Desain Chasis Mobil Listrik
Haryadi, dkk.
Desain Chasis Mobil Listrik Penumpang Perkotaan Haryadi, Undiana Bambang, Kartono Wijayanto Jurusan Teknik Mesin dan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bandung Jln. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga, Bandung INDONESIA E-mail:
[email protected] Abstrak Mobil listrik adalah mobil yang digerakkan menggunakan energi listrik yang disimpan didalam baterai maupun berbagai perangkat penyimpan energi lainnya. Konsumsi energi pada mobil listrik pada kecepatan rendah sangat kecil. Pada motor listrik, kecepatan lambat hanya menyebabkan penurunan kecil dalam efisiensi dibandingkan dengan kecepatan normal. Efisiensi baterai akan cukup stabil di seluruh rentang kecepatan. Hal ini mengindikasikan bahwa mobil listrik memang sesuai untuk transportasi perkotaan. Chasis (frame) adalah bagian kendaraan yang memberikan kekuatan secara struktur dan konstruksi. Sepanjang sejarah kendaraan casis berkembang, sesuai dengan perkembangan teknologi manufaktur dan material. Sejauh ini, dikenal 5 jenis casis yaitu: ladder, cruciform, torque tube back bone, space trust, dan integral structure. Dalam perhitungan konstruksi chasis, ada lima kasus beban dasar untuk dievaluasi: bending, torsi, kombinasi bending dan torsi, lateral, longitudinal. Pada perhitungan struktur casis, pengaruh baban longitudinal kurang signifikan dibanding dengan bending dan torsi. Tulisan ini akan mendiskusikan perancangan chasis untuk mobil listrik penumpang perkotaan.Metode yang digunakan adalah metode elemen hingga (Finite Element Method – FEM) dengan mengevaluasi tegangan ekivalen von Mises, menggunakan perangkat lunak Catia V19.5. Kasus pembebanan yang dievaluasi adalah pembebanan statik, dan dinamik pada torsi maksimum. Terjadi perbedaan yang signifikan atara tegangan pembebanan statik, dan dinamik pada torsi maksimum. Kata kunci: mobil listrik, chasis, FEM, statik, dinamik, torsi maksimum
1
Pendahuluan
Mobil listrik adalah mobil yang digerakkan menggunakan energi listrik yang disimpan didalam baterai maupun berbagai perangkat penyimpan energi lainnya. Mobil listrik pernah popular pada akhir abad ke 19 dan awal abad ke 20. Mobil listrik semakin kurang populer ketika teknologi motor bakar dalam semakin maju dan bensin semakin murah. Akan tetapi, mobil listrik kembali menjadi perhatian, karena meningkatnya harga bahan bakar dan meningkatnya kandungan gas rumah kaca pada atmosfer bumi. Mobil listrik mempunyai kelemahan, seperti jangkauan dan daya angkut yang relatif rendah. Jumlah volume/populasi mobil listrik yang relatif sedikit, cukup menyulitkan dalam produksi, pelayanan perawatan dan perbaikan, serta pemasokan komponen dan bahan bakar. Penggunaan mobil berbasis motor bakar telah menciptakan budaya tersendiri, sehingga menyulitkan pengembangan mobil listrik. Mobil listrik merupakan salah satu solusi tepat untuk dikembangkan sebagai alat transportasi di kota besar, mengingat banyaknya penduduk serta keterbatasan bahan bakar minyak bumi. Selain itu, sumber tenaga listrik cukup tersedia di perkotaan, bisa dihasilkan dari berbagai sumber energi.
