BAB II LANDASAN TEORI

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Dasar Power Steering
Dalam mengemudikan kendaraan roda empat, terkadang kita menemukan
kendaraan yang mudah untuk dikendarai dan ada juga yang sulit. Salah satu faktornya
adalah dari sistem kemudi. Pada kendaraan konvensional, sering kita jumpai suatu
kendaraan masih menggunakan sistem kemudi manual steering system yang sangat
berat sekali untuk membelokkan roda kemudinya sehingga membuat pengemudi cepat
lelah.
Menurut beberapa ahli di bidang teknik otomotif mendefiniskan Power Steering
System berdasarkan fungsi dan cara pengoperasiannya. Salah satu definisi power
steering yang dikemukakan pada Daihatsu Astra Motor (1990:36) bahwa “Power
Steering adalah salah satu bagian dari sistem kemudi tenaga yang berfungsi untuk
membantu memberikan tenaga guna meringankan pengoperasian kemudi.” Sejalan
dengan itu Arisepa (2009:2) mengemukakan bahwa “Power Steering merupakan suatu
sistem kemudi yang mempunyai tujuan untuk memperingan pengoperasian kemudi.”
Kerja sistem kemudi yang menggunakan teknologi power steering ini berdasarkan
gabungan antara sistem hidrolik dan mekanik.
5
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
6
2.2 Mekanisme/Prinsip Kerja Sistem Power Steering
Power steering merupakan salah satu peralatan hidrolik yang menggunakan tenaga
mesin untuk mengurangi usaha kemudi dengan konsekuensi putaran mesin yang
digunakan tersebut untuk meningkatkan tekanan fluida. Tekanan fluida tersebut akan
menggerakkan piston dalam gear box, sehingga piston dapat membantu pada bagian
shaft (poros) roda. Jumlah dari tenaga tambahan bergantung pada perpanjangan dari
tekanan fluida yang menggerakkan piston. Apabila butuh banyak tenaga tambahan,
maka tekanan fluida harus ditingkatkan. Variasi dari tekakan fluida diatur oleh sebuah
control valve. Control valve akan bergerak berdasarkan putaran roda kemudi
Gambar 2.1 Tata letak komponen Power Steering pada kendaraan
Sumber: http://otomotif.blogspot.com/uploads/2012/10
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
7
2.2.1 Posisi Netral (Straight Ahead Position)
Keadaan pada posisi netral fluida dari pompa dialirkan menuju katup
pengarah (control valve). Jika katup pengatur berada dalam posisi netral, maka
semua fluida akan mengalir melalui katup pengatur menuju relief port (saluran
pembebas) dan kembali lagi ke pompa. Pada kondisi seperti ini, tekanan akan
sulit terbentuk dan tekanan pada power piston adalah sama untuk kedua sisi
sehingga piston tidak akan bergerak ke salah satu arah.
Gambar 2.2 Power Steering posisi netral
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model T30 Series Service Manual.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
8
2.2.2 Posisi Belok
Pada posisi kendaraan berbelok maka control valve akan membuka dan
menutup pada salah satu aliran fluida. Pada saluran yang lain akan membuka
sehingga menyebabkan perubahan volume aliran fluida dan pada saat yang
sama terbentuk suatu tekanan yang menggerakkan piston. Sebuah perbedaan
tekanan terjadi antara kedua sisi piston dan piston bergerak pada arah yang
memiliki tekanan yang lebih rendah sehingga fluida dalam silinder akan
dikembalikan menuju pompa melalui control valve.
Gambar 2.3 Power Steering Posisi Belok
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model T30 Series Service Manual.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
9
2.3 Komponen-Komponen Power Steering
Pada umumnya Sistem Power Steering pada kendaraan roda empat merupakan
salah satu perkembangan sistem steering manual yang mempunyai tujuan untuk
meringankan beban kemudi pada saat dibelokkan, keringanan dari sistem power
steering ini tergantung dari kecepatan mengemudikannya. Beberapa komponen utama
dari Sistem Power Steering, diantaranya :
2.3.1 Pompa Power Steering (Vane Pump)
Tekanan fluida pada mekanisme power steering biasanya digunakan pompa
jenis rotary yaitu pompa plat pemisah (Vane pump). Vane pump adalah salah satu
jenis pompa hidrolis yang menghasilkan tekanan dengan menggunakan rotor dan
slipper. Debit pompa diatur dengan memilih harga eksentristas (jarak antara sumbu
pompa dan sumbu cam) sesuai kebutuhan.
