desain dan simulasi kenematika pada sistem...

UAD, Yogyakarta THE 5TH URECOL PROCEEDING 18 February 2017

THE 5TH URECOL PROCEEDING 223 ISBN 978-979-3812-42-7

DESAIN DAN SIMULASI KENEMATIKA

PADA SISTEM KEMUDI DENGAN SUDUT 90o

Agus Dwi Anggono1), Joko Sedyono2)Bana Handaga3)

1,2Jurusan Teknik Mesin, 3Teknik Informatika

Universitas Muhammadiyah Surakarta

[email protected]

Abstract

The aim of the research is to design a 90 degrees steering mechanism system for multi porpose

vehicle. The application of the steering system can be implemented for many types of car. The

advantage of the systems is flexibility in movement. Therefore, the vehicle has high degree of

moving in any direction. The mechanism was designed in 2D and 3D model. Then, the component

was joined in assembly and kinematic simulation by using CATIA. Clash detection of each

components has carried out in assembly workbench of CATIA. The results in this work helps the

automotive industries to develop a real 90 degree steering systems. All components have

completely design in 3D solid by using CATIA. From the product assembly, the clash between

parts have eliminated by part editing. In the final assembly, there were not clash detected.

Keywords: Steering systems, 4 wheel steering, CAD, Assembly Design, Kinematic Design

PENDAHULUAN

Kendaraan roda empat atau mobil

penumpang menjadi moda transportasi yang

paling diminati di Indonesia. Setiap kendaraan

memiliki unit pengendali berupa sistem

kemudi. Sistem kemudi menggerakkan roda

depan dengan sudut tertentu untuk mengatur

dan mengendalikan arah kendaraan. Sistem

kemudi empat roda dikembangkan pada

kendaraan-kendaraan kelas atas. Sistem

tersebut dibangun untuk mengimbangi efek

roling pada roda belakang, sehingga pada saat

belok dengan kecepatan tinggi lebih stabil.

Pada sistem kemudi empat roda, sudut belok

roda belakang cenderung lebih kecil

dibandingakan dengan roda depan, maksimal

berkisar 10-30 derajat(Khristamto et al.

2015).

Persyaratan sistem kemudi adalah

memiliki kemampuan manuver yang baik.

Sistem kemudi harus mampu membelokan

roda kendaraan dengan tajam, mudah dan

halus. Sistem kemudi juga dibuat ringan pada

kecepatan rendah dan menjadi berat pada

kecepatan tinggi. Bagian-bagian sistem

kemudi diantaranya adalah roda kemudi,

steering clums, steering gear yang berfungsi

untuk mengubah rotasi pembelokan menjadi

gerak translasi untuk membelokan roda.

Sistem kemudi ada dua macam, yaitu rack and

pinion dan tipe recirculating-

ball(Balachandran & Gerdes 2013;

Khristamto et al. 2015).

Tipe rack and pinion memiliki konstruksi

pinion yang terhubung dengan rack. Pada saat

pinion berotasi akan menggerakkan rack

bertranslasi kekiri dan kekanan. Konstruksi

tipe ini lebih sederhana dan ringan karena gear

box yang kecil. Respon steering sangat tajam

karena gigi-gigi memiliki hubungan langsung.

Perakitan roda steering tertutup sehingga

bebas perawatan.

Steering tipe recirculating-ball memiliki

konstruksi yang lebih rumit. Poros kemudi

berbentuk spiral yang terdapat bola-bola yang

bersirkulasi pada saat kemudi diputar. Karena

menggunakan bola-bola maka gesekan yang

terjadi sangat kecil. Konstruksi ini mampu

menahan beban yang besar dan memiliki

sudut operasi yang besar.

Sekarang ini kendaraan-kendaraan

pribadi memiliki ban-ban yang lebar dan

tekanan rendah untuk menambah kenyamanan

dan menambah bidang kontak dengan jalan.