Kelebihan lain mobil listrik dibandingkan dengan mobil dengan penggerak motor bakar berikut: mengurangi polusi udara di tempat pengoperasian, berpotensi mengurangi emisi CO2 (bergantung pada pembangkit listrik yang digunakan), mengurangi ketergantungan pada minyak bumi. Selanjutnya, mobil listrik memiliki kelebihankelebihan seperti pemeliharaan yang mudah dan murah, kebisingan dan getaran yang rendah, serta biaya energi yang lebih rendah [1]. Secara khusus, mobil listrik memiliki kelebihan tersendiri dalam lalu-lintas lambat, seperti yang ditemui di perkotaan. Perbandingan konsumsi energi dari kendaraan dengan penggerak motor listrik dan motor bakar konvensional terhadap kecepatan kendaraan, diilustrasikan pada Gambar 1. Konsumsi energi pada mobil listrik pada kecepatan rendah sangat kecil. Pada motor listrik, kecepatan lambat hanya menyebabkan penurunan kecil dalam efisiensi dibandingkan dengan kecepatan normal. Efisiensi baterai akan cukup stabil di seluruh rentang kecepatan. Sedangkan pada mobil konvensional, konsumsi energi per kilometer pada kecepatan rendah sangat tinggi, dan akan sedikit turun pada kecepatan lebih tinggi, dan akan semakin tinggi pada kecepatan tinggi. Di kota-kota besar, dan kota kecil, sekarang ini kecepatan rata-rata biasanya kurang dari 15 kilometer per jam, dan 1
Desain Chasis Mobil Listrik
bahkan pada jam sibuk kecepatan rata-rata kendaraan sangat berkurang [2] (Larminie dan Lowry, 2003). Hal ini mengindikasikan bahwa mobil listrik memang sesuai untuk transportasi perkotaan.
Haryadi, dkk.
Ladder frame yaitu chasis yang berbentuk seperti tangga, dengan dua buah batang samping yang dihubungkan dengan anak-anak tangga. Pada kendaraan yang menggunakan ladder frame ini, semua beban bending dan torsi ditanggung oleh casis. Keuntungan chasis ini adalah bisa mengakomodasi berbagai bentuk kendaraan, sehingga digunakan pada berbagai jenis kendaraan [4]. Cruciform frame yaitu chasis yang struktur utamanya adalah dua buah batang disatukan secara silang. Bentuk ini relatif jarang digunakan. Bila dikombinasikan dengan bentuk ladder akan memberikan kekuatan bending dan torsi yang lebih baik.
Gambar 1 Perbandingan konsumsi energi Politeknik Negeri Bandung (Polban) telah memulai mengembangkan mobil listrik pada tahun 2009 berupa Kompetisi Mobil Listrik Indonesia. Kegiatan tersebut berlangsung setiap tahun hingga 2012. Kesuksesan kegiatan Kompetisi Mobil Listrik Indonesia bukan merupakan tujuan akhir dari seluruh rangkaian kegiatan, namun pengembangan mobil listrik sebagai alat transportasi adalah tujuan selanjutnya dari kegiatan tersebut. Sedangkan untuk kegiatan Kompetisi Mobil Listrik Indonesia, mobil listrik yang dikembangkan lebih untuk pencapaian tujuan kegiatan lomba sehingga menjadi tidak layak digunakan di jalan raya serta mobil listrik tersebut hanya berpenumpang 1 orang (hanya pengemudi). Animo mengembangkan mobil listrik di beberapa instasi pendidikan maupun non pendidikan sangat tinggi. Bahkan Menteri BUMN Dahlan Iskan optimistis mobil listrik Indonesia bisa mengalahkan mobil listrik produksi Jepang maupun mobil listrik pabrikan Eropa dan Amerika sekalipun [3]. Tulisan ini akan mendiskusikan perancangan chasis untuk mobil listrik penumpang perkotaan.
2
Tinjauan Pustaka
Chasis (frame) adalah bagian kendaraan yang memberikan kekuatan secara struktur dan konstruksi. Sepanjang sejarah kendaraan chasis berkembang, sesuai dengan perkembangan teknologi manufaktur dan material. Sejauh ini, dikenal 5 jenis casis yaitu: ladder, cruciform, torque tube back bone, space trust, dan integral structure [4].