Vane pump juga dilengkapi dengan alat pengatur tekanan (Relief valve), yang
bekerja jika tekanan pompa melebihi tekanan pegas relief, maka katup akan
membuka dan aliran fluida akan kembali ke dalam pompa sehingga tekanan yang
keluar dari pompa dapat dipertahankan tetap stabil pada putaran tinggi. Relief valve
ini berguna untuk mengontrol tekanan hidrolis maximum yaitu 72-82 Kg/cm2.
Vane Pump terdiri dari :
1. Rotor eksentrik (exentretator) yang digerakan oleh tali kipas (belt) dengan
perantara pulley.
2. Fixed ring dengan 6 buat slot.
3. Enam buah slipper dengan pegas-pegas di dalamnya dan bersentuhan langsung
dengan rotor.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
10
4. Katup pengontrol (Flow Control Valve) yang mengatur tekanan maximum fluida
dan volume aliran.
Gambar 2.4 Cara Kerja Vane Pump Saat Belok
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model T30 Series Service Manual.
Cara Kerja Vane Pump :
a. Putaran rendah (650-1250 rpm)
Tekanan yang dikeluarkan pompa P1 bekerja pada posisi sebelah kanan
dari flow control valve dan P2 bekerja pada sisi sebelah kiri setelah
melalui orifice 1 dan 2. Perbedaan tekanan antara P1 dan P2 menjadi lebih
besar karena putaran bertambah. Apabila tekanan P1 melebihi tegangan
per flow control valve, maka low control valve bergerak ke kiri.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
11
Sehingga membuka saluran yang menuju ke sisi penghisapan pompa, lalu
fluida kembali ke sisi pengisapan pompa. Volume yang meuju gear
housing dikontrol oleh cara ini. (aliran fluida yang dikontrol : 6.6 l/min).
b. Putaran sedang (1250-1500 rpm)
Tekanan yang dikeluarkan pompa P1 bekerja pada sisi sebelah kiri dari
control spool. Apabila putaran pompa di atas 11250 rpm, tekanan P1
melebihi tegangan pegas dan control spool bergerak ke kanan, maka
volume fluida yang melalui orifice 2 terpaksa berkurang, dan
mengakibatkan bertambah rendahnya tekanan P2. Oleh karena itu tekanan
anatar P1 dan P2 bertambah besar. Dengan cara ini flow control valve
bergerak ke kiri.
Oleh karena itu fuilda kembali ke sisi pengisapan pompa dan mengurangi
volume fluida menuju gear housing. Dengan kata lain, bilamana control
spool bergerak ke kanan ujung dari spool bergerak ke arah orifice 2,
sehingga mengurangi volume fluida melalui orifice.
c. Putaran tinggi (lebih dari 2500 rpm)
Apabila putaran melebihi 2500 rpm, control spool terdorong seluruhnya
ke arah kanan, sehingga menutup orifice 2 dengan sempurna. Pada saat ini
tekanan P2 hanya ditentukan oleh jumlah fluida yang lewati orifice no.1.
volume fluida yang menuju gear housing dikontrol oleh cara ini. (volume
fluida yang dikotrol 3.,3 l/min).
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
12
Gambar 2.5 Vane Pump
Sumber: Dokumentasi pribadi
2.3.2 Pipa-Pipa Pengalir
Penggunaan pipa dalam sistem power steering digunakan pipa fleksibel yang
terdapat menahan fluida bertekanan tinggi, pipa ini biasanya terdiri dari dua atau
lapisan penguat sehingga dapat diandalkan tidak ada kebocoran pada pipa.
Pipa sesuai dengan karakteristik ruangan pada mobil yang terbatas relative
sempit dan memerlukan fleksibilitas dari pipa.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
13
Gambar 2.6 Pipa-Pipa Pengalir
Sumber: Dokumentasi pribadi
2.3.3 Gear Box
Pada manual steering kontruksi worm shaft merupakan satu poros, akan
tetapi pada power steering porosnya dibuat menjadi 2 bagian yaitu worm shaft dan
torsion shaft. Jadi putaran roda kemudi dipindahkan melalui torsion shaft ke worm
shaft.
Prinsip Kerja Gear Box :
Katup flapper berhubungan dengan torsion shaft.
-
Katup V1 dan V2 dari flapper No. 1 bekerja sebagai katup pengatur arah dan
tergantung dari gerakan roda gigi kemudi. Rute aliran akan melalui P-A-T
dan P-B-T.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
14
-
Katup V3 dan V4 dari flapper no.2 bekerja sebagai katup pengatur tekanan,
yaitu mengatur tekanan pada titik A dan B serta tergantung pada gerakan
roda kemudi.