Namun hal itu mengakibatkan usaha yang

dilakukan stir menjadi lebih besar. Tenaga

steering dapat diturunkan dengan menurunkan

Universty Research Coloquium 2017 ISSN XX-XX


rasio roda gigi pada steering gear. Untuk

menurunkan usaha dalam membelokan roda

maka ditambahkan alat yang disebut sebagai

power steering baik yang bertipe hidrolik

maupun elektrik.

Pada penelitian ini dibuat desain sistem

kemudi untuk 4 roda yaitu roda depan dan

belakang. Gambar 1 menunjukkan

mekanisme kemudi 2 roda depan dengan

sudut maksimal 45o. Besaran sudut putar

bervariasi antara kendaran satu dengan yang

lain, namu berkisar 40-60o.

Gambar 1. Sistem kemudi pada roda depan

dengan sudut maksima 45o.

Sistem kemudi 4 roda ditunjukkan pada

Gambar 2. Dimana pada penelitian ini

didesain sampai dengan 90o sudut putar roda

kendaraan. Sehingga pada sudut maksimal

tersebut, kendaraan dapat bergerak ke

samping.Desain yang diusulkan pada

penelitian ini adalah dengan membagi total

sudut 90o menjadi dua bagian. Bagian pertama

dengan sudut maksimal 45o yang dibelokan

pada sambungan pertama. Sudut kedua

diperoleh dari sambungan kedua dengan sudut

maksimal 45o, sehingga total menjadi 90o.

Perkembangan teknologi Computer

Aided Design (CAD) semakin maju, sehingga

memungkinkan membuat desain yang rumit.

Simulasi dan analisis kekuatan suatu struktur

dan asembly dapat dilakukan dengan

teknologi Computer Aided Engineering

(CAE) baik statik, dinamik, thermal maupun

fluida. Metoda Finite Element Analysis (FEA)

telah terbukti efisien dalam melakukan

analisis secara firtual terhadap kekuatan

material(Anggono & Riyadi 2014; Widodo &

Riyadi 2014).

(a) (b)

Gambar 2. Sistem kemudi empat roda

dengan sudut maksimal 90o.(a) Sudut putar

pertama maksimal 45o pada sambungan 1. (b)

Sudut putar kedua maksimal 45o pada

sambungan 2.

KONSEP DASAR KEMUDI 4 RODA

Melakukan desain atau perubahan sudut

kemudi sampai pada 90o merupakan

perubahan drastis dan besar. Sebagaimana

terlihat dalam Gambar 2, kendaraan dapat

bergerak secara ekstrim, yaitu menyamping.

Hal ini membutuhkan perubahan sudut yang

besar pada mekanisme steering. Berdasarkan

sistem geometri Ackerman, sudut kemudi

ditentukan oleh sudut antara sumbu

longitudinal kendaraan terhadap bidang pusat

dua roda depan seperti yang digambarkan

pada Gambar 3. Kebutuhan sudut 90o pada

mekanisme kemudi dapat menggunakan

penguat sudut antara poros mekanis dengan

roda seperti yang diilustrasikan pada Gambar

4. Biasanya sistem kemudi hanya memiliki

sudut maksimal dan minimal +30 dan -30

derajat saja. Sehingga sudut 𝜃𝑉𝐴 kemudi

menjadi:

𝜃𝑉𝐴 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (2 tan 𝜃𝑖 tan 𝜃𝑒

tan 𝜃𝑖 + tan 𝜃𝑒) (1)

Geometri Ackerman :

𝜃𝑒𝐴 = arctan(𝐿

𝐵⁄ ) tan 𝜃𝑖

(𝐿𝐵⁄ )+ tan 𝜃𝑖

(2)

Posisi kendaraan bergerak lurus:

𝑐𝑥0 = 𝑍0 − 𝑏 sin 𝛾 (3)



𝑐𝑦0 = 𝑒 + 𝑏 cos 𝛾 − ℎ (4)

𝑐 = √(𝑐𝑥0)2 + (𝑐𝑦0)2 (5)

Posisi kendaraan berbelok:

