SIDANG TUGAS AKHIR - digilib.its.ac.id · JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012 SIDANG TUGAS AKHIR Dosen Pembimbing :
Post on 09-Sep-2019
11 Views
Preview:
Transcript
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA 2012
SIDANG TUGAS AKHIR
Dosen Pembimbing : DR. Eng. Harus Laksana Guntur, ST. M.Eng
PEMODELAN DAN ANALISA REGENERATIVE SHOCK ABSORBER (RSA) PADA SISTEM SUSPENSI KENDARAAN MILITER RODA BAN
Oleh : Tidy Budiarto NRP. 2108100074
2
PENDAHULUAN
3
Kendaraan militer Alternator
Meningkatkan konsumsi bahan
bakar RSA
Kebutuhan listrik
o LATAR BELAKANG
4
1. Bagaimana konsep RSA yang akan dipasang pada Armoured personnel carrier (APC).
2. Berapa besar energi yang dapat dipanen dengan menggunakan RSA pada sistem suspensi kendaraan APC ketika sedang berjalan.
3. Bagaimana pengaruh penambahan RSA pada respon bodi kendaraan APC.
o PERUMUSAN MASALAH
5
1. Mendesain dan memodelkan konsep RSA pada APC.
2. Mensimulasikan dan menganalisa energi yang mampu dihasilkan oleh RSA.
3. Mensimulasikan dan menganalisa pengaruh penambahan RSA terhadap respon bodi kendaraan.
o TUJUAN PENELITIAN
6
1. Kecepatan kendaraan bernilai konstan untuk pemodelan time response.
2. Kendaraan yang dimodelkan adalah Transportpanzer (Fuchs) APC.
3. Energi yang dianalisis hanya energi yang dipengaruhi oleh redaman pada sistem suspensi.
o BATASAN MASALAH
7
1. Menyediakan data potensi energi yang dapat diambil pada sistem suspensi kendaraan pada kondisi jalan dan kecepatan tertentu.
2. Menyediakan data pengaruh penggunaan RSA pada respon gerak kendaraan pada kondisi jalan dan kecepatan yang telah ditentukan.
o MANFAAT PENELITIAN
8
TINJAUAN PUSTAKA
9
Prof. Lei Zuo – New York State University • Hanya 10-16 persen energi bahan bakar yang efektif digunakan
untuk mendorong kendaraan. • RSA dapat meningkatkan efisiensi kendaraan sebesar 10 persen
dari total losses pada idling sebesar 17,2 persen
10
Regenerative Shock Absorber oleh Prof.Lei Zuo Mengembangkan : • Linier elektromagnetik absorber - 64 Watt (1 shock
absorber) • Rorational absorber - 80 Watt (1 shock absorber)
Hydraulic Regenerative Shock Absorber – MIT dapat membangkitkan daya setidaknya 200 W untuk 1 shock absorber
Piezoelectric Regenerative Shock Absorber -Marcos Arizti peredam kejut ini dapat menghasilkan tegangan listrik sekitar 0,01759 Volt
11
Electromagnetic Suspension oleh Bart L.J.Gysen Eindhoven University of Technology bekerjasama dengan BMW dan SKF Prinsip alat ini hampir sama dengan Linear Electromagnetic Absorber oleh Prof.Lei Zuo
Regenerative Shock Absorber oleh Mahasiswa ITS
VERS I VERS II VERS III & IV
12
Secara umum getaran dapat didefinisikan sebagai gerakan bolak-balik suatu benda dari posisi awal melalui titik keseimbangannya. Derajat Kebebasan: o Single DOF o Multi DOF
1 DOF 2 DOF
o MEKANIKA GETARAN
13
o Translasional Mechanical System
Persamaan FBD1: Mv
Mw
Kv Cv
Kw Cw
Y(t)
X2
X1
MwX1
MvX2
Persamaan FBD2:
o Rotational Mechanical System Persamaan FBD1:
Persamaan FBD2:
14
Persamaan gerak:
Dengan eksitasi input:
Sehingga persamaan menjadi
Dengan solusi umum:
M
K C
Y(t)
X
Base
m X
o Motion of Base
15
Persamaan state variabel:
pemodelan dengan state space:
dan Dengan input:
koefisien dari matrik tersebut dituliskan :
Sehingga dari matrik-matrik di atas, menjadi persamaan
o Penyelesaian multi DOF dengan state space
16
Bode diagram adalah suatu cara menggambarkan respon frekuensi system , yang menghasilkan grafik magnitude dan sudut fase. Untuk menggambarkan bode diagram sendiri dapat menggunakan open loop transfer function atau dengan state space.