-
Pada Posisi Netral (roda-roda lurus) Katup V1,V2,V3 dan V4 terbuka tidak
ada perbedaan tekanan dititik A dan B.
Karena flapper no.1 dan no. 2 posisi netral , maka semua saluran-saluran
pada katup body (valve body) terbuka dan fluida yang ditekan dari vane
pump ke reservoir tank. Selanjutnya proses ini berjalan terus menerus dan
tidak ada tekanan di dalam silinder, sehingga piston tidak bergerak.
-
Apabila roda kemudi diputar kearah kanan
V1 tertutup, V2 terbuka, V3 terbuka dan V4 terbuka sebagian. Tekanan
fluida pada titik B bertambah dan mendorong piston ke kiri, sehingga
membantu usaha kemudi untuk berputar ke kanan. Sebaliknya bila tenaga
yang berkerja pada worm shaft bertambah, katup V4 akan tertutup rapat dan
menambah tekanan fluida.
Dengan demikian flapper no. 2 akan mengatur tekanan dan menghasilkan
tenaga tambahan sehubungan dengan tenaga yang bekerja pada roda kemudi.
Bila tenaga yang berkerja pada worm shaft berkurang, maka gerakan torsion
shaft hanya sedikit. Oleh karena itu celah katup V4 bertambah dan tekanan
pada power piston sebelah kanan berkurang.
-
Apabila roda kemudi diputar kearah kiri
V1 terbuka, V2 tertutup V3 sebagian terbuka dan V4 terbuka. Tekanan pada
titik A bertambah dan mendorong piston ke kanan sehingga membantu usaha
kemudi. Sebaliknya bila tenaga yang bekerja pada worm shaft bertambah,
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
15
katup V3 akan tertutup rapat dan menambah tekanan fluida. Bila tenaga yang
bekerja pada worm shaft berkurang, gerakan torsion shaft hanya sedikit.
Oleh karena itu celah katup V3 betambah dan tekanan pada power piston
sebelah kiri berkurang.
Gambar 2.7 Gear Box
Sumber: Dokumentasi pribadi
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
16
2.4 Persyaratan Power Steering
Persyaratan pemakaian Power Steering dalam sebuah kendaraan juga mempunyai
peranan penting dalam praktiknya.
2.4.1 Gaya Pengemudian
Usaha kemudi yang besar diperlukan pada saat kendaraan berjalan lambat
ataupun pada saat sedang parkir. Pada kecepatan sedang usaha kemudi yang lebih
kecil, dan semakin tinggi kecepatan kendaraan maka usaha yang diperlukan untuk
pengemudian semakin kecil. Pada kecepatan tinggi dibutuhkan usaha kemudi kecil
karena pada saat ini gesekan antara ban dengan permukaan jalan telah berkurang.
Pada segala tingkat kecepatan, gaya kemudi yang tepat harus selalu tersedia, untuk
memperoleh itu sistem ini memiliki power steering dengan peralatan khusus (flow
control valve) yang dipasangkan pada pompa dan gear housing.
2.4.2 Tipe Pendeteksi Kecepatan Kendaraan
Menurut Toyota (1996: 55) kecepatan kendaraan dideteksi dengan speed sensor
dan tekanan fluida yang bekerja pada torak akan berubah berdasar sensor kecepatan.
Pada saat kendaraan berhenti atau berjalan pada kecepatan rendah tekanan fluida
yang bekerja pada torak akan bertambah untuk memperingan gaya pengemudian
yang dibutuhkan. Pada kecepatan tinggi tekanan fluida diturunkan sehingga bantuan
tenaga pada sistem kemudi berkurang agar diperoleh respon yang tepat.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
17
2.4.3 Tipe Pendeteksi RPM Mesin
Dalam Toyota (1996: 55) tipe pendeteksi RPM mesin menyuplai fluida ke gear
housing sesuai RPM mesin, kebanyakan pompa power steering mengirimkan volume
fluida konstan ke gear housing meskipun kecepatan mesin berubah-rubah. Pada tipe
ini pada rpm tertentu (putaran tinggi), volume aliran fluida diturunkan sehingga
tekanan yang bekerja pada torak berkurang.
2.5 Dasar Hidrolik
Dalam sistem power steering menggunakan fluida automatic transmition fluids
(ATF). Minyak ini digunakan untuk mengubah momen puntir untuk kendaraan
bermotor. ATF digunakan dalam sistem power steering karena mempunyai fungsi untuk
mengalihkan gaya, maka power steering menggunakan minyak yang sama dengan
transmisi otomatis.