Chasis torque tube back bone berupa batang tunggal yang kedua ujungnya diberi batang ke arah samping. Struktur ini juga relatif jarang digunakan [4]. Space frame yaitu chasis berupa rangka yang terdiri dari elemen batang-batang membentuk struktur ruang, setiap 3 batang membentuk bidang segi tiga. Elemen-elemen batang terssebut bisa menerima beban tarik teka atau torsi. Struktur ini banyak digunakan pada mobil-mobil balap [4]. Integral structure yaitu chasis yang dibuat dari susunan sheet metal yang dibentuk menggunakan mesin pres, kemudian disatukan menggunakan las titik. Chasis ini banyak digunakan pada kendaraan modern. Keuntungan dari casis ini adalah: lebih kaku terhadap beban bending dan torsi, lebih ringan, kebisingan rendah, dan lebih murah bila diproduksi secara masal [4].
2.1
Jenis Pembebanan
Dalam perhitungan konstruksi chasis, ada lima kasus beban dasar untuk dievaluasi: 1. Bending Beban bending pada chasis adalah beban vertikal akibat berat berbagai komponen kendaraan, barang dan penumpang, didistribusikan sepanjang sumbu kendaraan. Gaya reaksi dari gandar diperoleh dengan menyeimbangkan gaya dan momen dengan yaitu persamaan statika. Struktur chasis kendaraan dapat diperlakukan sebagai balok dua dimensi yang simetris secara longitudinal terhadap sumbu kendaraan. Untuk mobil listrik penumpang medium, beban mobil yang harus ditanggung oleh chasis adalah: bumper depan, motor listrik, penumpang depan penumpang belakang, baterei, 2
Desain Chasis Mobil Listrik
Haryadi, dkk.
bagasi dan bumper belakang. Unsprung mass, yang terdiri dari: roda , rem, dan link suspensi bukan bagian dari beban karena tidak ditumpu oleh struktur.
jalan 200 mm, dan harus dianggap sebagai ketidak rataan maksimum bagi suspensi untuk rebound.
Pembebanan dinamis terjadi ketika kendaraan melintasi permukaan jalan yang tidak rata . Sebagai contoh, ketika kendaraan melewati punggung jembatan, sampai pada kecepatan sedemikian rupa sehingga roda meninggalkan tanah . Dampak yang dihasilkan ketika kendaraan kembali ke permukaan tanah, walaupun ditahan oleh sistem suspensi, tetap akan menyebabkan banyak peningkatan beban dibandingkan dengan kondisi statis . Hasil observasi yang diperoleh oleh produsen kendaraan menunjukkan bahwa beban statis harus dikalikan dengan faktor 2,5 3,0 untuk kendaraan di jalan biasa, sedangkan untuk kendaraan Off-road beban static harus dikalikan dengan faktor 4 [5].
Beban lateral adalah beban yang terjadi ketika kendaraan berbelok. Pada kondisi ini, gaya dalam arah sentripetal akibat gesekan ban dengan litasan akan menyeibangkan gaya setrifugal yang diakibatkan oleh massa kendaraan yang berbelok.
2. Torsi Bodi kendaraan dikenai momen diterapkan di centrelines poros dengan menerapkan ke atas dan ke bawah beban pada setiap poros dalam kasus ini. Beban ini mengakibatkan tindakan memutar atau momen torsi tentang memanjang x-sumbu kendaraan. Beban torsi pada chasis terjadi akibat adanya beban pada salah satu gandar dan mengakibatkan reaksi pada gandar lain. Kondisi torsi murni tidak pernah terjadi, karena akan selalu ada beban vertikal akibat gravitasi. Untuk memudahkan perhitungan, bisa diasumsikan beban torsi murni. Momen torsi maksimum adalah sebesar beban pada gandar yang paling ringan dikalikan dengan jarak roda (kanan dan kiri). Pada kasus ini faktor dinamik adalah sebesar 1,3, sedangkan untuk kendaraan offroad dan cross country adalah 1,5 dan 1,8 [5]. 3. Kombinasi Bending dan Torsi Secara prkatis, pada kendaraan beban torsi tidak dapat bekerja sendari tanpa adanya beban bending yang diakibatkan oleh berat kendaraan. Oleh karena itu, kombinasi antara beban bending dan beban torsi, akan lebih mewakili kondisi riil beban casis. Kombinasi bending dan torsi akan mencapai maksium jika salah satu roda dari gandar dengan beban ringan, naik mencapai ketinggian yang cukup untuk menyebabkan roda lain pada gandar yang sama untuk meninggalkan tanah. Pawlowski (1964) merekomendasikan bahwa ketinggian maksimum ketidak rataan
4. Lateral loading
5. Beban longitudinal Beban longitudinal terjadi ketika kendaraan melakukan akselerasi dan deselerasi. Ketika melakukan akselerasi, akan terjadi gaya enersia sebesar massa dikalikan perepatan, berat kedaraan akan dipindahkan dari gandar depan ke gandar belakang. Sebaliknya, ketika kendaraan melakukan deselerasi, berat kandaraan akan dipindahkan dari gandar belakang ke gandar depan. Pada perhitungan struktur chasis, pengaruh baban longitudinal kurang signifikan dibanding dengan bending dan torsi.
