus tempel tiga gandar tidak akan diubah. Akan tetapi, dimensi
bus tempel empat gandar merupakan gabungan dimensi chassis bus tempel
dan bus standar. Pada lay out 1 yang berasal dari bus standar adalah unit
belakang (pusher) sedangkan pada lay out 2 yang berasal dari bus standar
adalah unit depan (header). Lay out 1 ditunjukkan pada gambar 3.3 c)
sedangkan lay out 2 ditunjukkan pada gambar 3.3 d).
Gambar 3.3 Dimensi jarak antargandar dan overhang lay out 1 (atas) dan lay out 2
(bawah)
15
3.1.2 Perbandingan Geometri Ackerman
Gambar 3.4 Bus tempel tiga gandar (kiri), bus tempel empat gandar layout 1 (tengah),
dan bus tempel empat gandar layout 2 (kanan)
Dari geometri Ackerman bus tempel pada sudut stir maksimum
diperoleh data sebagai berikut:
Tabel 3.1 Data Geometri Bus Tempel Tipe Pendorong
Jumlah
GandarLayout
Jari-jari
terluar
Jari-jari
terdalam
Lebar jalan
diperlukan
Sudut belok
maksimum
Sudut stir
maksimum
3 - 12,99 m 6,29 m 6,70 m 410 360
4 1 13,28 m 6,80 m 6,48 m 500 220
4 2 12,97 m 5,39 m 7,58 m 500 370
Bus tempel empat gandar lay out 1 memiliki jari-jari terluar melebihi
13 m sehingga tidak sesuai dengan kriteria perancangan lay out padahal sudut
beloknya sudah maksimum. Oleh karena itu pada analisis dinamik hanya akan
dilakukan terhadap bus tempel empat gandar lay out 2.
Jika dilihat dari sudut pandang kinematik, jari-jari terluar dan sudut stir
maksimum bus tempel empat gandar dan tiga gandar memiliki kemiripan
16
tetapi bus tempel empat gandar memerlukan koridor belok lebih lebar. Selain
itu bus tempel empat gandar memiliki sudut belok lebih besar sehingga pada
saat berbelok momen yang diterima unit depan mungkin lebih besar daripada
bus tempel tiga gandar.
Menurut hasil riset UMTRI Universitas Michigan, bus tempel tipe
pendorong memiliki potensi ketidakstabilan pada badan pusher (badan bus
belakang). Cuplikan hasil riset tersebut dijelaskan pada tabel 3.2.
Tabel 3.2 Sifat-sifat Dinamik Bus Tempel Tipe Pendorong dan Bus Standar Kondisi Kosong dengan Input Ramp-step Steer pada Kecepatan 100 km/h. (Fancher, 1981)
Input sudut stir
(0)
Percepatan lateral
kondisi S.S(g)
Waktu respon
kecepatan angular (s)
Waktu respon
percepatan lateral (s)
Overshoot kecepatan angular
(%)
Periode osilasi angular
(s) Badan depan 40 0.12 0.87 1.45 7 - Badan belakang 40 0.12 1.10 1.57 27 2.6 Bus Standar 40 0.16 1.12 1.87 - -
Tabel 3.2 menyebutkan bahwa bus tempel tipe pendorong mengalami
osilasi angular dan overshoot ketika berbelok pada kecepatan 100 km/h.
Osilasi dan overshoot ini harus diredam agar penumpang merasa nyaman
dalam kendaraan. Oleh karena itu, bus tempel tipe pendorong dilengkapi
dengan sambungan bus yang memiliki peredam semi-aktif. Selain itu, tabel
tersebut menyebutkan sifat-sifat dinamik bus standar yang dapat digunakan
sebagai pembanding hasil analisis dinamik dalam tugas sarjana ini.
3.2 Peredam pada Sambungan Bus
Salah satu komponen kunci pada bus tempel tipe pendorong (pusher) adalah
sambungan bus. Sambungan ini memegang peranan penting dalam
mengendalikan gerak bus tempel, terutama ketika berbelok. Sambungan ini harus
mengakomodasi gerakan nodding dan bending. Sedangkan gerakan twisting
diteruskan antara badan depan (header) dan badan belakang (pusher).
17
Gambar 3.5 Kondisi ekstrim sambungan saat bus tipe pendorong dioperasikan
(a) nodding, (b) twisting, (c) bending
Pada tugas sarjana ini yang akan dijadikan dasar dalam analisis adalah
peredam buatan ATG Autotechnic (pabrikan Jerman) yaitu Limbo II Pusher
tetapi koefisien redamannya diasumsikan konstan.