Persyaratan untuk minyak ATF adalah cukup tinggi karena harus :
a) Kekentalan yang sesuai.
b) Stabil terhadap panas dan oksidasi.
c) Tidak berbusa maka minyak power steering ditambah bahan anti foaming agent.
d) Untuk membedakan antara ATF dan minyak lain ATF diberi warna merah.
e) Sifat mengalir yang baik oleh sebab itu memerlukan minyak dasar yang sangat
encer.
Minyak power steering harus mampu memelihara sifat hidrolik dengan baik
karena juga berfungsi sebagai pelumas untuk power steering dan pompa. Minyak power
steering yang digunakan sesuai spesifikasi adalah Dextron atau Dextron III. Pada
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
18
proyek akhir sistem power steering ini menggunakan ATF dengan merek Nissan Matic
D.
Gambar 2.8 Oli ATF Matic D Nissan
Sumber: Dokumentasi Pribadi
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
19
2.6 Wheel Alignment
2.6.1 Pengertian Wheel Alignment
Roda-roda kendaraan dipasang dengan besar sudut tertentu sesuai dengan
persyaratan tertentu untuk menjaga agar pengemudian ringan, nyaman dan stabil
serta keausan ban normal. Sudut-sudut pemasangan roda tersebut dinamakan wheel
alignment. Kebanyakan kendaraan yang ada di indonesia wheel alignment
utamanya adalah untuk roda depan (FWA), walaupun wheel aligment untuk roda
belakang (RWA) juga sudah ada. Wheel Alignment sangat penting untuk
kenyamanan, keamanan dan kestabilan dalam kinerja sistem power steering
sehingga pengemudian dapat berjalan dengan optimal terasa ringan, nyaman dan
stabil serta keausan ban normal.
2.6.2 Faktor Wheel Alignment
Yang termasuk dalam fakor-faktor wheel alignment ada 5 (lima) yaitu :
camber, caster, king-pin inclination/ steering axis inclination, toe angle dan
turninng radius/ turning angle.
1. Camber
Camber adalah kemiringan roda terhadap garis vertikal jika dilihat dari
depan atau belakang kendaraan. Jika roda miring ke arah luar kendaraan maka
nilainya + (positif) dan jika roda miring ke arah dalam kendaraan maka nilainya
– (negatif). Manfaat dari sudut camber positif adalah memperkcil kemungkinan
axle bengkok, mencegah roda slip, kemudi jadi ringan.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
20
Gambar 2.9 Gambar Sudut Camber + (Positif), Camber – (Negatif)
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual.
2. Caster
Manfaat sudut camber positif yaitu memperkecil kemungkinan axle
bengkok, mencegah roda slip, kemudi jadi ringan.
Gambar 2.10 Sudut Caster Positif (+), Caster Negatif (-)
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
21
3. Steering Axle Inclination
Caster adalah kemiringan steering axis inklination/ king pin jika dilihat dari
arah depan/ belakang. Caster berperan untuk kelurusan dan kestabilan kemudi,
memperkecil steering effortm dan memperkecil daya balik atau tarikan ke satu
arah.
Gambar 2.11 Sudut SAI atau KPI
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual.
4. Toe Angel
Toe angle adalah perbedaan jarak antara roda depan bagian depan dengan
roda depan bagian belakang. Jika roda depan bagian depan lebih pendek
dibanding roda depan bagian belakang maka dinamakan toe-in, namun jika roda
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
22
depan bagian depan lebih panjang dibanding roda depan bagian belakang maka
dinamakan toe-out. Fungsi utama toe angel adalah untuk mengimbangi gaya
akibat adanya sudut camber (camber thrust).
Toe-in : A < B
Toe-out : A > B
Gambar 2.12 Toe Angel
Sumber: Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
23
5. Turning Angel
Sudut belok (turning angle) adalah sudut masing-masing roda saat kemudi
diputar maksimum. Sudut belok roda dalam lebih besar dibandingkan sudut
belok roda luar. Fungsi utama turning angle adalah mencegah terjadinya side
slip, memperkecil keausan ban dan menjaga kestabilan pengemudian.
Gambar 2.13 Turning Angle
Sumber : Nissan Motor Corp., Ltd. Nissan Model L11 Series Service Manual.
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
24
2.7 Metoda Analisa
2.7.1 Analisa Pengurangan Tekanan pada Katup
Analisa beban kemudi power steering meliputi perhitungan kerugian tekanan
yang dialami oleh aliran fluida selama mengalir terdiri dari perhitungan debit
melalui katup, sedangkan tekanan yang dikeluarkan pada tekanan yang tetap.
