NO.6.T'H.U. IUNI1996

A. Pendahuluan

Setiap keudaraan memiliki ciri, perilaku, danpersyaratan stabilitas aerodinamik tersendiri. To-lok ukur perancangan dan operasi kendaraan saatini antara lain kinerja, efisiensi, estetika, ke-nyamanan dan keamanan yang tinggi serta aero-dinamik. Para ahli otomotif sudah membuktikanbahwa ada kaitan antara pertimbangan tahananaerodinamik kendaraan bermotor dengan konser-vasi energi. Daya kehuran mesin yang didapatkanmelalui proses pembakaran dari masukan energi(antara lain bahan bakar) sebagian besar dipakaiuntuk mengatasi tahanan jalan raya, gesekan (a-lan dan mekanis), dan rahanan aerodinamik.

Salah satu faktor aerodinamik yang saat inisangat diperhatikan dalam rangka penghematanenergi dan estetika adalah tahanan aerodinamik.Ketly & Holcombe (1977) telah membuktikanbahwa pada kecepaan sekitar 55 mph, lima putuhpersen dari total daya keluaran mesin dipakai un-tuk mengatasi tahanan aerodinamik. Sementarapengaruh aerodinamik yang bekerja pada kenda-raan dapat dipecahkan menjadi tiga komponengaya dan tiga komponen momen, yaitu : gayatahanen udan (drag), gaya angkat (lift), dan gayasamping (side force), sera momen tukik/angguk(bounching), momen tole}n {gawing), daa momen

PEMANFAATAN HASIL PENELTTIAN NTSAIN BODII,]NTIJK PENGAJARAN AERODINAMIK

Oleh : Budi Tri Siswanto

Abstak

Aerodinamika merupakan matakuliah baru pada Kurikulum Jurdik Oto-

motif 1995 yang disesuaikan. Sebagai matakuliah baru, pembahasan mengenai

tahanan aerodinammik pada kendaraan dan kaitannya dengan konservasi en-

ergi, kinerja mesin, serta e$tetika perlu mendapat porsi yang lebih agar mem-

berikaa wawasan yang komprehensif kepada mahasiswa-

Namun keterbatasan kajian teoretik, hasil elaperimen maupun komputasi

menjadi keudala untuk mencapai tujuan inr. Upaya untuk mengatasi permasa-

hhan itu dapat ditempuh denganmemanfaatkan hasil riset eksperimen dengan

Metoda optimisasi Detil Bodi sebagai bahan ajar. Dengan memvariasikan

berbagai bennrk bodi kendaraan tahap demi tahap, kemudian dicatat peruba-

han besarnya koefisien dragnya akan dapat diketahui bentuk bodi kendaraan

yang optimum.Dengan memanfaatkan hasil riset tersebut, mahasiswa dengan mudah

mengikuti proseS perhituugan tahanan aerodi-namik dan pengaruhnya terhadap

parameter kendaraau lainnya. Dengan cara itu pembahasan tentang tahanatr

aerodinamik dapat lebih menarik.

guling (rolling). Dalam perhitungan tahanan aero-

dinamik kendaraan, ketiga gaya dan ketiga

momen itu perlu mendapat perhatian dalam peug-

ajarannya.Berbagai panmeter yang mempengaruhi tahan-

an aerodinamik pada kendaraan bermotor dapat

diklasifikasikan dalam tiga kelompok : (1) pararne-

ter posisi, yang menyatakan kedudukan kendaraan

terhadap bidang permukaan jalan seperti sudut

serang dan jarak lunas terhadap permukaan jalan,

(Z)panmeter fungsional, yang menyatakan kon-

disi bagian keirdaraan yang mempunyai tugas ter-

tentu seperti radiator terbuka atau terhrtup, lampu

tersembul atau tersembrinyi, kaca jendela terbuka

atau tertutup dan sebagainya, (3) parameter ben-

tuk, yang menyatakan bentuk badan kendaraanyang dapat dikuantifikasikan, seperti kemiringanpennukaan atas, jari jari kelengkungan bodi, dan

iebagainya. Pengaruh berbagai parameter ini pada

tahanan aerodinamik kendaraan sampai saat ini

hanya dapat dipelajari secara lengkap melaluipengujian model atau skala penuh di terowonganuji.