2.2
Stres yang Diijinkan
Kondisi beban dibahas di atas akan mengakibatkan tekanan terjadi di seluruh struktur kendaraan . Kondisi beban yang paling berat harus masih dalam batas yang dapat diterima. Tegangan yang diakibatkan oleh beban statis harus di bawah tegangan luluh. Untuk desain chasis ini, tegangan dinamis maksimum tidak boleh melebihi 67 % dari tegangan luluh .
2.3
Kekuan
Setelah sebelumnya didiskusikan beban dan tegangan, selanjutnya perlu untuk menentukan apakah struktur cukup kokoh atau kaku. Sebuah chassis yang baik juga harus memenuhi persyaratan kekakuan yang tepat untuk memungkinkan berkendara yang aman di bawah kondisi lalu lintas yang paling beragam [6]. Sebuah persyaratan desain yang penting adalah evaluasi mengenai kekakuan struktural, bahkan, banyak desainer menganggap kekakuan lebih penting daripada kekuatan. Persyaratan kekakuan sering lebih berat daripada persyaratan kekuatan . Ada dua macam kekakuan chasis, yaitu kekakuan bending dan kekakuan torsional. Untuk mobil penumpang, kekakuan bending ditentukan oleh batas yang dapat diterima defleksi dari lubang bingkai pintu samping . Defleksiyang berlebihan akan menyebabkan pintu tidak akan menutup dengan baik, atau pintu tidak dapat dibuka dengan 3
Desain Chasis Mobil Listrik
Haryadi, dkk.
mudah. Kekakuan lokal lantai penting bagi kenyamanan nyamanan dan keamanan penumpang. penumpang Bila dikehedaki, kekakuan lokal bisa ditingkatkan dengan menambahkan rusuk atau tekukan. Kekauan Torsional (Puntir)) dapat dievaluasi, dengan criteria yang spesifik berdasarkan pengalaman. Pada kendaraan sedan medium, kekauan torsional sebesar 8000 sampai sampa 10 000 Nm/degree [7].
2.4
Kriteria Ekivalen
Luluh
dan
kriteria, khususnya pada kondisi tegangan satu arah. Pada gambar tersebut juga terlihat bahwa ada kemiripan yang sangat besar antara kriteria energi distorsi maksimum von Mises dan kriteria tegangan geser maksimum Tresca, hanya saja kriteria riteria Tresca sedikit lebih konservatif.
Tegangan
Seperti diketahui, bahwa sampai saat ini teori kriteriaa luluh dan patah yang kuantitatif untuk material yang mengalami tekanan atau tarikan dalam banyak arah (multi aksis) masih belum sempurna. Teori kegagalan yang dipercaya saat ini membedakan antara material yang ulet (ductile) dan material yang getas (britle). (brit Pada meterial getas, patah terjadi akibat tegangan normal (prinsipal) pada suatu titik melampaui batas kritis tertentu dari material, tanpa melihat besar tegangan dalam arah yang lain. Sedangkan pada meterial ulet, ada dua teori kegagalan, yaitu teori tegangan geser maksimum dan teori energi distorsi maksimum [8].
Gambar 2 Perbandingan antara ketiga kriteria luluh tersebut pada kondisi tegangan bidang Pada tegangan tiga dimensi perbandingan kriteria luluh von Mises dan Tresca dinyatakan dalam Gambar 3.. Pada gambar tersebut terlihat bahwa pada kondisi tegangan hidrostatik, dimana , maka tidak akan terjadi luluh.