o Pemodelan Frequency Response (dengan metode Bode Diagram)
17
o Kemampuan Manusia Menerima Akselerasi Instan
Gambar dibawah menunjukkan batas kemampuan manusia dalam menerima akselerasi instan.
18
APC adalah kendaraan tempur lapis baja ringan yang dibuat untuk mentransportasikan infanteri di medan perang.
o Armoured personnel carrier - APC
19
METODOLOGI
20
Diagram alir tugas akhir secara global
21
Diagram alir pemodelan matematis
22
Permodelan seperenam APC (2 dof)
Mv
Mw
Kv 100% Cv
Kw Cw
Y(t)
X2
X1
Mv
Mw
Kv 50%Cv 50%
RSA
Kw Cw
X2
X1
Y(t)
Mv
Mw
Kv 100%RSA
Kw Cw
X2
X1
Y(t)
X1-X2
up
down
R1
R1R2
R2 R4
R5
R6
J1
J3
J4
J5
J6
Bg
R3
B2
B2 B3
B6K1
K1 K2
K3
B1
B1 B4
B5J1
J2
J2
Mv
Mw
Kv CvRSA
Kw Cw
Y(t)
X2
X1
Permodelan seperenam APC dengan RSA (5 dof)
23
Diagram alir pemodelan pada Matlab
24
Parameter kendaraan APC dan RSA Model parameter Symbol (unit) Transportpanzer (Fuchs) APC
Berat total kendaraan mv (kg) 17 000 Berat ban mw (kg) 315 Jumlah ban Nw 6 Suspension spring stiffness kv (N.m-1) 4.40x105 Tyre compliance kw (N.m-1) 1.25x106 Suspension damping tanpa RSA cv (N.s.m-1) 1.25x104 Tyre damping cw (N.s.m-1) 2860 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 Damping coefficient ball bearing 1&2 B1 & B2 (N.s.m/rad) 0,000902 Damping coefficient ball bearing 3&4 B3 & B4 (N.s.m/rad) 0,000651 Damping coefficient ball bearing 5&6 B5 & B6 (N.s.m/rad) 0,000210 Damping coefficient of generator dengan 50% RSA Bg1 (N.s.m/rad) 0,7489 Damping coefficient of generator dengan 100% RSA Bg2 (N.s.m/rad) 1,4978 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 Momen inersia generator J6 (kg.m2) 2,9707x10-2
25
Kesimpulan dan saran
1. Perbandingan respon bodi sebelum dan sesudah menggunakan RSA. 2. Perbandingan respon gerak antara bodi dan roda kendaraan. 3. Energi terserap oleh RSA
o Analisa Hasil
26
PEMODELAN SISTEM
27
o Pemodelan Matematis Seperenam Kendaraan APC tanpa RSA (2 dof)
Persamaan FBD1: Mv
Mw
Kv Cv
Kw Cw
Y(t)
X2
X1
MwX1
MvX2
Persamaan FBD2:
28
o Pemodelan Matematis Seperenam Kendaraan APC dengan RSA (5 dof)
X1-X2
up
down
R1
R1R2
R2 R4
R5
R6
J1
J3
J4
J5
J6
Bg
R3
B2
B2 B3
B6K1
K1 K2
K3
B1
B1 B4
B5J1
J2
J2
Mv
Mw
Kv CvRSA
Kw Cw
Y(t)
X2
X1
MwX1
MvX2
FBD untuk sistem translasi
Persamaan FBD1:
Persamaan FBD2:
29
FBD untuk sistem rotasi Dari FBD disamping, secara berturut-turut didapatkan:
30
31
Keterangan:
32
o M-file Matlab
m-file pada Matlab berisi : - nilai dari parameter yang digunakan, - matrik state space dan input, - matrik output, dan - matrik identitas
33
o Simulink Matlab
34
HASIL DAN ANALISA
35
o Step input
profil eksitasi impuls
0 1 2 3 4 5-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
time (s)
Y ro
ad (m
)
36
o Step input
0 1 2 3 4 5-2
-1
0
1
2
3
4
time (s)
velo
city
(m/s
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 1 2 3 4 5-40
-20
0
20
40
60
80
time (s)
acce
lera
tion
(m/s
2)
50% RSA100% RSAwithout RSA
Respon bodi
Respon relatif bodi dengan roda
0 1 2 3 4 5-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
time (s)
disp
lace
men
t (m