Mekanisme bagian dalam dengan

mempertimbangkan sudut θi :

𝛽𝑖 =𝜃𝑖

𝑅𝑎 (6)

∅𝑖 = 𝛾 − 𝛽𝑖 (7)

𝑏𝑥𝑖 = 𝑏 sin ∅𝑖 (8)

𝑏𝑦𝑖 = 𝑏 cos ∅𝑖 (9)

𝑐𝑥𝑖 = 𝑍0 − 𝑒𝑥 − 𝑏𝑥𝑖 (10)

𝑐𝑦𝑖 = −ℎ + 𝑒𝑦 + 𝑏𝑦𝑖 (11)

𝑐2 = 𝑐𝑥𝑖2 + 𝑐𝑦𝑖

2 (12)

𝑒𝑦2 = √𝑒2 − 𝑒𝑥

2 (13)

Dengan menguadratkan persamaan (10)

dan (11), kemudian mensubstitusikan

persamaan (12) dan (13) maka akan

menghasilkan persamaan kuarat dalam

koefisien ex :

𝐴𝑖 = (𝑏𝑥𝑖−𝑧𝑜

𝑏𝑦𝑖−ℎ)

2

+ 1 (14)

𝐵𝑖 =(𝑏𝑥𝑖−𝑧0){𝑒2−𝑐2+(𝑏𝑥𝑖−𝑧0)2+(𝑏𝑦𝑖−ℎ)

2}

(𝑏𝑦𝑖−ℎ)2 (15)

𝐶𝑖 = {𝑒2−𝑐2+(𝑏𝑥𝑖−𝑧0)2+(𝑏𝑦𝑖−ℎ)

2

2(𝑏𝑦𝑖−ℎ)} − 𝑒2 (16)

𝑒𝑥 =𝐵𝑖−√𝐵𝑖

2−4𝐴𝑖𝐶𝑖

2𝐴𝑖 (17)

𝜓𝑖 = arccos (𝑐𝑦𝑖

𝑐) (16)

Sudut transmisi kemudi:

𝜇𝑖 = 𝜙𝑖 + 𝜓𝑖 (16)

Dimana 𝜇𝑖 adalah sudut minimum yang harus

dihindari.

Gambar 3. Sudut kemudi pada geometri

Ackerman

Gambar 4. Skema mekanisme kemudi

METODE

Penelitian ini menggunakan CATIA V5

untuk melakukan desain 3D dengan bentuk

pejal atau solid model. Dimensi komponen

kemudi diperoleh dengan mengukur

komponen sebenarnya sebagai acuan dalam

melakukan desain dan perubahan. Setiap

komponen digambar secara terpisah dalam

satu fail. Setelah semua komponen dibuat

dalam bentuk solid 3D maka langkah

berikutnya dalah membuat komponen

gabungan atau assembly. Proses pembuatan

gambar gabungan menggunakan fasilitas

Assembly Design di CATIA V5. Sebelum

dijadikan dalam satu kesatuan assembly,

beberapa komponen ada yang digabung

terlebih dahulu, hal ini disebut sebagai sub

gabungan.



Gambar 5. Diagram alir penelitian

Sebagaimana yang digambarkan pada

diagram alir penelitian, setelah gabungan

utama selesai maka dilakukan analisis

tabrakan antar komponen. Analisis tabrakan

atau clash analysis merupakan salah satu

metoda untuk mendeteksi suatu desain dalam

assembly, apakah dimensinya sesuai dengan

pasangannya. Apabila dimensi tidak sesuai

maka dalam clash analysis akan memberikan

suatu nilai. Sebagai contoh adalah poros dan

lubang. Apabila jenis suaian yang digunakan

adalah suaian pas, maka antara poros dan

lubang tidak ada jarak sama sekali. Clash

analysis di bagian assembly dilakukan pada

kondisi diam atau statis. Sedangkan analisis

pada keadaan bergerak dilakukan pada

Kinematic Analysis. Analisis tersebut

dilakukan dengan menggerakkan komponen-

komponen yang semestinya bergerak

sehingga dapat diketahui apakah gerakan

tersebut akan menabrak komponen yang lain

atau tidak.

