## Analisa Variable Moment of Inertia (VMI)
Flywheel pada Hydro-Shock Absorber

## Kendaraan
Hasbulah Zarkasy, Harus Laksana Guntur Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : haruslg@me.its.ac.id
Abstrak—Flywheel  selama  ini  dimanfaatkan  untuk menyimpan  energi  mekanik  pada  mesin,  membuat  mesin berputar  dengan  lebih  lembut.  Prinsip  kerja  dari  flywheel adalah  dengan  memanfaatkan  momen  inersia.  Baru-baru ini dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai pemanfaatan dari  flywheel,  yakni  pada  sistem  suspense,  akan  tetapi selama ini penelitian yang dilakukan terbatas pada flywheel dengan  momen  inersia  yang  konstan  (Constant  Moment  of Inertia).  Kali  ini  akan  dilakukan  penelitian  mengenai Variable  Moment  of  Inertia  Flywhel  atau  dengan  kata  lain flywheel  yang  momen  inersianya  berubah-ubah.  Flywheel ini terdiri dari dua bagian utama, yakni  flywheel berongga dan  slider  yang  dapat  bergerak  bebas  di  sepanjang  guide track.  Percobaan  bertujuan  untuk  mengetahui  bagaimana karakteristik  gaya  redam  dari  VMI  Flywheel.  Juga  akan dianalisa  seperti  apa  respon  dinamis  dari  slider  selama flywheel  berputar.  Selain  itu  respon  dinamis  kendaraan saat  VMI  Flywheel  ini  dipasangkan  juga  dianalisa.  Hasil yang  didapat  menunjukkan  bahwa  variasi  massa  slider berpengaruh  terhadap  gaya  redam  yang  dihasilkan  oleh VMI  Flywheel.  Semakin  besar  massa  slider,  gaya  redam yang  muncul  juga  semakin  besar.  Faktor  frekuensi  input juga  berpengaruh,  sebab  semakin  besar  frekuensi  input yang  pada  shock  absorber,  gaya  redam  yang  timbul  juga membesar.  Perpindahan  yang  dialami  oleh  slider  juga tergantung pada jenis massa slider tersebut. Semakin besar massa slider, perpindahan yang dialami juga akan semakin besar.  Performa  VMI  Flywheel  secara  umum  pada frekuensi  rendah.  Sedangkan  pada  frekuensi  tinggi, performa  VMI  Flywheel  cenderung  tidak  bagus  dan menyebabkan kendaraan tidak nyaman.
Kata  Kunci—Flywheel,  quarter  car,  respon  dinamis, kenyamanan kendaraan.

## I. P ENDAHULUAN
erkembangan  teknologi  menuntut  ide-ide  kreatif untuk terus dimunculkan. Beragam inovasi teknologi telah  berhasil  mengatasi  permasalahan-permasalahan yang  muncul,  tak  terkecuali  inovasi  pada  suspensi. Berbagai  jenis  suspensi  telah  dikembangkan,  mulai  dari passive  suspension , semi-active  suspension dan active suspension . Ketiganya memiliki cara kerja yang berbeda- beda dan memiliki keunggulan masing-masing. Suspensi adalah alat yang berfungsi sebagai peredam kejut. Energi kinetik  dari  getaran  atau  kejut  akan  diserap  dan  diubah menjadi  bentuk  energi  yang  lain  seperti  panas  dan bunyi [1] .  Pada  kendaraan,  sebuah  suspensi  biasanya terdiri  dari  dua  bagian  utama  yaitu  sistem  hidrolis  yang di dalamnya terdapat fluida kerja dan pegas.
Semi-active suspension merupakan jenis suspensi yang harga koefisien dampingnya dapat diubah  sesuai dengan kebutuhan.  Performa  jenis  suspensi  ini  lebih  baik dibanding  dengan passive  suspension yang  harga koefisien dampingnya konstan, sehingga pergerakan dari kendaraan  ditentukan  oleh  permukaan  jalan.  Gambar  1 akan menjelaskan mengenai perbedaan passive suspension , active suspension dan semi-active suspension .
Gambar 1. Passive, Semi-active dan active suspension
Penelitian  ini  ditujukan  untuk  pengembangan  lebih lanjut mengenai salah satu semi-active suspension , yakni aplikasi  dari VMI  Flywheel pada hydro-shock  absorber kendaraan. VMI Flywheel adalah flywheel yang memiliki momen  inersia  tidak  konstan. Flywheel ini  terdiri  dari tiga  bagian  utama  seperti  yang  tampak  pada  gambar  2, yakni flywheel , slider dan  pegas.  Prinsip  kerja  dari VMI Flywheel ini adalah ketika flywheel berputar, slider akan mengembang disebabkan oleh gaya sentrifugal. Mengembangnya slider akan  merubah  harga  momen inersia dari flywheel .
