Download - Analisa Steering kemudi
-
7/21/2019 Analisa Steering kemudi
1/4
1
AbstrakSistem steering merupakan salah satu hal yang pentingpada kendaraan saat berbelok. Sistem kemudi merupakan sistem
yang berfungsi mengatur arah mobil untuk meningkatkan
keamanan dan kenyamanan saat berkendara. Dalam hal in i sistem
kemudi har us dapat membelokkan roda sehingga titi k putar semua
roda dapat berada pada satu titi k. Hal i ni sangat penting untuk
memin imalkan besarnya steering error pada saat melakukan gerak
belok. Adapun acuan yang harus dimiliki sebuah kendaraan
adalah yang memenuhi pri nsip gerak belok i deal ackerman. Dalam
hal i ni kondisi gerak belok ideal ackerman sangat sul it tercapai
pada saat kendaraan berbelok ki ri maupun kanan. Salah satu cara
yang dapat dilakukan untuk mendekati gerak belok ideal adalahdengan melakukan anali sa kinematik tiap li nk steering
Pada tugas akhi r i ni dil akukan anali sa secara kinematis spatial
untuk sistem kemudi rack and pini on pada mobil . Dari analisa
ki nematis ini didapatkan besarnya steering err or yang terj adi pada
sistem kemudi. Steeri ng err or i tu sendir i bisa didapatkan pada
penempatan r ack and pin ion, panjang tie rod serta besarnya sudut
steering arm yang terbentuk. Dengan mengabaikan besarnya sudut
kingpin dan pengaruh suspensi maka sistem kemudi ini
dimodelkan dalam bentuk anali sa spatial untuk mendapatkan hasil
dan data yang lebih baik dari perhitungan sebelumnya yang
menggunakan kinematis planar. Sebagai tambahan dalam analisa
in i j uga dapat membantu untuk meredisign chasis dan kabin pada
kendaraan mul tiguna pedesaan in i.
Perhit ungan dari analisa kinematis spatial in i mendapatkan nil ai
dari steering err or min imum aki bat dari var iasi penempatan rack,
perubahan sudut steeri ng arm serta pengaruh camber 10dan caster
pada roda kemudi .
.Kata Kunci : Ackerman, Rack and Pinion, Steeri ng Arm, Steeri ng
li nkage, Tie rod
I.
PENDAHULUAN
ndonesia yang merupakan negara berkembang saat ini
sedang mencoba mengembangkan teknologi otomotifnyamelalui PT. INKA (Industri Kereta Api) dengan
meluncurkan sebuah mobil dalam segmen micro car yang
bernama GEA yang merupakan kependekan dari Gulirkan
Energi Alternatif. Seiring dengan perkembangan teknologi
tersebut banyak hal yang harus ditinjau untuk mengedepankan
faktor keamanan dan kenyamanan. Meninjau dari faktor
keamanan, penelitian dilakukan dengan mengamati sistem
kemudi pada kendaraan ini. Sistem kemudi ini merupakan
salah satu sistem yang terdapat pada chasis kendaraan yang
berfungsi untuk merubah arah kendaraan dan laju kendaraan.
Perubahan arah ini dilakukan dengan membelokkan roda-roda
depan kendaraan dan menjaga agar posisi tetap stabil. Cara
kerjanya adalah saat roda-roda kemudi (steering wheel) di
gerakkan atau diputar, kolom kemudi (steering colomn)
kemudian meneruskan putaran ke putaran roda gigi kemudi
(steering gear). Steering gear ini berfungsi untuk meperbesar
momen putar sehingga menghasilkan tenaga yang lebih besar
untuk menggerakkan roda depan melalui sambungan-
sambungan kemudi (steering linkage). Pada saat sudut belokyang diberikan pengemudi terhadap kemudinya sama dengan
sudut yang dialami kendaraan, maka kondisi ini ideal atau
ackerman. Dalam hal ril ternyata kondisi ini sangat sulit
ditemukan, karena untuk mendapatkan kondisi ideal atau
ackerman kendaraan harus berada dalam kecepatan yang
sangat rendah.
Jenis sistem kemudi itu sendiri sampai sekarang ini
dibedakan menjadi sistem kemudi manual dan sistem kemudi
power steering. Sistem kemudi manual itu sendiri juga
mempunyai model recirculating ball dan model rack and
pinion. Model recirculating ball biasanya digunakan pada
kendaraan dengan tipe ukuran penumpang menengah sampai
besar serta pada kendaraan komersil. Tipe rack and pinion
lebih banyak digunakan untuk kendaraan dengan ukuran
penumpang kecil sampai menengah. Dalam tugas akhir ini,
dilakukan analisa pada tipe sistem kemudi manual yang
menggunakan tipe rack and pinion. Tipe ini dipilih karena
mempunyai konstruksi ringan dan sederhana serta pemindahan
momen relatif lebih baik sehingga lebih ringan digunakan
dibandingkan dengan tipe recirculating ball.
