SIMULASI DAN ANALISA KINEMATIKA DESAIN ATAP …

1

SIMULASI DAN ANALISA KINEMATIKA DESAIN ATAP CONVERTIBLE TOYOTA SOARER UZZ31

Amir Faisal*, Mohammad Adhitya, Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Kampus Depok-16424

*e-mail: [email protected]

Abstrak

Mobil beratap Convertible sesungguhnya adalah model kendaraan untuk terlihat lebih stylish.

Terdapat dua bentuk atap yang digunakan pada mobil-mobil Convertible pada umumnya,

yaitu berbahan kanvas (softtop) dan berbahan keras berupa carbon fiber (hardtop) seperti

yang penulis desain untuk mobil Toyota Soarer UZZ31 di tulisan ini. Setiap bentuk desain

atap memiliki ciri khas desainnya sendiri, dan terdapat mekanisme pelipatan 3 pieces roof

pada tulisan ini dengan menggunakan sumber penggerak motor. Desain nantinya akan

merubah sedikit pada angle kaca depan Toyota Soarer sebanyak 3° yang nantinya juga akan

menurunkan sedikit nilai center of gravity mobil itu sendiri, serta desain juga akan disertai

dengan penggambaran FBD analisa kinematika pelipatan atap. Nantinya, akan didapat besar

torsi motor yang dibutuhkan untuk menggerakkan hasil desain atap convertible tersebut.

Kata kunci:

Hardtop Convertible, Toyota Soarer, Analisis Kinematika, Center of Gravity.

1. Pendahuluan

Latar Belakang

Sebagai moda transportasi pribadi sehari-hari, terkadang sebuah mobil juga harus dapat terlihat stylish. Sebuah mobil juga harus dapat didesain secara efisien dengan metode manufaktur yang mudah, material yang mudah didapat, serta hasil akhir yang mudah dioperasikan. Di sisi lain, seseorang yang ingin merubah model dan fitur kendaraannya tentunya memikirkan akan sisi biaya yang akan mereka keluarkan, demi mendapatkan style yang diinginkan. Biaya tersebut haruslah sebanding dengan daftar pekerjaan, biaya pekerja, serta biaya material yang dibutuhkan. Di skripsi inilah, penulis akan membahas tentang bagaimana nantinya hasil dan proses manufaktur dari desain atap convertible Toyota Soarer UZZ31 dapat direncanakan pengeluarannya bagi calon konsumen di masa mendatang.

Simulaisi dan ..., Amir Faisal, FT UI, 2016

2

Gambar 1.1 Tampak Samping Toyota Soarer

(Sumber : http://www.mad4wheels.com/contents/model.asp?id_car=6863)

Di sisi lain, kreativitas – kreativitas pecinta otomotif juga memacu munculnya ide dalam penentuan judul dan topik skripsi ini. Kreativitas ini tidaklah hanya untuk memenuhi kebutuhan tersier semata, namun juga sebagai bentuk continuous and sustainable improvement dalam mengembangkan teknologi dunia otomotif kedepannya, terutama sistem pelipatan atap convertible yang dibahas pada skripsi ini.

Pada atapnya nanti, Toyota Soarer ini akan dilengkapi dengan atap convertible berbahan carbon fiber. Dari sini, desain menarik atap convertible bermaterial carbon fiber akan menghiasi mobil ini tanpa menambah massa yang signifikan yang ditambahkan pada mobil.

2. Dasar Teori

Atap Convertible

Atap Convertible (Convertible Roof) adalah sebuah desain atap dimana atap tersebut dapat dibuka dan ditutup sesuai kebutuhan. Pada abad ke-18, ketika mobil beratap Convertible pertama kali diperkenalkan, atapnya bersifat lunak (soft top), dan pengaturannya pun dilakukan secara manual. Karena bentuknya yang menarik perhatian, permintaan meningkat, membuat produsen mobil convertible menemukan banyak improvisasi dalam pengembangan atap convertible. Perkembangan mulai dari sistem penutupan dan pembukaan atap melalui tombol, hingga terciptanya atap versi “keras” (hard top) muncul di tahun 1922, dan mulai di produksi tahun 1934.