Gambar 3.6 Konstruksi sambungan bus tempel ATG, Limbo II Pusher 350
Sambungan ini ditempatkan di antara badan bus depan dan belakang.
Sambungan ini dihubungkan ke badan bus depan dan belakang dengan
sambungan baut. Sambungan yang mengakomodasi nodding dan bending
berbentuk pin. Pada gerakan bending terdapat peredam linier yang meredam
gerakan putar pada sambungan ketika bus berbelok. Saluran fluida pada peredam
dihubungan ke katup peredam yang berguna untuk mengatur besarnya koefisien
redaman peredam linier. Digunakan dua buah damper translasi identik yang
18
memiliki koefisien redaman total CT (Nm/rads-1). Jarak damper terhadap sumbu
putar turn table sebesar e.
Gambar 3.7 Skema peredam pada sambungan (kiri) dan
arah gaya pada sambungan (kanan)
Berdasarkan gambar 3.7 besar torsi redaman dan gaya redaman yang bekerja pada
unit depan:
( )11 γβ &+= uCT TT (3.1)
( )11 γβ &+=→= ue
CFe
TF TTy
TT (3.2)
3.3 Perkiraan Berat dan Letak Titik Berat Bus
Titik berat kendaraan adalah parameter penting dalam analisis dinamik
kendaraan. Dalam tugas sarjana ini, titik berat unit depan dan unit belakang dicari
dengan melakukan simulasi perhitungan berat dan lokasi komponen-komponen
pada unit depan dan unit belakang.
Berat lantai, side truss, dan atap diperkirakan berdasarkan berat bus standar
dikalikan rasio panjang bus tempel terhadap bus standar. Tabel 3.3 menunjukkan
berat ketiga komponen tersebut pada bus standar yang memiliki panjang 12 m.
Tabel 3.3 Berat Lantai, Side Truss, dan Atap pada Bus Standar yang Memiliki Panjang 12 m (Alain Dulac, 2000)
Rangka Berat (kg) Lantai baja 740 Side truss baja 462 Atap baja 584
19
Berat chassis diperkirakan berdasarkan hasil kali luas penampang chassis,
panjang total, dan massa jenis baja. Berat komponen-komponen lainnya
diperkirakan berdasarkan data berat pada brosur hasil penelusuran internet.
Gambar 3.8 Penampang chassis
Gambar 3.9 Layout chassis bus tempel empat gandar (atas) dan bus tempel tiga gandar
(bawah)
Setelah berat dan letak setiap komponen ditentukan selanjutnya letak titik
berat bus dihitung dengan menggunakan rumus:
∑
∑ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
=
ii
iii
x
mxx
(3.3)
20
Tabel 3.4 Berat dan Letak Titik Berat Bus Tempel Empat Gandar
Berat c.o.g. X c.o.g. X c.o.g. Z c.o.g. Z part total part total Berat Depan 103 kg m m m m Berat Gandar 1 0,850 2,600 0,400 Berat Gandar 2 1,050 8,500 0,400 Berat Steering 0,200 2,600 0,500 Berat Atap 0,489 5,000 3,000 Berat Truss Samping 0,387 5,000 1,460 Berat Lantai 0,620 5,000 0,860 Berat Chassis 1,331 5,000 0,510 Berat Kursi 0,185 4,250 1,360 Berat bellows 0,120 9,600 1,700 Sub total kosong 5,232 5,300 0,872 Berat Penumpang 2,849 4,250 1,460 Sub total penuh 8,081 4,930 1,079 Berat Belakang Berat Gandar 3 0,850 1,350 0,400 Berat Gandar 4 1,050 5,550 0,400 Berat Steering 0,200 1,350 0,500 Berat Atap 0,389 4,000 3,000 Berat Truss Samping 0,308 4,000 1,460 Berat Lantai 0,493 4,000 0,860 Berat Chassis 1,029 4,000 0,510 Berat Kursi 0,140 5,000 1,360 Berat Mesin dan Transmisi 1,300 7,400 1,000 Berat Fuel Tank 0,060 5,000 0,500 Berat Fuel Dalam Tank 0,378 5,000 0,500 Berat Gardan Shaft 0,175 5,750 0,600 Berat Turntable 0,500 0,000 0,550 Berat bellows 0,120 0,300 1,700 Sub Total 6,373 4,657 0,898 Berat Penumpang 2,156 5,000 1,460 Sub total penuh 8,529 4,744 1,040
Tabel 3.4 menunjukkan hasil perhitungan berat total dan letak titik berat bus tempel
empat gandar. Unit depan memiliki panjang 9,3 m dan unit belakang memiliki panjang
7,2 m. Hasil perhitungan berat total bus tempel empat gandar menunjukkan bahwa
berat unit depan (header) saat kosong adalah 5232 kg dan saat penuh adalah 8081
kg. Berat unit belakang (pusher) saat kosong adalah 6373 kg dan saat penuh
21
adalah 8529 kg. Hasil perhitungan letak titik berat bus tempel empat gandar
sebagai berikut:
o Saat kosong
mmmbmmmammmbmmma
893,0307,3200,4307,3350,1657,4200,3700,2900,5700,2600,2300,5
2
2
1
1
=−==−==−==−=
o Saat penuh
mmmbmmmammmbmmma
806,0394,3200,4394,3350.1744,4570,3330,2900,5330,2600,2930,4
2
2
1
1
=−==−==−==−=
Pada bus tempel tiga gandar ada sedikit perbedaan dalam perhitungannya. Pada bus
tempel empat gandar berat unit belakang ditumpu oleh gandar nomor 3 dan nomor 4
sedangkan pada bus tempel tiga gandar berat unit belakang (pusher) ditumpu oleh gandar
nomor 3 dan sambungan nodding pada sambungan belok. Hal ini menyebabkan perubahan
distribusi berat pada unit belakang mempengaruhi distribusi berat pada unit depan.