II. METODOLOGIPENELITIAN
Pada penyusunan Tugas Akhir ini prosedur penelitian
dilakukan dalam tiga tahap. Tahap awal dari penelitian ini
adalah melakukan analisa-analisa dengan sumber studi
literatur terhadap buku, jurnal, dan penelitian terdahulu
tentangsteering systempada sebuah mobil
Tahap yang kedua adalah penentuan jenis mobil yang
akan dijadikan obyek penelitian. Kendaraan yang akan
dianalisa dalam penelitian kali ini adalah kendaraan perkotaan
produksi dalam negeri yaitu mobil GEA(Gulirkan Energi
Alternatif) produksi PT. INKA.
ANALISA KINEMATIK SPATIAL UNTUK RACK AND PINION PADAKENDARAAN MULTIGUNA PEDESAAN (GEA)
Michael P.O.F. Manalu dan Unggul Wasiwitono
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111E-mail: [email protected]
I
-
7/21/2019 Analisa Steering kemudi
2/4
2
Steering armTie Rod
RACK AND PINIONTie Rod
Wheel Axis
h
l
Camber
WHEEL
r
Pada tahap selanjutnya atau tahap terakhir ini setelah
didapatkan data spesifikasi dari GEA dilakukan analisa
kinematiksteeringpada kendaraan tersebut. Analisa kinematik
dilakukan dengan pemodelan sistem kemudi sebagai model
spatial. Pemodelan ini melakukan variasi terhadap penempatan
rack, perubahan sudut steering arm serta menambahkan
pengaruh camber10dan caster.
III.
HASILPENELITIAN
A. Steeri ng Geometry
Sebagai langkah awal untuk pembuatan penelitian ini adalah
memasukkan input dan output. Input yang dimasukkan dalam
analisa kinematis ini berasal dari data-data pemodelan berupa:
1. Panjang Tie rod : 36.5 cm
2.
Panjang Steering arm : 12.6 cm
3. Panjang rack and pinion : 64.5 cm
4. Sudutsteering arm : 109,180
Hasil data yang diambil dari objek penelitian akan dilakukan
analisa kinematis secara spatial dan akan mendapatkan output
yang berupa besarnyasteering erroryang dihasilkan dari data
awal spesifikasi sistem kemudi.
Gambar 1. Hubungan sudut pada saat ackerman
Dalam mendapatkan kondisi dimana ban dalam
keadaan rolling sempurna dan keausan ban dapat dikurangi
kendaraan harus dapat mendekati keadaan ackerman. Pada
gambar 1. digambarkan ketika kendaraan kendaraan melaju
dengan kecepatan yang sangat rendah. Titik pusat dari roda
akan bertemu pada satu titik O[1] dan hubungan antara
sudut luar roda o dan sudut dalam roda iberdasarkan prinsip
ackerman[2] dituliskan sebagai berikut :
oA = tan-1
(1)
Tujuan dari analisa kinematik planar ini adalah untukmengetahui dimensi dari steering linkagedan untuk mencari
penempatan rack and pinionagar mendapatkan hargasteering
erroryang minimum. Steering errormerupakan selisih antara
sudut outer roda depan dengan sudut outer aktual. Untuk
perumusan nya dapat dituliskan sebagai berikut :
SE = |oA- 0| (2)
Sudut ldan r merupakan sudutsteering armyang terbentuk
akibat pergerakan belok pada roda depan, dengan
mengkondisikan roda lurus maka l = r= 0. Sedangkan sudut
steering arm nya menjadi l0 dan r0 , sehingga didapatkan
hubungan menjadi :
l = l - lo (3)
r = r - r0
B. Analisa Spatial
Dengan mengasumsi kendaraan berbelok ke kiri maka
l=i dan r=o serta hubungan antara l dan rditunjukkanoleh gambar 2. Pada gambar terlihat bahwa besarnya steering
error meningkat ketika dilakukan penambahan sudut putar
pada roda. Dalam hasil perhitungan sebelumnya[3] didapatkan
bahwa besarsteering erroryang terjadi berada pada 4.50
Gambar 2. Perbandingan antara sudut aktual roda dengan
sudut Ackerman roda dan steering error
Pada perhitungan kinematis planar perbandingan antara sudut
inner pada roda (r ) dan sudut outer (l) secara aktual, tren
grafik yang ditunjukkan mendekati tren linear. Untuk
pemodelan kinematis yang sama dilakukan perhitungan secara
kinematis spatial untuk melihat tren grafik yang terjadi pada
sudut aktual roda tersebut.