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 1 2 3 4 5-4
-2
0
2
4
6
8
time (s)
velo
city
(m/s
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 1 2 3 4 50
0.1
0.2
0.3
0.4
time (s)
disp
lace
men
t (m
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
37
o Step input
Respon putaran generator
Daya yang dihasilkan
0 1 2 3 4 50
50
100
150
200
250
time (s)
angu
lar v
eloc
ity (r
ad/s
)
50% RSA100% RSA
0 1 2 3 4 50
1
2
3
4
5x 104
time (s)
angu
lar a
ccel
erat
ion
(rad
/s2)
50% RSA100% RSA
0 1 2 3 4 50
0.5
1
1.5
2x 105
time (s)
pow
er (w
att)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 1 2 3 4 50
5000
10000
15000
time (s)
pow
er (w
att)
50% RSA100% RSA
Daya terdisipasi
Daya generator
38
o Sinusoidal input
Profil eksitasi sinusoidal
0 1 2 3 4 5 6
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
X (m)
Y ro
ad (m
)
Sumber eksitasi sinusoidal
0 0.5 1 1.5 2-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
time (s)
Y ro
ad (c
m)
0 0.5 1 1.5 2-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
time (s)
Y ro
ad (m
)
0 0.5 1 1.5 2-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
time (s)Y
road
(cm
)
39
o Sinusoidal input kec. 20km/jam
Respon bodi
Respon relatif bodi dengan roda
0 2 4 6 8 10-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
time (s)
disp
lace
men
t (m
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-3
-2
-1
0
1
2
time (s)
velo
city
(m/s
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-20
-10
0
10
20
time (s)
acce
lera
tion
(m/s
2)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
time (s)
disp
lace
men
t (m
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
time (s)
velo
city
(m/s
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
40
o Sinusoidal input kec. 20km/jam
Respon putaran generator
Daya yang dihasilkan
0 2 4 6 8 100
10
20
30
40
50
60
time (s)
angu
lar v
eloc
ity (r
ad/s
)
50% RSA100% RSA
0 2 4 6 8 100
1000
2000
3000
4000
time (s)
angu
lar a
ccel
erat
ion
(rad
/s2)
50% RSA100% RSA
0 2 4 6 8 100
1000
2000
3000
4000
5000
time (s)
pow
er (w
att)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 100
200
400
600
800
time (s)
pow
er (w
att)
50% RSA100% RSA
Daya terdisipasi
Daya generator
41
o Sinusoidal input kec. 40km/jam
Respon bodi
Respon relatif bodi dengan roda
0 2 4 6 8 10-1
-0.5
0
0.5
1
time (s)
disp
lace
men
t (m
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-10
-5
0
5
10
time (s)
velo
city
(m/s
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-100
-50
0
50
100
time (s)
acce
lera
tion
(m/s
2)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-1
-0.5
0
0.5
1
time (s)
disp
lace
men
t (m
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-10
-5
0
5
10
time (s)
velo
city
(m/s
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
42
o Sinusoidal input kec. 40km/jam
Respon putaran generator
Daya yang dihasilkan
0 2 4 6 8 100
50
100
150
200
time (s)
angu
lar v
eloc
ity (r
ad/s
)
50% RSA100% RSA
0 2 4 6 8 100
2000
4000
6000
8000
10000
time (s)
angu
lar a
ccel
erat
ion
(rad
/s2)
50% RSA100% RSA
