AERODINAMIKA MOBIL DAN BENTUK BODI KENDARAAN

Nama :

Fredy Nurmansyah     15504241035

Angga Wilu Utomo    15504241036

Dwi Ahmad Arif         15504241037

AERODINAMIKA MOBIL DAN BENTUK BODI KENDARAAN

Dinamika fluida adalah subdisiplin dari mekanika fluida yang mempelajari fluida bergerak. Fluida terutama cairan dan gas. Penyelesaian dari masalah dinamika fluida biasanya melibatkan perhitungan banyak properti dari fluida, seperti kecepatan, tekanan, kepadatan, dan suhu, sebagai fungsi ruang dan waktu. Dinamika fluida adalah ilmu yang mengklasifikasikan berbagai cairan dan gas dalam arah yang sama (Anderson, John D., Jr. (1986)). Secara umum, dinamika fluida dibedakan menjadi tiga, yaitu

o Hydrodynamics, membahas laju aliran cairan

o Gas dynamics, membahas laju aliran gas

o Aerodynamics, membahas laju aliran udara

Aerodynamics (aerodinamika) didefinisikan sebagai dinamika dari gas-gas, khususnya interaksi antara obyek yang bergerak dengan udara sekitarnya. [Anderson, John D., Jr. (1986)] Ilmu ini sangat berguna dalam dunia kerja, dunia perancangan suatu sistem. Permodelan aerodinamika ini dapat dianalisa dengan perhitungan secara analitik. Banyaknya variabel yang terkandung dalam penganalisaan aerodinamika menyebabkan perhitungan secara analitik rumit dan komplek. Tetapi perhitungan secara analitik yang rumit dan komplek tadi dapat dihindari, cara yang lebih mudah dapat ditempuh dengan melakukan eksperimen. Eksperimen yang dilakukan digunakan untuk menyusun formulasi empiris serta penganalisaan data.

Aerodinamika dapat diterapkan untuk menganalisis kendaraan yang digunakan manusia, seperti mobil dan pesawat. Keduanya memiliki kesamaan mendasar yang sama, yaitu hambatan aerodinamik yang rendah, dan keseimbangan gaya dan momen pada masing-masing aksis tegak lurus terhadap arah gerak maju untuk mendapatkan kemampuan pengemudian yang baik atau stabilitas terbang. Keduanya juga memiliki perbedaan yang signifikan, yaitu aerodinamika pesawat terbang banyak dirancang dan dibentuk berdasarkan teori sedangkan aerodinamika mobil hampir seluruhnya diselesaikan dengan metode eksperimental.

Aerodinamika Otomotif

Fenomena aliran pada kendaraan digolongkan menjadi 3 bagian yaitu

o aliran udara sekeliling kendaraan dimana aliran bekerja pada bagian luar kendaraan yaitu berupa aliran yang berinteraksi dengan seluruh bentuk permukaan kendaraan

o aliran yang masuk ke dalam ruang kendaraan sebagai pendingin mesin, radiator dan sirkulasi udara dalam ruangan penumpang

o aliran internal adalah aliran yang berada dalam mesin itu sendiri seperti aliran fluida di dalam radiator, blok mesin, pada sistem transmisi kendaraan.

Oleh karena batasan penganalisaan hanya pada perancangan untuk membentuk kontur mobil dengan dimensi yang mini guna mendapatkan gaya hambat, gaya angkat yang minimal dengan tujuan menghemat bahan bakar maka dalam pembahasan tidak menyangkut aliran internal.

Dengan jenis pembahasan yang demikian, maka ada beberapa prinsip-prinsip mekanika fluida yang digunakan dalam pembahasan. Antara lain adalah prinsip kekekalan momentum, persamaan Bernoulli, Boundary layer, separasi, serta hubungan antara bilangan Reynold dengan koefisien drag.

Kekekalan Momentum -- Prinsip kekekalan momentum dinyatakan dengan persamaan  dengan gaya F dinyatakan sebagai :

1.                       Body force (FB) berupa gaya gravitasi, gaya elektromagnetik dan gaya-gaya lain yang bekerja di dalam benda.