Alasan dibalik munculnya atap mobil convertible sangat sederhana, yaitu mewujudkan keinginan konsumen akan mobil yang terlihat mewah dan agar terlihat lebih percaya diri di mata orang lain. Mobil seperti ini justru terasa lebih fun to drive dibandingkan versi coupe, terutama untuk penggunaan pada musim panas, atau kondisi matahari terik. Umumnya mobil convertible tidaklah didesain untuk meningkatkan kecepatan dan akselerasi mobil tersebut, namun desain lebih difokuskan pada stabilitas kendaraan tersebut, walaupun mobil convertible dikenal dengan struktur atapnya yang tidak rigid dan stabil dibandingkan


3

versi coupe pada tipe mobil yang sama. Hal ini muncul karena saat pelipatan terjadi, stress member dari atap mobil tersebut dinon-aktifkan dan dibutuhkan sistem pendukung pada sasis mobil itu sendiri.

Gambar 2.1 Saat pelipatan atap mobil convertible terjadi.

(Sumber : http://turfaolam.com/2015-bmw-6-series-convertible-hardtop/)

Gambar tersebut menunjukkan mekanisme umum bagaimana atap mobil convertible dalam melipat atapnya masuk ke dalam bagasi mobil. Supaya atap dapat masuk ke dalam bagasi secara pas, atap terbagi menjadi 2 bagian, bagian depan dan bagian belakang. Komponen penunjang lainnya adalah power actuator dan system mekanisme linkage. Sistem ini umum dalam mobil convertible tipe hard top.

Detail Komponen Atap Convertible

Perombakan dari model coupe ke convertible memang dimulai dari atap, namun tidak terbatas dari bagian itu saja. Saat mengganti material atap dengan sebagai contoh carbon fiber, diperlukan material penguat dalam sasis atapnya dikarenakan material carbon fiber tidaklah kokoh menahan 100% beban atap mobil itu sendiri. Sehingga, diperlukan komponen tersebut untuk mengisi kekurangan penahan beban pada atap mobil.

Kemudian ketika mendesain ulang mobil itu sendiri dari model coupe ke convertible, perubahan mendasar diperlukan dengan cara merebahkan kaca depan/ Windshield mobil beberapa derajat. Dengan ini, mobil dengan maupun saat atapnya dilepas nilai aerodinamis mobil menjadi lebih bertambah, serta meningkatkan stabilitas mobil dengan maupun tanpa pemasangan atap. Aliran udara akan mengalir dari kap mesin, melewati garis Windshield dan melewati roof top, serta menuruni tempat penutupan atap. Dengan begitu, perebahan Windshield dapat memberikan nilai downforce lebih pada mobil serta menstabilkan nilai Center of Gravity mobil tersebut.


4

Penguatan Sasis

Sasis pada mobil dapat dideskripsikan seperti tulang rusuk pada manusia, yang merupakan dasar bermuaranya suspensi, penyokong mekanisme setir, semua komponen mobil yang membutuhkan “support”. Fungsinya sebagai tulang rusuk mobil membuatnya menjadi komponen paling penting dalam sebuah mobil. Pergerakan dinamis kendaraan sangat ditentukan oleh struktur sasis sendiri, bersamaan dengan kenyamanan berkendara dan keselamatan kendaraan itu sendiri. Banyaknya gaya – gaya yang bekerja dari luar mobil juga sangat mempengaruhi gaya – gaya yang bekerja pada sasis, dimana banyak kejadian kecelakaan seperti kendaraan melintir atau kehilangan kendali, yang disebabkan oleh tidak kuatnya struktur sasis menahan kesetimbangan gaya – gaya yang bekerja pada sasis, sehingga kendaraan kehilangan kendali. Kebutuhan desain sasis di masa kini dibutuhkan struktur yang proporsional; mendukung kemampuan kendaraan untuk bermanuver dengan handling yang akurat, mampu menyerap energi saat terjadi tabrakan tanpa membahayakan penumpang di dalamnya, dan mendukung nilai efisiensi bahan bakar kendaraan itu sendiri.