Gambar 3. Pemodelan Steer ing System
Dari gambar 3. Pemodelan spatial dilakukan dengan
menggunakan software kinematik dimana steering arm
dihubungkan dengan revolute joint dan menggunakan ball
joint sebagai penghubung ke tie rod. Rack and pinion itu
sendiri dimodelkan dengan bentuk perismatik dandihubungkan dengan tie rod menggunakan ball joint.
Perhitungan untuk sudut aktual pada roda dilakukan dengan
persamaan (3). Simulasi yang dilakukan dengan memasukkan
input berupa force (gaya) untuk waktu dengan range 0 - 0.4
sec sehingga mendapatkan sudut belok yang diinginkan yaitu
sebesar 300. Nilai output yang didapatkan berupa sudut yang
pada steering armdan perhitungan untuk mendapatkan sudut
aktual pada roda menggunakan persamaan (3). Nilai lo dan
r0merupakan sudut awal padasteering arm, sementara untuk
-
7/21/2019 Analisa Steering kemudi
3/4
3
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40
l
r
aktual
ackerman
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40
Steering
error(SE)-
degree
r (degree)
Steering Error Spatial Vs Planar
Spatial
Planar
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40
Steering
error(SE)-
degree
r (degree)
Steering Error (sumbu "y")
(+) 5 cm
(+) 4 cm
(+) 3 cm
(+) 2 cm
(+) 1 cm
(-) 1 cm
(-) 2 cm
(-) 3 cm
(-) 4 cm
(-) 5 cm
posisi awal
0
1
2
3
4
0 5 10 15 20 25 30 35
Steering
error(SE)-
degree
r (degree)
SE dengan penempatan rack (sumbu "Z")(+) 1 cm
(+) 2 cm
(+) 3 cm
(+) 4 cm
(+) 5 cm
(-) 1 cm
(-) 2 cm
(-) 3 cm
(-) 4 cm
(-) 5 cm
posisi
awal
ldan rmerupakan sudutsteering arm yang terbentuk akibat
dari force untuk range waktu 0 0.4 sec. Hasil yang
didapatkan akan membentuk sudut aktual dan sudut ackerman
dimana selisihnya merupakan nilai daristeering error.
C. Steering Error
Berdasarkan pengambilan pada kendaraan, maka untuk
menganalisa steering error yang terjadi dapat dilakukandengan persamaan (2). Perhitungan error ini dapat dilakukan
dengan mengasumsikan kendaraaan berbelok ke kanan
sehingga didapatkan persamaan pada roda adalah l= odan
r = i. Hubungan dari o dengan i aktual dibandingkan
dengan sudut belok ideal yang sesuai dengan prinsip
ackermanyang ditunjukkan pada gambar 4. di bawah ini.
Gambar 4. perbandingan sudut aktual dengan sudut ackerman pada
kondisi kendaraan belok kanan
Gambar 4. Menunjukkan tren line grafik yang menunjukkan
sudut belok yang dihasilkan oleh sistem kemudi secara aktual
dengan sudut belok ideal yang didapatkan dari prinsip
ackerman. Selisih dari sudut belok tersebut adalah steeringerror.
Gambar 5. Steering err orpada kondisi belok kanan
Gambar 5. menunjukkan bahwa sistem kemudi mempunyai
steering error pada saat kendaraan berbelok. Hal ini
ditunjukkan pada grafik perbandingan antara sudut belok yang
dihasilkan roda bagian luar dan roda bagian dalam secara
aktual dengan prinsip gerak belok ideal ackerman. Dari
perhitungan kinematik spatial diketahui bahwa besarnya
steering error yang terjadi pada sistem kemudi sebesar
2.70410. Pada penelitian sebelumnya, dengan analisa planar
untuk dimensi yang sama dengan posisi tinggi rack14,7 cm di
dapat nilaisteering error yaitu 4,50. Hal yang menyebabkan
perbedaan ini disebabkan tingkat ketelitian pada saat
perhitungan
D.
Steeri ng error dengan variasi h
Gambar 6. Steering err or akibat variasi perpindahan rack ke arah
sumbu y
Pada gambar 6 terlihat bahwa adanya pengaruh variasi
ketinggian terhadapsteering error. Dari analisa perhitungan di
atas terlihat bahwa steering erroryang paling kecil pada saat
posisi rackditurunkan sejauh 5 cm dari posisi semula. Dengan
demikian maka posisi yang tepat untuk posisi rack berada
pada ketinggian 9.7 cm. Penurunan racksejauh 5 cm tersebut
membuat pengurangan dimensi panjang pada tie roddari 36.5
cm menjadi 36.456 cm dan memiliki nilai steering error
sebesar 0.79740.