Gambar 3.10 Gaya reaksi tumpuan pada bus tempel tiga gandar unit depan (atas) dan unit
belakang (bawah)
22
Tabel 3.5 Berat dan Letak Titik Berat Bus Tempel Tiga Gandar
Berat c.o.g. X c.o.g. X c.o.g. Z c.o.g. Z part total part total Berat Depan 103 kg m m m m Berat Gandar 1 0,850 2,600 0,400 Berat Gandar 2 0,850 8,500 0,400 Berat Steering 0,200 2,600 0,500 Berat Atap 0,489 5,000 3,000 Berat Truss Samping 0,387 5,000 1,460 Berat Lantai 0,620 5,000 0,860 Berat Chassis 1,331 5,000 0,510 Berat Kursi 0,185 4,250 1,360 Berat bellows 0,120 9,600 1,700 Berat tumpuan joint kosong 0,258 9,900 0,550 Sub total kosong 5,290 4,920 0,981 Berat Penumpang 2,849 4,250 1,460 Berat tumpuan joint penuh 0,019 9,900 0,550 Sub total penuh 8,157 4,697 1,148 Berat Belakang Berat Gandar 3 1,050 4,500 0,400 Berat Atap 0,389 4,000 3,000 Berat Truss Samping 0,308 4,000 1,460 Berat Lantai 0,493 4,000 0,860 Berat Chassis 1,029 4,000 0,510 Berat Kursi 0,140 5,000 1,360 Berat Mesin dan Transmisi 1,300 7,300 1,000 Berat Fuel Tank 0,060 2,000 0,500 Berat Fuel Dalam Tank 0,378 2,000 0,500 Berat Gardan Shaft 0,175 5,000 0,600 Berat turntable 0,500 0,000 0,550 Berat bellows 0,120 0,300 1,700 Sub Total 5,943 4,305 0,962 Berat Penumpang 2,156 5,000 1,460 Sub total penuh 8,099 4,490 1,095
Tabel 3.5 menunjukkan hasil perhitungan berat total dan letak titik berat bus tempel
tiga gandar. Unit depan memiliki panjang 9,3 m dan unit belakang memiliki panjang 7,2
m. Hasil perhitungan berat total bus tempel tiga gandar menunjukkan bahwa berat
unit depan (header) saat kosong adalah 5290 kg dan saat penuh adalah 8157 kg.