Teori tergangan geser maksimum, menyatakan bahwa material ulet mengalami luluh (yield) akibat mengalami tegangan geser maksimum yang bekerja pada salah satu bagiannya. Jika tegangan geser mencapai encapai harga kritis tertentu, maka akan terjadi luluh. Tegangan geser kritis material, besarnya adalah setengah dari tegangan luluhnya. Selanjutnya kriteria luluh ini dikenal sebagai kondisi luluh Tresca. Teori energi distorsi maksimum menyatakan bahwa untuk tuk material yang ulet dan isotropik, keluluhan material didasarkan pada konsep energi. Pada pendekatan ini, energi elastik total, dibagi menjadi dua bagian, yang pertama berhubungan dengan perubahan volumetrik material, yang kedua adalah energi yang menyebabkan babkan distorsi geser (shearing distortion). Dengan mengasumsikan energi distorsi geser pada titik luluh kondisi tegangan tarik sederhana sama dengan energi pada tegangan kombinasi dari ketiga arah sumbu, maka kriteria luluh pada tegangan kombinasi dapat diperoleh. iperoleh. Kriteria ini diterima secara luas, dan dikenal sebagai kondisi luluh von Mises. Perbandingan antara ketiga kriteria luluh tersebut pada kondisi tegangan bidang (dua sumbu) su dapat dilihat pada Gambar 2.. Pada gambar tersebut terlihat bahwa ada kesamaan maan di antara ketiga
Gambar 3 Perbandingan tegangan tiga dimensi kriteria luluh von Mises dan Tresca Pada umumnya, tegangan yang bekerja dalam strukturr selalu tiga dimensi. Gambar 4 4
Desain Chasis Mobil Listrik
menunjukkan tensor tegangan Cauchy yang menyatakan notasi tegangan tiga dimensi.
Haryadi, dkk.
4
Perhitungan dan Pembahasan
Perhitungan tegangan ekivalen von Mises akan dilakukan menggunakan perangkat lunak Catia V 5.19. Kasus pembebanan (load case) pertama adalah beban bending statik 1200 kg yang didistribusikan merata pada permukaan atas chasis. Pada kasus kedua pembebanan adalah beban dinamik kombinasi antara bending dan torsi maksimum.
Gambar 4 Tensor tegangan Cauchy Dari berbagai komponen tensor tegangan Cauchy, bisa diwakili oleh satu tegangan ekivalen yang sesuai dengan gan kriteria luluh von Mises. Tegangan ekivalen tersebut dinyatakan dengan persamaan berikut:
Dengan persamaan tersebut dan menggunakan metode elemen hingga, maka tegangan ekivalen untuk setiap elemen bisa dihitung.
3
Desain Chasis
Chasis yang akan dibangun berbentuk ladder dengan modifikasi, berdasarkan rdasarkan berbagai pertimbangan, di antaranya karena kemampuankemampuan nya untuk menerima berbagai bentuk kendaraan, serta cukup mudah untuk dibuat menggunakan peralatan yang ada. Panjang total chasis adalah 3180 mm, lebar pada bagian tengahnya adalah 1000 mm dan lebar bagian ujung 755 mm. Penapang chasis berbentuk kanal (C) berukuran 150 x 75 mm, dengan tebal 5 mm. Batang penghubung (anak tangga) sebanyak 4 buah, terbuat dari pipa berdiameter 50 mm dengan tebal 2,5 mm. Tumpuan (gandar) depan berjarak 337,5 mm dari ujung depan chasis, sedangkan gandar belakang berjarak 668,5 dari ujung belakang chasis. Desain chasis ditujukkan oleh Gambar 5.
Gambar 6 menunjukkan hasil perhitungan tegangan ekivalen von Mises pada kasus pembenanan pertama (load case). Pada Gambar tersebut terlihat bahwa tegangan maksimum maksim terjadi bagian belakang roda sebesar 8,7 MPa, jauh di bawah yield stress baja sebesar 250 MPa.