Gambar 2.14 Sketsa Katup
Sumber: Gambar Pribadi
Debit yang dibutuhkan untuk pencapaian keadaan itu adalah :
√
√
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
25
Dengan :
Qa
= debit yang dibutuhkan (m3/s)
A
= luas penampang katup (m2)
Kv
= konstanta katup
∆p
= tekanan fluida (N/m2)
ρ
= massa jenis (kg/m3)
Persamaan di atas konstanta katup (Kv) diperoleh dari :
√
√
2.7.2 Analisa Aliran Dalam Pipa
Pipa yang digunakan dalam mekanisme power steering adalah pipa fleksibel,
sehingga kecepatan aliran pada pipa adalah :
Dengan :
Vp
= kecepatan aliran fluida pada pipa (m/s)
Qk
= debit yang keluar dari katup (
Ap
= luasan pada pipa mengalir (
/s)
)
Jenis aliran yang mengalir pada pipa ditentukan dengan bilangan Renold
(Re) yang besarnya adalah ;
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
26
Dengan :
V = viskositas kinematik pada minyak hidraulik
Vm
= kecepatan aliran fluida (m/s)
d = diameter pipa (m)
Batasan jenis aliran pipa dengan mempertimbangkan bilangan Renold (Re) adalah ;
Re < 2320
aliran laminar
2320<Re<3000 aliran transisi
Re > 3000
aliran turbulensi
Kehilangan tekanan aliran pipa (∆p), jika dinding pipa licin dan pipa adalah
dianggap lurus.
1. Jika jenis aliran turbulen :
Dengan :
L
= panjang pipa (m)
ρ
= massa jenis (kg/m3)
Vm
= keceptan fuilda dalam pipa (m/s)
dp
= diameter pipa (m)
2. Bila aliran laminar, maka kerugian tekanannya adalah :
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
27
Dengan :
λ
= koefisien gesek pada pipa
Vm
= kecepatan pipa (m)
L
= Panjang Pipa
ρ
= massa jenis (kg/
)
Kerugian tekanan aliran fluida pada aliran masuk tergantung pada profil
ujung pipa. Untuk analisa ini digunakan profil ujung pipa yang dibulatkan dengan
jari-jari kecil maka kehilangan aliran antara (ζi) 0,05 s/d 0,1 sehingga kerugian
tekanan (∆p) yang dialami fuida.
Dengan :
Vp
= kecepatan fluida dalam pipa (ms)
ρ
= massa jenis (kg/m3)
Sehingga didapat kerugian akibat gesekan dinding katup sebesar :
Pemakaian
pipa
fleksibel
pada
pemasangannya
akan
mengalami
pembengkokkan sehingga terjadi perubahan aliran yang mengakibatkan perubahan
pada tekanan. Harga koefisien bengkokan (ζb) diambil untuk bengkokan
= 0,1 sehingga kehilangan pada tekanan aliran fluuida adalah sebagai berikut :
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
maka
28
2.7.3 Analisa Aliran Fluida dalam Katup
Kecepatan aliran fluida pada saluran masuk ke dalam katup dengan diameter
(dK) dengan debit aliran (QK), maka kecepatan aliran pada saluran masuk adalah :
Dengan :
Ak
= luas penampang katup (m)
Aliran yang masuk kedalam silinder hidraulik mengalami pemisahan aliran
(percabangan) dengan pertimbagan bahwa aliran yang masuk kedalam salah satu
piston sehingga salah satu akan tertutup. Dengan demikian aliran aliran fluida akan
mengalami kerugian tekanan.
Gambar 2.15 Aliran Katup
Sumber: Dokumentasi Pribadi
Kerugian tekanan akibat percabangan yaitu :
1. Kerugian akibat aliran yang dicabangkan yang besarnya (ζa) = 1,3
percabangan dengan sudut 900 maka kerugian tekanan adalah :
http://digilib.mercubuana.ac.id/z
29
2. Kerugian aliran pada aliran yang melaju terus (ζd) = 0,06, kerugian
tekanan yang dialami adalah :
Kecepatan aliran fluida pada saluran masuk dalam silinder hidraulik :
Kerugian aliran fluida karena faktor bentuk pada saluran masuk (ζd) = 0,02 ,
kerugian tekanan yang dialami fluida adalah :
Dengan :
∆p
= jumlah tekanan yang mengalir dalam rangkaian power steering
Pkatup
= jumlah tekanan yang keluar dari katup (N/m2).
http://digilib.mercubuana.ac.id/z