Gambar 2. Struktur VMI Flywheel
VMI Flywheel ini akan dipasangkan pada hydro-shock absorber ,  sebuah  sistem  suspensi  yang  memanfaatkan pressure drop akibat dari viscous damping dan headloss yang dialami oleh fluida selama suspensi bekerja sebagai peredam kejut
P

## II. M ETODE P ENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan  analisa simulasi menggunakan perangkat lunak Matlab. Sebelum dilakukan  proses  simulasi,  akan  dilalui  beberapa  tahap diantaranya  proses  pemodelan  sistem,  baik  sistem supensi, slider maupun  sistem  seprempat  kendaraan. Setelah  itu  adalah  tahap  pembuatan  persamaan  gerak, dan yang terakhir sebelum melangkah ke tahap simulasi, yakni tahap penyusunan blok diagram.
Pada  penelitian  ini,  dilakukan  variasi  pada  beberapa parameter,  diantaranya  frekuensi  input  dan  massa  jenis slider .  Tujuan  dari  divariasikannya  parameter  ini  adalah untuk melihat seperti apa pengaruhnya pada karakteristik gaya  redam  dari  sistem  suspensi.  Variasi  parameter tersebut akan dijelaskan pada tabel 1 di bawah ini.
T ABEL 1. V ARIASI P ARAMETER Bahan Massa Jenis (kg/m 3 ) Volume (m 3 ) Massa (kg) Frekuensi (Hz) Aluminium 2700 6.28x10 -6 0.016  0.1; 0.5; 1; 1.5; 2 Titanium 4500 6.28x10 -6 0.0282 Baja 8000 6.28x10 -6 0.0502
Secara  garis  besar,  penelitian  terbagi  menjadi  tiga tahap, yaitu:

## Tahap Analisa Sistem Suspensi
Pada  tahap  ini  akan  dianalisa  sistem  suspensi  dengan penambahan VMI  Flywheel .  Sistem  suspensi  yang dimaksud terdiri dari bebrapa bagian, diantaranya piston, pipa saluran fluida, valve , motor hidrolik dan flywheel .
Gambar 3. Model Sistem Suspensi dengan Penambahan VMI Flywheel Prinsip  kerja  dari  sistem  suspensi  ini  adalah,  ketika piston  bergerak  naik  atau  turun,  fluida  akan  terdorong dan  mengalir  di  sepanjang  pipa.  Fluida  tersebut  akan memutar  motor  hidrolik  yang  kemudian  memutar flywheel . Fungsi valve adalah menjaga agar aliran fluida ke  motor  hidrolik  tetap  searah.  Gaya  redam  pada  sistem ini  dihasilkan  dari pressure  drop akibat  perubahan  luas penampang  sistem  hidrolik, head  loss ,  dan  efek  inersia dari  motor  hidrolik  serta flywheel .  Analisa  gaya  redam tersebut dapat dicari:
1. Gaya Redam Akibat Sistem Hidrolik [2]
𝐹 𝑑 = 𝜌 2 𝐴 1 𝑣 1 2 (( 𝐴 1 𝐴 𝑡𝑢𝑏𝑒 ) 2 − 1) (1)
2. Gaya Redam Akibat Head Loss [2]
𝐹 𝑑 = 𝜌 ( 32𝐿𝑣 𝑑 𝑡𝑢𝑏𝑒 2 𝑥̇ + 𝐾 2 𝑥̇ 2 ) 𝐴 1 (2)
3. Gaya Redam Akibat Motor Hidrolik
𝐹𝑑 = 𝐽. 𝜂 𝑣 𝜂 𝑚 .𝑞 2 𝑄 . 𝐴 1 (3)
4. Gaya Redam Akibat Momen Inersia ∆𝑃 . 𝑞 . 𝜂 𝑚 =  𝐽𝜃̈
(4)

## Tahap Analisa Slider
Pada tahap ini yang akan dianalisa adalah slider . Slider merupakan  bagian  yang  sangat  penting  dari VMI Flywheel ,  karena  merupakan  kunci  dari  berubahnya harga  momen  inersia flywheel .  Sistem  slider  pada  VMI Flywheel  terdiri  dari  sebuah  massa  berbentuk  silinder kecil dan dua buah pegas, seperti tampak pada gambar 4.