Analisis tabrakan antar komponen

memberikan keuntungan yaitu menghindari

kesalahan desain. Apabila dalam analisis

tersebut terjadi tabrakan, maka perubahan

komponen kembali dilakukan pada tahapan

desain 3D. Perubahan desain akan terus

dilakukan sampai tidak ada tabrakan antar

komponen yang terdeteksi, baik pada saat

assembly maupun kinematik. Sehingga

didapatkan desain mekanisme kemudi yang

secara simulasi dapat bekerja dengan

maksimal tanpa terjadi tabrakan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Sebagaimana yang digambarkan pada

skema Gambar 2, bahwa mekanisme kemudi

dengan sudut maksimal 90 derajat akan dibagi

menjadi dua bagian sehingga masing-masing

memiliki sudut sebesar 45o. Dari skema

tersebut maka mekanisme memiliki dua titik

sambungan yang membagi menjadi 45o.

Pada mekanisme kemudi 90o, hal yang

paling penting untuk diperhatikan adalah

poros penerus putaran. Poros tersebut juga

harus bisa membentuk sudut 90o. Komponen

yang meneruskan putaran ke roda itu disebut

dengan CV (Constant Velocity) joint.

Sambungan tersebut artinya tidak ada

perbedaan kecepatan setelah membentuk

sudut. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar

6, hasil penggabungan komponen CV join.

Sambungan tersebut dianalisis pada kondisi

tergabung dan analisis gerak kinematika.

Gambar 6 memberikan gambaran

berbagai posisi sambungan CV. Pada posisi

kendaraan bergerak lurus, sambungan CV

seperti pada Gambar 6a, yaitu lurus tanpa

membentuk sudut. Gambar 6b dan 6c adalah

posisi kendaraan atau roda berbelok dengan

sudut 45o. Komponen yang bekerja adalah

pada lengan terluar, dimana sambungan CV

berupa bola-bola. Setelah sudut maksimal

yang pertama tercapai, maka apabila

dilanjutkan proses pemutaran kemudi, maka

lengan atau poros kedua yang bekerja dengan

sudut maksimal 45o, seperti yang

digambarkan pada Gambar 6d dan 6e untuk

posisi sebaliknya.

(a)

Pengukuran Gambar Sket

Desain 3D

solid

Sub

gabungan Gabungan

utaman

Model akhir Selesai

Mulai

Apakah

terjadi

tabrakan?

Ya

Tidak



(b)

(c)

(d)

(e)

Gambar 6. Sambungan kecepatan konstan.

Gambar 6 adalah salah satu contoh

gabungan kecil atau sub assembly pada desain

sistem kemudi. Sub assembly tersebut

kemudian digabungkan dengan komponen

yang lain seperti rumah suspensi atau knuckle

dan suspensi, seperti yang ditampilkan pada

Gambar 7. Gerakan yang telah disimulasikan

sebelumnya pada gabungan CV joint, setelah

digabungkan dengan komponen lain akan

memiliki derajat kebebasan yang berbeda

dengan sebelumnya. Karena derajat

kebebasan yang berubah maka simulasi

kembali diatur dari awal dengan jumlah

derajat kebebasan yang baru. Kelebihan

penggabungan dengan sub assembly adalah

untuk meminimalkan kesalahan yang

mungkin terjadi. Kesalahan simulasi banyak

disebabkan karena kesalahan pemilihan

constraint atau kondisi batas dari hubungan

antar komponen.

Gabungan antara sub assembly dengan

komponen yang lain untuk menjadi gubungan

yang lebih besar, misalnya antara CV joint,

knuckle dan suspensi, dapat dilihat pada

Gambar 7. Pada gambar tersebut juga

dilakukan simulasi dan analisis tabrakan

dalam upaya menentukan bentuk komponen

yang sesuai. Simulasi dilakukan pada

pembentukan sudut 45o dan 90o.