0 2 4 6 8 100
0.5
1
1.5
2x 105
time (s)
pow
er (w
att)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 100
2000
4000
6000
8000
time (s)
pow
er (w
att)
50% RSA100% RSA
Daya terdisipasi
Daya generator
43
o Sinusoidal input kec. 60km/jam
Respon bodi
Respon relatif bodi dengan roda
0 2 4 6 8 10-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
time (s)
disp
lace
men
t (m
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-10
-5
0
5
10
time (s)
velo
city
(m/s
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-150
-100
-50
0
50
100
150
time (s)
acce
lera
tion
(m/s
2)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
time (s)
disp
lace
men
t (m
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
0 2 4 6 8 10-6
-4
-2
0
2
4
6
time (s)
velo
city
(m/s
)
50% RSA100% RSAwithout RSA
44
o Sinusoidal input kec. 60km/jam
Respon putaran generator
Daya yang dihasilkan
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
time (s)
angu
lar v
eloc
ity (r
ad/s
)
50% RSA100% RSA
0 2 4 6 8 100
0.5
1
1.5
2x 104
time (s)
angu
lar a
ccel
erat
ion
(rad
/s2)
50% RSA100% RSA
0 2 4 6 8 100
2
4
6
8
10x 104
time (s)
pow
er (w
att)
50% RSA100% RSAwithout RSA
Daya terdisipasi
Daya generator
45
o Frekuensi respon
Respon bodi
46
o Frekuensi respon
Respon relatif bodi dengan roda
47
o Frekuensi respon
Respon Kecepatan Putaran Generator
48
KESIMPULAN
1. Pada respon perpindahan akibat eksitasi impulsif (input step), model tanpa RSA
memiliki nilai lebih tinggi dibandingkan dengan model 50% RSA dan 100% RSA.
Sedangkan respon kecepatan dan percepatan, model tanpa RSA memiliki nilai
lebih rendah dibandingkan dengan model 50% RSA dan 100% RSA. Waktu untuk
stabil tanpa RSA lebih lama dibandingkan dengan 50% RSA dan 100% RSA.
2. Daya yang dihasilkan oleh generator dengan model 100% RSA akibat eksitasi
impulsif (input step) memiliki nilai yang lebih tinggi dibandingkan dengan 50%
RSA.
3. Pada respon (perpindahan, kecepatan, dan percepatan) akibat eksitasi
sinusoidal, model tanpa RSA memiliki nilai paling tinggi diikuti dengan model 50%
RSA dan 100% RSA pada kecepatan 20 km/jam dan 40 km/jam. Sedangkan
respon pada kecepatan 60 km/jam, model dengan 100% RSA memiliki nilai
paling tinggi diikuti dengan model dengan 50% RSA dan tanpa RSA.
49
4. Daya yang dihasilkan oleh generator dengan model 100% RSA akibat eksitasi
sinusoidal memiliki nilai yang lebih tinggi dibandingkan dengan 50% RSA. Yaitu,
dengan 50% RSA sebesar 200-22000 watt dan dengan 100 % RSA sebesar 200-
37000 watt pada kecepatan 20-60 km/jam. Akan tetapi untuk 100% RSA pada
kecepatan 60 km/jam, kendaraan telah tidak aman dikarenakan percepatan bodi
telah melewati batas aman yaitu sampai dengan 100 m/s2.
5. Frekuensi natural dari sistem tanpa RSA adalah 10,65 rad/s (kecepatan
kendaraan 36,63 km/jam dengan λ=6 m), dengan 50% RSA ada dua frekuensi
natural yaitu pada 9.5 rad/s dan 24,7 rad/s (kecepatan kendaraan 32,67 km/jam
dan 84,95 km/jam dengan λ=6 m), dan dengan 100% RSA adalah 20 rad/s
(kecepatan kendaraan 68,78 km/jam dengan λ=6 m).