Gambar 4. Model Fisik Slider
Slider dapat  bergerak  dengan  bebas  selama flywheel berputar. Pergerakan ini disebabkan oleh gaya sentrifugal yang  timbul  pada slider .  Saat  gaya  sentrifugal  muncul, gaya  ini  akan  mendorong slider ke  luar  pusat  putar, mengakibatkan slider memberi momen inersia tambahan pada flywheel .  Untuk  lebih  jelasnya  akan  ditunjukkan pada gambar 5.
Gambar 5. Free Body Diagram Slider pada Saat Flywheel Berputar
Seperti  yang  dapat  dilihat  pada  gambar  di  atas,  gaya sentrifugal  akan  mendorong slider ke  arah  luar  pusat putar.  Akan  tetapi, slider akan  tertahan  oleh  gaya  pegas yang menariknya  kembali menuju  pusat putar. Akibatnya, slider akan  bergerak  harmonik.  Dari  free body  diagram  di  atas  akan  dapat  diperoleh  persamaan gerak dari slider, yakni
𝛴𝐹𝑦 = 𝑚 𝑠 . 𝑎 𝑦 −𝑘 𝑠 (𝑦 − 𝑦 0 )   − 𝑚 𝑠 . 𝜔 2 . 𝑦  −   𝑓 𝑔 = 𝑚 𝑠 . 𝑎 𝑦 𝑚 𝑠 . (𝜔 2 . 𝑦 + 𝑎 𝑦 ) +   𝑘 𝑠 (𝑦 − 𝑦 0 )   +   𝑓 𝑔 = 0 (5)
Tahap Analisa Sistem Seperempat Kendaraan
Sistem seperempat kendaraan yang dimaksud merupakan  model two  degree  of  freedom .  Model matematis  system  ini  terdiri  dari  massa sprung ,  massa unsprung , koefisien kekakuan sprung , koefisien kekakuan unsprung ,  koefisien  redaman unsprung ,  dan sprung ,  dan  redaman  dari  sistem  suspensi  itu  sendiri. Sistem  seperempat  kendaraan  ini  nantinya  akan  diberi dua  buah  input,  yakni  input  sinusoidal  dengan  variasi frekuensi  yang  telah  disebutkan  sebelumnya  dan amplitudo  2  cm,  serta  input  berupa bump  modified dengan  amplitudo  3  cm.  Akan  dilihat  bagaimana  respon dinamis  dari  sistem  seperempat  kendaraan  ini  ketika dipasangkan  pada  suspense.  Model  dinamis  dari  sistem seperempat kendaraan ini dapat dilihat pada gambar 6.
m s
m us k s F d k us c us x s x us y
Gambar 6. Model Dinamis Sistem Seperempat Kendaraan
Dari  model  dinamis  di  atas  akan  dapat  diperoleh persamaan  gerak  sistem  seperempat  kendaraan  tersebut, yaitu:
𝑥̈ 𝑠 = 1 𝑚 𝑠 [−𝐹 𝑑 − 𝑘 𝑠 (𝑥 𝑠 −   𝑥 𝑢𝑠 )] (6)
𝑥̈ 𝑢𝑠 = 1 𝑚 𝑢𝑠 [−𝑐 𝑢𝑠 (𝑥̇ 𝑢𝑠 − 𝑦 𝑗𝑎𝑙𝑎𝑛 ̇ ) − 𝑘 𝑢𝑠 (𝑥 𝑢𝑠 − 𝑦 𝑗𝑎𝑙𝑎𝑛 ) +
𝐹 𝑑 + 𝑘 𝑠 (𝑥 𝑠 −   𝑥 𝑢𝑠 )] (7)

## III. U RAIAN P ENELITIAN
Pada  penelitian  ini  akan  berfokus  untuk  mengetahui pengaruh  massa  jenis slider dan  frekuensi  kerja  pada karakteristik  gaya  redam  dari  sistem  suspensi VMI Flywheel . Hasil yang ditampilkan merupakan pengolahan data  hasil  simulasi  Matlab  dalam  bentuk  kuantitatif  dan kualitatif.  Data  kuantitatif  akan  disajikan  dalam  bentuk tabel,  sedangkan  data  kualitatif  akan  disajikan  dalam bentuk grafik.