Berat unit belakang (pusher) saat kosong adalah 5943 kg dan saat penuh adalah
8099 kg. Letak titik berat bus tempel tiga gandar sebagai berikut:
23
o Saat kosong
mmmbmmmammmbmmma
205,1955,2200,4955,2350,1305,4578,3322,2900,5322,2600,2922,4
2
2
1
1
=−==−==−==−=
o Saat penuh
mmmbmmmammmbmmma
060,1140,3200,4140,3350,1490,4818,3082,2900,5082,2600,2682,4
2
2
1
1
=−==−==−==−=
3.4 Perhitungan Gaya Reaksi Pada Gandar
Gambar 3.11 Letak titik berat pada bus tempel empat gandar (atas) dan
bus tempel tiga gandar (bawah)
Besar gaya reaksi tumpuan dihitung dengan rumus kesetimbangan momen
terhadap salah satu titik kontak roda dan jalan. Melalui perhitungan sebelumnya
berat bus dan panjang a dan b telah diketahui sehingga terbentuk satu persamaan
yang hanya memiliki satu variabel tidak diketahui. Hasil perhitungan besar gaya
reaksi jalan sebagai berikut:
o Pada bus empat gandar kondisi kosong
( )
( )
( )
( ) kgmmkg
baaWF
kgmmkg
babWF
kgmmkg
baaWF
kgmmkg
babWF
blkgZ
blkgZ
dpnZ
dpnZ
49226200,4307,38081
13292200,4893,08081
23448900,5700,25232
27837900,5200,35232
22
24
22
23
11
12
11
11
=⋅=+
⋅=
=⋅=+
⋅=
=⋅=+
⋅=
=⋅=+
⋅=
24
o Pada bus empat gandar kondisi penuh
( )
( )
( )
( ) kgmmkg
baa
WF
kgmmkg
babWF
kgmmkg
baaWF
kgmmkg
babWF
blkgZ
blkgZ
dpnZ
dpnZ
67612200,4394,38529
16056200,4806,08529
31306900,5330,26373
47967900,5570,36373
22
24
22
23
11
12
11
11
=⋅=+
⋅=
=⋅=+
⋅=
=⋅=+
⋅=
=⋅=+
⋅=
o Pada bus tiga gandar kondisi kosong
( )
( )
( ) kgmmkg
baaWF
kgmmkg
baa
WF
kgmmkg
babWF
blkgZ
dpnZ
dpnZ
55774500,4305,45943
20424900,5322,25290
31471900,5578,35290
22
24
11
12
11
11
=⋅=+
⋅=
=⋅=+
⋅=
=⋅=+
⋅=
o Pada bus tiga gandar kondisi penuh
( )
( )
( ) kgmmkg
baaWF
kgmmkg
baa
WF
kgmmkg
babWF
blkgZ
dpnZ
dpnZ
79275500,4490,48099
28238900,5082,28157
51783900,5818,38157
22
24
11
12
11
11
=⋅=+
⋅=
=⋅=+
⋅=
=⋅=+
⋅=
25
3.5 Perumusan Korelasi Sudut
3.5.1 Bus Tempel Empat Gandar
Gambar 3.12 Korelasi sudut bus tempel empat gandar
Melalui gambar geometri Ackerman dapat diturunkan hubungan antara
sudut stir dan sudut belok.
26
Perbedaan antara sudut stir dalam dan sudut stir luar diabaikan sehingga
Hubungan antara sudut stir dan sudut belok sebagai berikut
( )
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ⋅=+=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
=
⋅+=
+=→=→=
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ⋅=→
⋅=
+=→
+=
−−
−
−
ab
bdc
ab
ab
bdc
bdc
LdcbL
Lb
ab
ab
tL
btL
a
CC
C
BB
111121
112
12
11
111
111
tantansin
tantan
tantansin
sinsin
sinsin
tantan
tan
2
tan
2
tan
δδααα
δα
αα
αα
δα
δαδ
Sudut stir unit belakang sebagai fungsi sudut stir unit depan
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+=
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+=
+=+→
+
+=
=+→+
=
−−−
−−
ab
bdc
dcd
ab
bdc
dcd
dcd
dctLtL
dc
dtLtL
d
E
E
E
E
11112
1112
22
22
22
tantansinsintantan
tantansinsintantan
tantan
tan22
tan
tan22
tan
δδ
δδ
αδ
αα
δδ
Dengan asumsi sudut kecil, hubungan antara sudut stir dan sudut belok
sebagai berikut
( )dcba
ab
bdc
ab
++=+=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
=
⋅=
121
12
11
δααα
δα
δα
Dengan asumsi sudut kecil, sudut stir unit belakang sebagai fungsi sudut stir
unit depan
ad 1
2δ
δ⋅
=
δδδ == oi
(3.4)
(3.5)
(3.6)
(3.7)
27
3.5.2 Bus Tempel Tiga Gandar
Gambar 3.13 Korelasi sudut bus tempel tiga gandar
Melalui gambar geometri Ackerman dapat diturunkan hubungan antara
sudut stir dan sudut belok.
28
Hubungan antara sudut stir dan sudut belok sebagai berikut
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛ ⋅=+=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
⋅==→=
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ⋅=→
⋅=
+=→
+=
−−
−
−
ab
bc
ab
ab
bc
bc
Lc
Lb
ab
ab
tL
btL
a
CC
BB
111121
112
121
111
111
tantansin
tantan
tantansin
sinsinsin
tantan
tan
2
tan
2
tan
δδααα
δα
ααα
δα
δαδ
Dengan asumsi sudut kecil, hubungan antara sudut stir dan sudut belok
sebagai berikut
( )cba
ab
bca
b
+=+=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
⋅=
121
12
11
δααα
δα
δα
(3.8)
(3.9)
29