Dalam kurikulum Pendidikan Teknik Otomotif

1995 yang disesuaikan; matakuliah Aerodinamika

merupakan matakuliah baru yang memerlukanpemiliran serius. Keterbatasan kajian teoretik,

hasil eksperimen, maupun komputasi, serta sarana

l4

(buku, jurnal, hasil-hasil penelitian) menjadi ken-dala dalam memberi wawasan kepadamahasiswadalam mempelajari bahasan bahasan dalam sila-bus. Salah satu upaya untuk mengatasi permasa.lahan itu dan memberi wawasan yang lebih ke-pada mahasiswa ialah dengan kajian hasil eksper-imen untuk bahan diskusi.

Dalam indusni ooomotif di Indonesia, pertim-bangan aerodinamik masih menempati urutan be-lakang dibanding pertimbangan lain yang telahdisebut, namun pengajaran tahanan aerodinamikdan upaya-upaya mereduksinya tidak boleh diabai-kan. Analisis tahanan aerodinamik (drag) dapatdilakukan dengan cara : 0eoretik, komputasi, daneksperimen. Persamaan kerja untuk drag inisangat kompleks, penuh dengan ketidaklinierankarena harus mengikutsertakan efek viskositas,dimana efek ini bersifat desipatif disamping me-nyangkut efek perpindahan panas, terrnodinami-ka, dan distribusi tekanan serta adanyajarak lunaskendaraan. Metoda teoretik sangat sulit, apalagi'untuk bentuk geometri yang sangat kompleks(misalnya bodi kendaraan) dan taklurus (non-s treamline). Biasanya pengajaran secara teoretikdengan melakukan penyederhanaa:r, misal denganRayleigh's Formula. Sedang metode komputasi diIndonesia belrrm ada. Program harus dibeli dariluar negeri, harga sangat mahal. Metoda yangpaling mungkin dilakukan adalah dengan eksper-imen. Namun sarana uji di terowongan angin ti-dak dimiliki baik di industri maupun instinrsi pen-didikan. Kesulitan ini dapat teratasi dengan me-manfaatkan hasil-hasil kajian eksperimen dari luarnegeri untuk meqielaskan pengaruh tahanan aero-dinamik (salah satu parameternya adalah Cd -koefisien drag) terhadap berbagai parAmeter me-sin misal kinerja, kemampuan pengendalian, ke-iritan bahan bakar dan lain-lain. Cara ini selainmemerlukan usaha yang lebih sedikit dari duametoda lainnya, juga dapat dilakukan pada keter-batasan saana yang minim.

B" Perkembangan Penghitungan Tahanan Aero-dinamik.

Perkembangan aerodinamik kendaraan berkaitdengan stilisisasi bodi kendaraan. Hasil yang da-pat dicapai ialah dengan "pelancapan" ataupelu-rusan (streamlining),'meski secara umum masihharus diuji pada produksi kendaraan yang dilem-par di pasaran. Indikator ufama pelancapan ini di-tunjukkan dengan besarnya Coefisien of Drag

NO.6.Trr.U. JUNI126

(Cd). Makin besar Cd. makin besar tahananaerodinamik, mobil makin kurang aerodinamis.Demikian sebaliknya, makin kecil angka Cd, ta-hanan aerodinamik makin kecil dan mobil akanlebih aerodinemis.

Thhap awal perkembangan tahanan aerodina-mik dimulai pada awal abad 2O dengan usaha me-ngadopsi langsung berbagai bentuk bodi stream-line dari rekayasa industri lain seperti industrikapal. torpedo, pesawat terbang. Bentuk-bentukkendaraan yang dirancang sangat tak cocok deng-an kondisi jalan yang ada pada saat itu. Kecepatanyang dapat dicapai pada saat iru pada jalan yangjelek dan daya mesin yang rendah menimbulkanberbagai masalah sehingga tahanan udara hanyamemberi efek yang kecil terhadap perubahankecepatan maupun keiritan bahan bakar.

Tahap berikutnya ditandai dengan usaha untukmenerapkan pengetahuan mekanika fluida yangdicapai pada aerodinamika pesawat terbang padarekayasa kendaraan. Tujuannya adalah membuatkendaraan yang aerodinamis. Para perancangpesawat terbang membuat sejumlah bentuk kenda-raan yang hampir semuanya dapat dijalankan dijalan raya, seperti WE Lay, E Emerling, dan WKamm (Hucho, Janssen & Emmelmaw, I975).Hasil yang paling besar adalah apayang sekarangdikenal dengan "Kamm tail". Sukses ini meme-nuhi kebutuhan prinsip kendaraan yang aerodina-mis tanpa panjang yang berlebihan dan bagianbelakang yang memanjang.