Carbon Fiber

Material Carbon Fiber sangat umum digunakan pada industri otomotif dan aeronautika, yang dikenal dengan nama CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Material ini disusun menggunakan matriks Polimer Resin seperti CFRE (Carbon Fiber Reinforced Epoxy) dengan material fillernya fiber karbon. Material ini memiliki properties fisik hampir sama dengan material Baja, dengan bobot yang hampir sama dengan material plastik. Hal ini menjadikan material ini sangat umum dijadikan material dasar untuk komponen otomotif dan aeronautika karena massanya yang ringan dan memiliki nilai toughness yang sama dengan baja, sekaligus meningkatkan nilai ekonomis produk otomotif dan aeronautika dalam bermanuver.

Dasar Kinematika Desain

Kinematika merupakan dasar desain pergerakan motorik sebuah peralatan yang menggunakan mekanisme mekanikal. Sebuah pergerakan dapat dihitung beban yang dibutuhkan untuk diangkat dengan mengetahui panjang objek dan kecepatan relatif objek pendorong. Selain itu, diperlukan juga sketsa dan desain FBD (Free Body Diagram) bidang dan garis mekanisme pelipatan atap untuk memudahkan perhitungan kecepatan relatif sistem mekanikal pelipatan atap.

Analisis kinematik menggunakan satu media yang dinamakan Vektor. Vektor merupakan suatu besaran yang memiliki nilai besar dan arah. Vektor digambarkan dalam bentuk tanda panah, dimana panjang tanda panah merupakan besar nilai vektor tersebut dan ujung panah merupakan penunjuk arah dari besaran vektor tersebut.

Kecepatan sebuah vektor dirumuskan :

V = Rω (2.1)

Ket:


5

V : Kecepatan Vektor (m.rad/s)

R : Besar/panjang nilai vektor (m)

ω : Kecepatan sudut (rad/s)

Rumus percepatan sebagai berikut :

a = R ω2 + R α (2.2)

Ket :

a : Percepatan vektor (m/s2).

R : Besar/panjang nilai vektor (m).

ω : Kecepatan sudut (rad/s).

α : Percepatan sudut (rad/s2).

Rumus Gaya :

F = m.a (2.3)

Ket :

F : Gaya {Newton (N)}.

m : Massa (kg).

a : Percepatan (m/s2).

Serta rumus torsi :

τ = l. F (2.4)

Ket :

τ : Torsi (Nm).

l : Lengan momen (m).

F : Gaya (N).

Dengan mendapatkan nilai torsi, didapat pula nantinya besar daya yang diperlukan untuk melipat rangka atap ataupun merebahkan kembali rangka atap mobil convertible tersebut.

3. Metodologi Penelitian

Prosedur Penelitian

Dalam penelitian ini, penulis melakukan riset mendalam pada mobil objek penelitian yaitu Toyota Soarer UZZ31. Penulis melakukan pencarian data dimensi Toyota Soarer UZZ31


6

menggunakan internet dengan mencari blueprint dari Toyota Soarer itu sendiri. Toyota Soarer sendiri adalah mobil coupe dengan jumlah pintu 2 buah.

Untuk membandingkan dengan mobil yang sudah berdesain convertible dari pabrikannya, penulis membandingkan blueprint Toyota Soarer dengan blueprint kendaraan lain, yaitu BMW 640i Cabriolet. Mobil tersebut memiliki kriteria desain yang cocok, dengan sama – sama memiliki jumlah pintu 2 buah ala coupe. Penulis mencoba merombak desain atap Toyota Soarer, dengan desain Roofline BMW 640i Cabriolet. Perlu diketahui sebelumnya bahwa mobil BMW masih menggunakan material atap kanvas, sehingga dapat dilipat dengan mudah.