1) Analisa  Pengaruh  Massa  Jenis  Slider  terhadap Karakteristik Gaya Redam VMI Flywheel
Gambar 7. Karakteristik gaya redam sistem suspensi VMI Flywheel fungsi perpindahan untuk bahan slider alumunium, titanium, baja
Sistem VMI  Flywheel memiliki  karakteristik  gaya redam yang unik  dibanding  sistem  suspensi biasa,  yakni untuk  satu  input  frekuensi  dan  satu  input  massa,  gaya redam yang dihasilkan semakin lama semakin besar. Hal ini dikarenakan slider yang terus terdorong ke luar pusat putar  seiring  berputarnya flywheel akan  memperbesar gaya redam hingga harga maksimum yang dapat dicapai. Setelah  kondisi  maksimum  tersebut,  gaya  redam  akan bernilai  konstan.  Dapat  dilihat  pada  grafik  di  atas,  gaya redam  milik VMI  Flywheel nampak  mengembang. Karakteristik  yang  sama  juga  nampak  pada  grafik  gaya redam fungsi kecepatan di bawah ini.
Gambar 8. Karakteristik gaya redam sistem suspensi VMI Flywheel fungsi kecepatan untuk bahan slider alumunium, titanium, baja
Hasil  yang  ditunjukkan  oleh  grafik  menunjukkan bahwa  pemilihan  massa slider dari  bahan  baja menghasilkan  gaya  redam  terbesar.  Hal  ini  disebabkan karena semakin berat massa slider , gaya sentrifugal yang diterima  juga  akan  semakin  besar.  Besarnya  gaya sentrifugal  ini  akan  mendorong slider lebih  jauh  yang mana  akan  berujung  dengan  semakin  besarnya  momen inersia total dari flywheel . Semakin besar momen inersia, akan  semakin  besar  gaya  redam  yang  dihasilkan. Sehingga  dapat  ditarik  kesimpulan  bahwa  hasil  simulasi sesuai  dengan  teori  yang  ada.  Perbandingan  harga  gaya redam ditampilkan pada tabel di bawah ini.
T ABEL 2. P ERBANDINGAN HARGA GAYA REDAM Bahan Massa ΔFd Eks ΔFd Komp Aluminium 0.016 kg 52.4 N -92 N Titanium 0.02826 kg 72.2 N -101.3 N Baja 0.05024 kg 93.4 N -119.8 N
Slider yang mengalami perpindahan  lebih  besar  untuk massa  yang  lebih  besar  juga  ditunjukkan  pada  grafik  di bawah ini.
2) Analisa  Pengaruh  Frekuensi  Kerja  terhadap Karakteristik Gaya Redam VMI Flywheel
Gambar 10. Karakteristik Gaya redam VMI Flywheel untuk variasi frekuensi untuk variasi bahan slider alumunium, titanium, baja
Hasil  yang  ditunjukkan  oleh  grafik  menunjukkan bahwa  semakin  besar  frekuensi  input  yang  diberikan akan menghasilkan gaya redam yang lebih besar. Hal ini disebabkan karena semakin cepat putaran flywheel , gaya sentrifugal  yang  diterima  juga  akan  semakin  besar. Besarnya  gaya  sentrifugal  ini  akan  mendorong slider lebih  jauh  yang  mana  akan  berujung  dengan  semakin besarnya  momen  inersia  total  dari flywheel .  Semakin besar  momen  inersia,  akan  semakin  besar  gaya  redam yang  dihasilkan.  Sehingga  dapat  ditarik  kesimpulan bahwa hasil simulasi sesuai dengan teori yang ada. Perpindahan  slider  yang  makin  besar  seiring  dengan semakin  besarnya  frekuensi  kerja,  dapat  dilihat  pada gambar di bawah ini.
Gambar 11. Respon dinamis massa slider untuk variasi frekuensi
3) Analisa  Pengaruh  Massa  Slider  terhadap  Respon Dinamis Sistem Seperempat Kendaraan
Gambar 12. Respon dinamis massa sistem seperempat kendaraan untuk variasi massa slider
Hasil  yang  ditunjukkan  oleh  grafik  menunjukkan bahwa  variasi  massa slider pada VMI  Flywheel tidak memberikan  perubahan  yang  cukup  signifikan  pada respon  dinamis  kendaraan.  Perbedaan  yang  terlihat hanyalah  pada  besar  perpindahan  yang  dialami  oleh massa  kendaraan,  di  mana  pemilihan  massa slider dari bahan  baja  menghasilkan  perpindahan  terbesar,  karena semakin berat massa slider , gaya redam yang dihasilkan
juga  akan  lebih  besar.  Gaya  redam  ini  akan ditransmisikan ke body kendaraan.