Tlrhap ketiga, adalah hasil kemajuan tahapansebelumnya. Pengkajian secara intensif bentukdetil dari keseluruhan bentuk bodi kendaraanmenjadi pilihan utama agar menjadi lebih mem-punyai karakteristik aliran yang baik, tanpa me-ngorbankan bentuk-bentuk tertentu yang sudahstreamline atau aerodinamis. Proses intensifikasiinilah disebut Optimisasi Detil Bodi. Gambar 1menunjukkan perkembangan trend bentuk bodikendaraan pada ketiga tahap tersebut yang dilaku-kan para ahli.

Berdasar evaluasi statistik oleh Hucho, Jans-sen & Emmelmann (1975) dari berbagai mobilEropa yang diproduksi massal dapat disimpulkanbahwa diperlukan pengujian data tertentu jika sua-tu mobil diperhitungkan akurasi penghitungan ni-lai Cd-nya. Penurunan Cd pada awal abad 20 dan0,8 sampai pada Cd - A,46 didorong oleh duahal. Pertama, a\tara Perang Dunia I dan PerangDunia II dimana dibutuhkan mobil yang paqiang,rendah dan halus pada detil. Untuk mengurangi

15

NO.6,TH.U TUNI1996

nilai Cd luasan frontal harus dikurangi, agar re-duksi tahanan aerodinrmik tercapai. Yang keduaredulsi taharan aerodinamik dapat tercapai deng-an memperkenalkan kendaraan nqtch back, fastba& dan sqnre back Qihat gambar 2).

Dengan mengubah berbagai bentuk dan uku-ran bagian tertentu secara bertahap, perubahan Cddicatat. Dari hasil-hasil caatan dapat dilihat ben-tuk dan ukuran yang maaa yang dapat mengu-rangi besarnya koefisien drag.

C. Metoda Optimalisasi Detil Bodi

Me0oda ini dikenalkan oleh Volkswagen WerkAG Jerman berdasar postulat bahwa konsep per-kembangan tahanan aerodinamik dapat berjalantahap demi tahap. Perbaikan aerodinamik dapatdiusahakan hanya dalam bentuk perubahan detil-nya baik dalam rancangan ujung depan (hidungmobil), sayap recik bawah (spoiler), rangka pe-nguat kaca, perunrnan sudut atap belakang, dansebagainya kemudian dilihat pengaruhnya terha-dap pengurangan Cd maupun keiritan bahan ba-kar.

Berdasar penelitian Hucho, Janssen & Em-melmann (1975) yang dilakukan dengan modelskala penuh kendaraan VW 1600 X dengan data :daya mobil 55 kW, berat 1060 kg, dan luasanfrontal (F) 1,77 m2 dan ban radial didapat datasebagai berikut : pada pengendafiBn di kota, pen-gurangan Cd bernrut-turut dari 0,5 (basis) ke Cd0,4, dan Cd 0,3 dapat menghemat bahan bakar 3Vo, dan5 %. Sedang pada pengendaraan di jalan

bebas hambatan perubahan Cd itu akan meng-hemat bahan bakar sampai 10 dan 22 %. Semen-tara pada mobil dengan desain bodi dari kompositmengambil peran penghematan sampai 5 % danlL %. Seeara keseluruhan perubahan Cd signifi-kan terhadap penghematan (lihat gambar 3).

Perancangan hidung kendnraan

Pengaruh bentuk ujung depan hidung mobil padatahanan aerodinamik meqiadi subyek yaqg utamadalam berbagai penelitian untuk meneapkan seb-erapa tingkat pengurangan tahanan aerodinamikyang maksimum dapat dicapai denganoptimisasirancangan hidung kendaraan. Prosedur OptimisasiDetil Bodi dengan menghitung pengurangan Cdyang terjadi seperti gambar 4, penekanan utama-nya pada bentuk mobil ukuran madya. Pada ba-gian kiri dituqjukkan perubahan bentuk yang di-