Pemilihan Media Desain

Penulis menggunakan media desain Autodesk Inventor Student 2015™. Selain itu, untuk mendesain abstrak dari atapnya sebelum digambar pada Inventor, penulis menggunakan software Microsoft Power Point.

Proses Desain

Proses pendesainan melewati 2 tahap. Tahap pertama adalah raw sketch design. Tahap kedua adalah Final drawing. Tahap pertama dengan menggambar sketsa pada Microsoft Power Point dan Gambar Tangan. Tahap kedua menggunakan software Solidworks Premium 2014.

Gambar 3.1 Hasil akhir perancangan menggunakan software Solidworks

4. Analisis dan Pembahasan

Analisis Desain

Pada sistem pelipatannya, terdapat tiga bagian, yaitu bagian statis, bagian dinamis, dan bagian penghubung. Ketiga bagian ini memiliki peranannya masing – masing, dimana bagian statis berfungsi sebagai tulang belakang rangka pelipatan atap, bagian dinamis berfungsi sebagai komponen pemisah dan pelipat atap secara 3 tumpuk, dan bagian


7

penghubung sebagai penyatu ketiga bagian atap tersebut agar lipatan atap terlihat lebih kompak.

Gambar 4.1 Free Body Diagram (FBD) Atap Convertible

Berikut adalah salah satu contoh perhitungan kecepatan relatif suatu titik pada FBD :

Permasalahan : mencari nilai VM

Diketahui :

Vektor Vk = Besar dan arah.

• Vl = Vk + Vkl

B/A � KL

• Vm = Vl + Vlm

B/A � LM

Vm = Vl + Vlm

= (!!! 60° .!!_1−!!! 60°. !!).ωi + (!!! 60°. !!_1+!!+!!+!!+!!+!!! 150°.!!+!!).ωj

= ((0,5 . 0,86) – (0,5 . 0,2)). 0,2 i + ((0,866. 0,86) + 0,086 + 0,144 + 0,332 + 0,219 + (0,5 . 0,2) + 0,166). 0,2 j

= 0,066 i + 0,357 j

Vm = √((0,066)^(2 )+(0,357)^2 )

= 0,35 m/s.

5. Penutup

Kesimpulan


8

1. Desain 3 tumpuk pelipatan atap merupakan desain yang rumit namun cukup kompak pada Toyota Soarer yang dijadikan referensi saat ini.

2. Penurunan 3° pada angle kaca depan membuat tiang penghubung rangka dengan motor menjadi lebih pendek, namun membutuhkan tiang lebih panjang pada roofline mobil Toyota Soarer.

Saran

Dari hasil penelitian dan saran dari rekan penulis, dapat disimpulkan rencana bisnis ini haruslah sangat terencana, karena bisnis ini mencakup pasar yang sangat jarang di masyarakat Indonesia, yaitu bisnis modifikasi Convertible.

6. Referensi

1. Happian – Smith, Julian. An introduction to Modern Vehicle Design. Butterworth Heinemann. Great Britain.

2. Willard, M. (2016). Hard-top Convertible Roof System. US6866325 B2. 3. https://www.google.co.id/patents/US6866325?dq=hardtop+convertible+mechanism+

overall&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwiNy7TPgsDLAhVO52MKHXwPDjgQ6AEIHjAB

4. Heissing, B. and Ersoy, M. (2010). Chassis Handbook. Wiesbaden: Vieweg + Teubner.

5. Rowe, J. (2012). Advanced Materials in Automotive Engineering. Cambridge, UK : Woodhead Publishing.

6. Anderson, J. (1998). A History of Aerodynamics and Its Impact on Flying Machines. Cambridge : Cambridge University Press.


Documents

SIMULASI DAN ANALISA KINEMATIKA DESAIN ATAP …