Gambar 7. Steering errorakibat variasi perpindahan rackke arah
sumbu z
Gambar 7 menunjukkan bahwa steering error yang
terjadi dari perpindahan rack terhadap sumbu z ini
memberikan pengaruh yang kecil. Hal ini terlihat perbedaan
yang signifikan jika steering error ini dibandingkan dengan
-
7/21/2019 Analisa Steering kemudi
4/4
4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
0 10 20 30 40
Steerirng
Error(SE)
r (degree)
SE variasi sudut(-) 5 derajat
(-) 4 derajat
(-) 3 derajat
(-) 2 derajat
(-) 1 derajat
(+) 1 derajat
(+) 2 derajat
(+) 3 derajat
(+) 4 derajat
(+) 5 derajat
Posisi awal
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 5 10 15 20 25 30
Steerirng
Error(SE)
r (degree
Pengaruh camber 10, caster terhadap steering error
Chamber
(+) 1 cm
(+) 2 cm
(+) 3 cm
posisi rack
minimum
steering error dengan variasi terhadap sumbu Y. Variasi
penempatan rack terhadap sumbu Z ini memberikan
steering errorminimum dengan menempatkan ke arah positif
sebesar 5 cm dengan nilai steering error yang diberikan
adalah 2.92380. Perubahan dimensi pada tie rod ini sebesar
36,748 cm.
Gambar 8. Steering error akibat variasi perubahan sudut steering arm
terhadap penempatan rack
Dari gambar 8 menampilkan variasi steering error yang
terjadi akibat perubahan sudut pada steering arm. Dari variasi
yang dilakukan tentu akan membuat nilai dari dimensi tie rod
akan bervariasi juga. Dari tren grafik di atas semakin besar
sudut steering arm maka nilai dari steering error akan
semakin besar pula. Hal ini terlihat bahwa dengan
menambahkan 50 terhadap sudut steering arm (l) menjadi
114.180dan memberikan nilaisteering erroryang paling kecil
dari variasi tersebut sebesar 0,14680. Memperbesar sudut
steeringpada armtentu akan memperbesar dari dimensi padapanjang tie rodmenjadi 37.74 cm dimana dapat memberikan
pengaruh yang besar dari nilai steering error. Bertambah
panjangnya dimensi pada tie rod akan mempermudah gerak
belok dari roda depan sehingga nilai minimum dari nilai
steering errordapat diperoleh.
Gambar 9. Steering erroruntuk variasi casterdengan sudut camber10
Gambar 9 menunjukkan bahwa tren grafik untuk posisi 1
sampai 3 cm berada tepat pada grafik posisi semula. Hal ini
dikarenakan untuk steering error yang akibat adanya caster
negatif yang bernilai 1 sampai 3 cm hanya memberikan nilai
error yang sangat kecil sekali. Dengan demikian dapat
dikatakan bahwa untuk sistem kemudi yang mempunyai caster
dan camber tidak memberikan pengaruh yang signifikan
terhadapsteering error. Jika keadaan ini dibandingkan dengan
posisi rack yang memberikan nilai steering error minimum
maka pengaruhnya akan terlihat besar
IV.
KESIMPULANDari analisis yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa
kesimpulan sebagai berikut:
1.
Pada analisa kinematis spatial pada sistem
kemudi ini, jarak rack ke sumbu axis roda (h),
panjang tie rod(la) sudut steering arm () sudut
chamberdan posisi ban merupakan faktor yang
berpengaruh terhadap steering error (SE).
Penempatan racklebih dekat dengan sumbu axis
roda menambah panjang tie rod dan
memperbesar sudut steering arm dapat
meminimalkansteering eror.
2.
Dari hasil variasi h terhadap sudut axis roda
didapatkan nilaisteering errorminimum sebesar
0.79000 dengan menghasilkan spesifikasi baru
sebesar
Tie rod (lt) = 36.7482 cm
Jarak rack ke sumbu axis roda (h) =
9.7 cm
Maksimum sudut belok rata rata
roda depan (sudut inner) =
30.70580
3.
Dari hasil variasi h yang memberikan nilai
Steering error minimum yang divariasikan lagiterhadapsteering armdidapatkan posisisteering
arm dinaikkan sejauh 5 cm dan mendapatkan
panjang tie rod 36.55 cm
4. Pengaruh variasi caster (posisi ban) dengan
camber 10 memberikan pengaruh yang kecil
terhadap steering error, akan tetapi pengaruh
tersebut akan besar jika dibandingkan dengan
posisi rack yang memberikan nilai error
minimum.
DAFTAR PUSAKA
[1] Sutantra, I. Nyoman, Teknologi Otomotif, Teknik
Mesin ITS, Surabaya, 1999.
[2]A.Rahmani Hanzaki,P.V.M. Rao, S.K. Saha,Kinematic
and Sensitivity Analysis and Optimization of PlanarRack and Pinion Steering Linkages. Mechanism and
Machine Theory, 44:42-56, 2009
[3] U.Wasiwitono,A.S Pramono and Yohanes, Kinematic
Analysis of Rack and pinion Steering System of RuralMulti purpose Vehicle, October 2012