lakukan sedang reduksi Cd yang terjadi dapat

dilihat pada diagram di bagian kanan'Dengan memvariasikan perubahan-perubahan

detil bodi pada bagian depan kendaraan tahap

demi tahap dapat disimpulkan bahwa perubahan

dari bentuk dasar 1 dengan melakukan modifikasi

A , A + 8 , A + B + C , A + B + C + D , d A N

A+B+C+ D+ E berturut-turut akan menurun-

kan Cd 4 %, L3 Vo, 17 %, 19 Vo,2l % samBaipada bentuk optimum 33 Vo - Dari modifikasi

b"otok, nilai yang optimum yang dapat dicapai

untuk pengurangan tahanan as1sdi namiknya seca-

ra bertahap namun optimis. Dengan kata lain,

secara keseluruhan dapat dilakukan pengurangan

tahanan aerodinamik meski sedikit-sedikit dengan

eksperinen yang teliti.Hasil lain dari konfigurasi Metoda Optimisasi

Detil Bodi bagian depan mobil ini dapat diperiksapada gambar 5.^

Perubahan dari bentuk dasar ke hidung/bodi

mobil dengan berbagai bentuk untuk mencapai

bentuk yang optimum- Pada garis yang tebal

mengambil urunan untuk reduksi Cd t2 %, ke-

mudian berturut-turut 13 %, 13 % dan 14 % '

Dengan metoda ini dapat dicapai bentuk yang op-

timum. Dengan kata lain pengertian optimum ini

merupakan optimisasi yang praktis yang bisa di-

lakukan unfuk mendapatkan Cd yang paling ren-

dah.Sebagai contoh pada pelaksanaan yangse-

sungguhnya dapat diperiksa pada gambar 6'

"Pemancungan" hidung mobil dengan pemajuau

hidung A dan pemasangan sayap recik a' serta

hidung B dan sayap recik b. Dengan penambahan

hidung A d"g B tanpa sayap recik pengurangan

Cd hanya 4 %, sementara dengan kombinasi A +

a, Cd dapat dikurangi ll % dqkombinasi B + b

dapat mengurangi L6 % - Ini menunjutftan bahwa

pengaruh ujung depan sayap recik tidak hanya

Lerdasar efek penutupan/penyelubungan aliran

bawah bodi (yang akan mengurangi kecepatan se-

panjang bawah bodi mobil) tetapi juga pengaruh

atas peruUanan distribusi dan aliran atas dan alir-

an yang lewat sisi sanrping kendaraan.

Pemasangan SaYaP Recik (SPoiIer)

Untuk sayap recik depan, kualitas aliran udara

yang melingkupi pada bagial bawah dan ketebal-

an lapisan batas pada bagian bawah mobil amat

..*ig*g peftulan' Efek sayap recik depan pada

tahanan aerodinanrik dan gaya angkat untuk mo-

t6

bil VW coupe 1600 X Brasil dapat ditihat gambar7 . Dafi pemasangan berbagai sayap recik padaberbagai titik dapat dijelaskan sebagai berikut :

Pada A, dengan sayap recik 20, 40,60 di-banding tanpa sayap recik terjadi penurunan Cdrelatifkecil. Sedang pada B, penurunan tajampada sayap recik 40, sementara pada C turunsedikit (pada 20) kemudian naik dengan tajamdengan pemasangan sayap recik 40 dan 60. pe-ngaruh penu$angan sayap recik tersebut terhadapkoefisien gaya angkat (Cl) dapat dilihat padagambar 7 diagram kiri bawah.Secara signifikan pernasangan sayap recik, akanmenurunkan gaya angkat, sehingga pengendaliankendaraa:r pada jalan raya lebih mantap.

Disamping itu sebagai perbandingan ekstrim,dipasang sayap recik Zs dengan panjang 80, 120,dan 160mm. Cd akan bertambah, Cl akan turundrastis. Sedang pada gambar 7 diagram kananbawah disertakau besarnya gaya angkat pada 3contoh pemasangan sayap recik. Tianpa sayap re-cik, gaya angkat paling besar, dsn pemasangan K1.20 gaya angkat turun. Nanrun dari segi pertim-bangan estetika sayap recik K 120 ini sangat tidakestetik.