Gambar 6 Hasil perhitungan kasus beban statik Gambar 7 menunjukkan hasil perhitungan untuk kombinasi beban dinamik dengan dengan torsi maksimum. Pada kasus ini, diambil faktor pengali beban statik sebesar 3. Sedangkan torsi maksimum akan menyebabkan salah satu roda depan tidak menyentuh tumpuan. Dari gambar tersebut terlihat bahwa tegangan ekivalen von Mises maksimum adalah sebesar 93,1 MPa, terjadi di bagian depan di dekat batang penghubung.
Gambar 7 Hasil perhitungan kasus kombinasi beban dinamik dan beban torsi maksimum
Gambar 5 Desain chasis
Dari kedua perhitungan tersebut terlihat bahwa terjadi peningkatan tegangan yang sangat signifikan dari 8,7 MPa menjadi 93,1 9 MPa. Dengann demikian, bila diinginkan penguatan, maka bisa ditambahkan penguat disekitar batang 5
Desain Chasis Mobil Listrik
penghubung. Bila tegangan luluh (yield) material adalah sebesar 250 MPa, maka faktor keamanannya adalah 2,7. Gambar 8 menunjukkan lendutan (displacement) dari chasis pada pembebanan statik. Pada gambar tersebut terlihat bahwa lendutan terbesar terjadi pada bagian belakang sebesar 0,105 mm, sedangkan pada bagian tengah, dimana akan dipasang pintu, terjadi lendutan sekitar 0,05 mm. Dari perhitungan tersebut bisa disimpulkan bahwa chasis cukup kokoh, diperkirakan buka – tutup pintu kendaraan tidak akan terganggu.
Haryadi, dkk.
pintu kendaraan tidak terganggu akibat lendutan kendaraan. Selanjutnya, saran-saran berikut dipertimbangkan untuk kelanjutannya:
perlu
1. Dilakukan analisis frekuensi terhadap chasis. 2. Perlu ditingkatkan kemampuan manufaktur agar di peroleh chasis yang lebih ringan, lebih murah, namun tetap memenuhi persyaratan.
Daftar Pustaka 1. Hodkinson,
Ron, Fenton, John, 2001, Lightweight Electric/Hybrid Vehicle Design, Butterworth-Heinemann, Oxford
2. Larminie, James, Lowry, John, 2003, Electric Vehicle Technology Explained, John Wiley & Sons Ltd, Chichester West Sussex, England Gambar 9 Lendutan pada kasus beban statik Sebagai perbandingan, Gambar 9 menunjukkan lendutan pada kasus beban dinamik dan torsi maksimum. Lendutan maksimum yang terjadi adalah 1,53 mm pada sudut yang tidak ditumpu. Lendutan ini cukup besar, akan tetapi tidak berpengaruh pada buka – tutup pintu, karena pembebanan ini terjadi ketika mobil berjalan.
3. Oris Riswan Budiana, 2012; Dahlan Iskan Optimistis Mobil Listrik Indonesia Kalahkan Jepang, DetikNews, 15 Juli 2012
4. Smith, J.H., An Introduction to Modern Vehicle Design, Butterworth Heinemann, 2002.
5. Pawlowski,
J. (1964). Vehicle Engineering, Business Books.
Body
6. Croccolo, Dario; De Agostinis, Massimiliano; Vincenzi, Nicolò; (2011); Structural Analysis of an Articulated Urban Bus Chassis via FEM: a Methodology Applied to a Case Study, DIEM, Department of Mechanical Engineering, University of Bologna, Italy , Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 57 - 11, 799-809 Gambar 9 Lendutan pada kasus beban dinamik dan torsi maksimum.
7. Webb, G.G. (1984). Torsional stiffness of passenger cars, C172/84, I.Mech.E.
8. Popov, E. P., (1989); Mechanics of Materials, 5
Kesimpulan dan Saran
Prentice Hall of India Pte. Ltd., New Delhi
Dari pembahasan yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan berikut ini: 1. Chasis yang didesain mempunyai kekuatan yang cukup. Bila tegangan luluh (yield) material adalah sebesar 250 MPa, maka faktor keamanannya adalah 2,7. 2. Chasis yang didesain juga cukup kaku dan kokoh. Diperkirakan buka – tutup 6