4) Analisa Pengaruh Frekuensi Kerja terhadap Respon Dinamis Sistem Seperempat Kendaraan
Gambar 13. Respon dinamis massa seperempat kendaraan untuk variasi frekuensi
Dari  grafik  di  atas,  dapat  disimpulkan  bahwa VMI Flywheel disimpulkan  nyaman  untuk  frekuensi  rendah, karena  berdasar  standar  yang  ada,  kendaraan  dikatakan tidak nyaman  apabila  memiliki  rms  percepatan  di  atas 1 m/s 2 .  Harga  percepatan  massa  kendaraan  pada  frekuensi di  bawah  1  Hz  adalah  kurang  dari  1  m/s 2 ,  sehingga dengan  ini  disimpulkan  nyaman.  Sedangkan  untuk frekuensi  di  atas  1  Hz  berada  di  atas  2  m/s 2 .  Hal  ini dikarenakan  untuk  frekuensi  rendah,  perubahan  gaya redam  yang  terjadi  pada VMI  Flywheel tidak  terlalu besar.  Sehingga  gaya  redam  yang  ditransmisikan  ke massa kendaraan juga tidak signifikan.
5) Analisa  Respon  Dinamis  Sistem  Seperempat Kendaraan pada Input Bump Modified.
Gambar 14. Respon dinamis massa seperempat kendaraan untuk input bump modified
Hasil  yang  ditunjukkan  oleh  grafik  menunjukkan bahwa  pemilihan  massa slider dari  bahan  baja menghasilkan  perpindahan  terbesar.  Hal  ini  disebabkan semakin berat massa slider , gaya redam yang dihasilkan juga  akan  semakin  besar.  Gaya  redam  yang  besar  akan ditransmisikan ke massa kendaraan, menyebabkan massa tersebut berpindah dengan  perpindahan  yang besar  juga. Untuk  massa slider berupa  aluminium, settling  time nya lebih  lama  dibanding  massa  slider  berupa  titanium  dan baja. Untuk baja dan titanium memiliki settling time yang mirip  yakni  1.8  sekon,  sedangkan  massa  aluminium settling time nya di atas 2 sekon.
IV. P ENUTUP
Berdasar  analisa  dan  pembahasan  yang  dilakukan, maka didapatkan beberapa kesimpulan, diantaranya:
1. Harga  gaya  redam  dari  sistem  suspensi VMI Flywheel bergantung  pada  massa  dari  slider  yang digunakan. Semakin besar massa slider, gaya redam akan semakin besar.
2. VMI  Flywheel memiliki  karakteristik  gaya  redam yang  unik,  yakni  dengan  semakin  besarnya  gaya redam  yang  muncul  dengan  satu  buah  input.  Akan tetapi  gaya  redam  ini  tidak  muncul  apabila frekuensi kerjanya terlalu kecil. Pada penelitian ini, untuk  frekuensi  0.1  Hz,  karakteristik  itu  tidak terjadi.
3. Besar  frekuensi  akan  memperngaruhi  harga  gaya redam yang dihasilkan oleh sistem suspensi dengan VMI  Flywheel .  Semakin  besar  frekuensinya,  gaya redam akan semakin tinggi.
4. Perpindahan  yang  dialami  oleh slider bervariasi, tergantung  pada  jenis  bahan  dan  frekuensi  kerja yang  diberikan. Slider dengan  massa  baja berpindah  lebih jauh daripada slider dengan  massa Titanium dan Aluminium.
5. Kendaraan yang terpasang sistem suspensi dengan VMI  Flywheel cenderung  stabil  dan  lebih  nyaman pada frekuensi rendah (0.1 Hz sampai 1 Hz).

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Ucapan  terima  kasih  kepada  Jurusan  teknik  Mesin FTI-ITS  yang  telah  memberikan  dukungannya  terhadap penelitian  ini,  dan  ucapan  terima  kasih  kepada  semua pihak yang telah mendukung penulis dalam pengumpulan data dan penyusunan laporan penelitian ini.
D AFTAR P USTAKA
[1] Rao,  Singiresu  S.  2010.  Mechanical  Vibration  5th  Ed. N.J.:Prentice Hall.
[2] Fox  and  McDonald.  2011.  Introduction  to  Fluid  Mechanics  8th Edition. John Wiley and Sons, Inc.