Perancangan bagian belakang bodiSalah satu contoh optimisasi bentuk belakang

bodi pada kendaraan notcback dapat dilihatpadagambar 8. Terlihat arJanya pengaruh ketinggianbagasi (z) terhadap Cd. Fada bentuk bagasi dasardengln ketinggian -30 sampai + 100 relatif tidakterjadi perubahan Cd. Elevasi bodi 100 - tr50 ter-jadi penurunan Cd B 7o (dari 0,4 ke 0,3?). Bilabagian belakang dibuat bentuk seperti B (stationwagon), Cdnya 0,38 lebih tinggr 3 % darr bentukA meskipun masih lebih rendah dibanding bentukdasar.

D. Fernanfaatannya untuk pengajaran Aerodi-namika.

Dengan pemanfaatan hasil riset eksperimendengan metode Optimisasi Detil Bodi seperti di-atas, pembahasan tahanan aerodinamik menjadilebih menarik. Perhitungan secara teoretik yaugamat sukar dengan pers:rmaan yang kompleksakan meqiadi mudah dimengerti oleh mahasiswa.Perubahan nilai Cd secara bertahap melalui varia-si berbagai bentuk akan diapresiasi mahasiswadengan antusias. Wawasar mahasiswa akanmen-jadi bertambah dan behl€n tidak mustahil menjadi

NO.6.TH.V JUNI1996

lebih kreatif dalam memahami rryaya-upaya peuu-runan koefisien drag yang pada akhirnya mem-pengaruhi terhadap keiritan bshan balar, estetikamaupun kinerja mesin.

E. Kesirnpulan

Tahanan aerodinamik merupakan salah satutolok ukur perancangan dan operasi kendaraanyang di masa-masa yang akan datang menempatiposisi yang penting. Persamaan kerja yang me-nyangkut tahanan aerodinamik memang kom-pleks, sehingga dalam pengajarannya banyak di-temui kendala diantaranya keterbatasan kajianteoretik, hasil-hasil eksperimen maupun komputa-si. Dengan metoda Optimisasi Detil Bodi, kajiantahanan aerodinamik dan pengaruhnya terhadapparameter kendaraan lainnva dapat lebih mudahdiikuti dan diapresiasi oleh nahasiswa. Denganmemanfatkan data-datariset mengenai hal itu di-harapkan bahasan menjadi lebih menarik.

DA,F'T'AR BACAA.N :

Harijono Djojodihardjo. (1988). Fengaruh Aero-dinemik pada prestasi dxs {inamika kendaraanbermotor. Makalah disampaikan pada Simpo-sirrm Mahasiswa Teknik Mesin III di UI. i 1-15 April 1988.

Hucho, W.H., Janssen, I-.J. & Erunelmann, H.J.(1.975). The Optimization of Body Details - AMethod for reducing the Aerodynamic Dragof Road Vehicles. Automotive Aerodynamics.Selected Papers through 1977. Warrendale :SAE, lnc.

Kelly, Kent B. & Holcombe, Hary J. (1977).Aerodynamics for Body Engineers. Automo-tive Aerodynamics. Selected Papers throughL977. Wnrendale : SAE, Inc.

Wong, J. Y. (1978) . Teory of Ground Vehicles.New York : John Wiley & Sons.

T7

ffiffiShipb Stem AirshiP

o

C'o

p

o

.:

Eoo

o

NA6.TH.U. TUNI1996

fiaabar 1. $erlenbmgan tren{ beatut bsili }*nilaraan

Gaeb*r ]. Sfek peagurangaa fd gaia belritan hahelbatar Pr&a le:brqai P*genilaraan

8*elar ?. Per!*ab*ngaa pengeranEa* dragilalaa beberr.Pr iela0*

€acbrr {, Co*tob tabap 6e*i tahr$wtl€a Sptlaisar! $ttil $CIdl

Yeor of Design

18

-

ffi- EFl*GI \ - E

=PF

:RtI

3trconltred HYss=O!5

=-12oh

= -13'/o

=-13Vo

S**.t*r $. €enrigurasi hldalg *+hii r*trkeeeees! &en teh yaxg opeieu*

Sam3lar $, &e*a6*hae &i€eag *ae epeiler *e$itr

NO6.TH-U,tUM 1996

Sa*bae ?. $eneliileri c*tak eeeada&a* bidengd*ti s;*:lex p*d"r a+i;i3. **li;'*

Sas*ai g. Tajlan;i* tifreca &*l slrv;i.El b+ltni b*gae i

T9

I.( l -13 l-r7 l-r9 -?1

c

oCFo

E

e€€Eqo

C r D

tofm rFdiftsotions

@.@l@"@