6. Pada frekuensi 0 sampai 11,5 rad/s, respon bodi kendaraan dengan tanpa RSA
paling tinggi diikuti 50% RSA dan 100% RSA. Setelah itu sampai frekuensi 14
rad/s, respon bodi dengan 100% RSA lebih tinggi dari 50% RSA. Kemudian
sampai dengan frekuensi 15 rad/s, respon bodi dengan 100% RSA paling tinggi
diikuti tanpa RSA dan 50% RSA. Setelah frekuensi 15 rad/s, respon bodi dengan
100% RSA paling tinggi diikuti dengan 50% RSA dan tanpa RSA.
50
7. Pada analisa daya dengan frequency response, potensi daya yang dihasilkan
dengan 50% RSA memiliki nilai yang lebih baik dari 100% RSA. Hal ini
didasarkan pada nilai kecepatan generator yang dihasilkan dengan 50% RSA
lebih tinggi dari 100% RSA, akan tetapi pada kesimpulan ini tidak diperhitungkan
nilai redaman dari generator.
8. Dengan menggunakan 50% RSA memiliki hasil yang lebih baik dari 100% RSA.
Hal ini didasarkan pada nilai respon bodi yang lebih mendekati suspensi semula
dan nilai daya yang dihasilkan tidak terlalu jauh berbeda antara 50% RSA dan
100% RSA.
9. Respon bodi dengan menggunakan RSA memiliki nilai yang lebih rendah dari
suspensi semula pada umumnya, walaupun pada perencanaan redaman dibuat
bernilai sama dengan semula. Hal ini dikarenakan pada perencanaan kita tidak
memperhitungkan inersia losses dari sistem rotasi yang dapat mengakibatkan
terbuangnya energi sehingga meningkatkan redaman.
51
SARAN
1. Disarankan pada penelitian selanjutnya inersia losses juga diperhatikan untuk
menentukan redaman generator, sehingga respon bodi dengan RSA tidak begitu
jauh dari respon bodi dengan suspensi semula.
2. Disarankan pada penelitian selanjutnya dilakukan kontrol pada simulasi untuk
mengontrol besar defleksi shockabsorber, sehingga hasil simulasi dapat
mendekati keadaan sebenarnya.
3. Pada input sinusoidal, pada kenyataanya roda tidak mengikuti kontur jalan atau
melayang jika kecepatan kendaraan tinggi, hanya pada kecepatan rendah saja
roda mengikuti kontur jalan, sehingga pada penelitian selanjutnya perlu ditinjau
lebih detail lagi tentang input sinusoidal untuk kecepatan tinggi.
52
Daftar Pustaka
1. Zuo, Lei dkk. 2010. Design And Characterization Of An Electromagnetic Energy
Harvester For Vehicle Suspension. New York State University: USA.
2. Arziti, Marcos. 2010. Harvesting Energy From Vehicle Suspension. Tempere
University of Technology: Spanyol.
3. Stobart, R K. 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. Prentice Hall PTR: Miami, USA.
6. Frederick, Close. 1995. Modeling and Analysis of Dynamic System. John Wiley &
Sons : USA.
53
7. Nise, Norman S. 1995. Control System Engineering. John Wiley & Sons : USA.
8. Krylov, V.V dkk. 2011. Calculation of ground vibration spectra from heavy military
vehicles. Loughborough University : Loughborough.
9. Yudhantara, W. 2011. Analisa Dinamika Sistem Suspensi Pada Mobl Perkotaan
Sebelum dan Sesudah Penambahan Mekanisme Vibration Energy Recovery System
(VERS). Teknik Mesin FTI ITS : Surabaya.
10. Gysen, Bart L.J, dkk. 2010. Active Electromagnetic Suspension System for
Improved Vehicle Dynamics. IEEE Transaction on Vehicular Technology vol 59.
11. Zuo Lei and Pei-Sheng Zhang. 2012. Energy Harvesting, Ride Comfort, and Road
Handling of Regenerative Vehicle Suspensions. ASME Journal of Vibrations and
Acoustics.
TERIMAKASIH
MOHON KRITIK SERTA SARAN DEMI KESEMPURNAAN TUGAS AKHIR
top related