(a)

(b)



(c)

(d)

Gambar 7. Gabungan antara CV joint,

knuckle dan suspensi.

Gambar 7(a) dan (b) memberikan

gambaran pada posisi belok dengan sudut 45o.

Pengecekan tabrakan komponen dilakukan

pada setiap pembentukan sudut secara

simultan. Arti bahwa selama membentuk

sudut dari 0-45o dilakukan pengecekan

tabrakan antar komponen. Selain membentuk

sudut, CV joint juga dalam keadaan berputar

yang merupakan penggambaran kendaraan

sedang berjalan. Dengan cara yang sama

dilakukan juga pada saat pembentukan sudut

dari 45-90o, dimana pada posisi akhir disudut

90o dapat dilihat pada Gambar 7 (c) dan (d).

Gambar 8 memberikan gambaran proses

pengecekan antar komponen dalam suatu

assembly atau gabungan. Gambar 8(a) adalah

daftar komponen yang telah dibuat dalam

gabungan. Pengecekan kondisi komponen

dengan cara memilih dalam daftar untuk

melihat tampilan komponen tersebut, yang

digambarkan pada Gambar 8(b). Dari tabel

terlihat status hubungan antar komponen,

misalnya contact atau clash dan ditampilkan

juga nilainya. Apabila terjadi clash, maka

komponen tersebut dapat diubah sesuai nilai

yang tampil. Sehingga jarak antar keduanya

sesuai dengan jenis kondisi yang dipakai.

(a)

(b)

Gambar 8. Hasil analisis tabrakan antar

komponen.

1. KESIMPULAN



Semua komponen sistem kemudi berhasil

dibuat dalam bentuk model 3D pejal.

Penggabungan antar komponen menjadi

gabungan kecil dan gabungan akhir berhasil

dilakukan dan pengecekan clash atau tabrakan

antar komponen telah dilakukan. Perubahan

dimensi komponen-komponen telah

dilakukan sesuai dengan hasil clash analisis.

Simulasi gerak kinematika sistem kemudi

dengan sudut 90o, berhasil dilakukan dan

menunjukkan gerakan yang baik. Gerak

kinematika tidak menunjukkan adanya

tabrakan antar komponen, sehingga

memberikan gambaran bahwa sistem ini dapat

diwujudkan dalam prototipe.

PERSANTUNAN

Penulis mengucapkan terima kasih yang

sebesar-besarnya kepada Lembaga Penelitian

dan Pengabdian Masyarakat (LPPM)

Universitas Muhammadiyah Surakarta dan

Direktur Jenderal Penguatan Riset dan

Pengembangan, Kementrian Riset, Teknologi

dan Pendidikan Tinggi, Republik Indonesia,

yang telah membiayai penelitian ini [Nomor

kontrak = 186.53/A.3-III/LPPM/V/2016].

REFERENSI

Anggono, A.D. & Riyadi, T.W.B., 2014.

Finite Element Simulation of the

Drawability of Tailor-Welded Blank.

Applied Mechanics and Materials, 660,

pp.3–7. Available at:

http://www.scientific.net/AMM.660.3.

Balachandran, A. & Gerdes, J.C., 2013.

Artificial Steering Feel Design for

Steer-by-wire Vehicles, IFAC.

Available at:

http://dx.doi.org/10.3182/20130904-4-

JP-2042.00131.

Khristamto, M., Praptijanto, A. & Kaleg, S.,

2015. Measuring geometric and

kinematic properties to design steering

axis to angle turn of the electric golf

car. Energy Procedia, 68, pp.463–470.

Available at:

http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2015.

03.278.

Widodo, T. & Riyadi, B., 2014. A parametric

study of wind catcher model in a typical

system of evaporative cooling tower

Using CFD. Applied Mechanics and

Materials, 660, pp.659–663.

desain dan simulasi kenematika pada sistem...

Documents