2.                       Surface force (FS) berupa tekanan dan gaya geser yang bekerja pada control surface.

Karena P=momentum dinyatakan dengan  maka persamaan gaya F dinyatakan sebagai

Persamaan Bernoulli -- Persamaan Bernoulli memiliki formulasi . Nilai dari persamaan ini berharga konstan sepanjang memenuhi persyaratan garis aliran (streamline) pada kondisi aliran steady, tanpa gesekan, dan aliran incompressible. Tiap suku memiliki dimensi (L t)2 atau N.m kg , dimana :

sehingga persamaan Bernoulli tersebut merupakan energi per satuan massa. Bila dibagi dengan g diperoleh :

dimana dapat dibaca sebagai energi per unit berat, atau dalam bentuk lain diperoleh :

yang penggunaannya lebih spesifik untuk aliran gas, bila perubahan ketinggian tidak terlalu dipentingkan dan nilai  dapat diabaikan.

Boundary Layer -- Boundary layer merupakan suatu daerah dimana kecepatan aliran berkurang dari kecepatan bebas tanpa gesekan pada batas luar daerah tersebut sampai tidak ada kecepatan sama sekali. Ketika aliran terseparasi pada bagian belakang kendaraan, boundary layer terdispersi dan keseluruhan aliran teratur hanya oleh karena efek viskositas. Boundary layer timbul akibat adanya efek gesekan aliran antara partikel udara dengan permukaan benda. [Hucho, Wolf-Heinrich (1987)]

Konsep boundary layer berlaku apabila Reynold number, parameter tanpa dimensi ini mempunyai nilai .

Persamaan ini adalah fungsi kecepatan dari kendaraan ( ), viskositas kinematik (v) dari fluida dan panjang karakteristik dari kendaraan (l).

Gambar 1 Boundary Layer

Aliran dalam sebuah boundary layer sepanjang plat tipis datar diperlihatkan pada gambar 2 Berhubungan dengan aliran eksternal yang sejajar dengan streamlines memiliki kecepatan  dan tekanan  yang homogen. Viskositas aliran bersifat tanpa slip sama sekali sepanjang dinding. Di bagian plat depan dari aliran boundary layer dalam keadaan steady dan hampir paralel dengan dinding. Keadaan ini disebut sebagai aliran laminar. Meningkatnya ketebalan boundary layer dapat didekati dengan rumus

Dengan meningkatnya jarak x dan viskositas kinematik v dan menurunnya kecepatan aliran bebas ∞ V , ketebalan boundary layer bertambah.

Gambar 2 Boundary layer di sepanjang sebuah plat tipis datar

Kondisi aliran laminar dari boundary layer stabil terhadap gangguan hanya untuk beberapa kondisi. Pada jarak  dari garis transisi, kondisi aliran turbulen. Transisi antara aliran laminar dan aliran turbulen ditentukan oleh angka Reynold. Untuk kondisi plat datar, transisi terjadi pada

Tetapi angka ini hanya berlaku pada tekanan yang tidak memiliki gradien dalam aliran eksternal. Dalam kasus tekanan yang memiliki gradien, tekanan melemah dalam menuju ke aliran laminar yang stabil dimana dapat menyebabkan aliran transisi yang dini untuk menuju ke kondisi aliran turbulen dalam boundary layer.

Kecepatan aliran turbulen mempengaruhi kondisi aliran itu sendiri sehingga secara terpisah dapat mempengaruhi viskositas dari fluida. Maka dari itu, ketebalan boundary layer sepanjang plat datar meningkat dengan lebih cepat dari titik transisi yang dirumuskan dengan

Gambar 3 Aliran turbulen pada boundary layer

Benda yang bergerak selain memiliki boundary layer, juga akan mengalami separasi. Fenomena tersebut terjadi ketika peningkatan tekanan dalam arah aliran pada boundary layer menyebabkan terjadinya aliran balik. Gambar 4 memperlihatkan profil aliran searah kecepatan dan aliran terbalik terhadap profil kecepatan, yang menyebabkan streamline (fenomena separasi). Kondisi pada titik separasi ditentukan oleh . Tipe aliran dibatasi oleh angka Reynold, dimana:

·  Aliran laminar untuk  dengan angka

·  Aliran turbulen untuk  dengan angka

·  Untuk aliran dengan angka , drag berkembang secara asimtotik,  dimana  adalah fungsi dari angka Reynold, koefisien gaya hambat

Gambar 4 Separasi aliran dari boundary layer pada permukaan

Beberapa kondisi pada angka Re telah diteliti dan didokumentasikan oleh para ahli. Kondisi tersebut adalah sebagai berikut :

o Untuk Re << 1. Aliran dalam jeda ini terpelihara asimetri, dan pada kedua sisi tersebut tidak ada separasi aliran. Drag force pada silinder sepenuhnya disebabkan oleh hambatan deformasi.

o Untuk 4 ≤ Re ≤ 40 . Dalam jeda ini, aliran terseparasi, menyebabkan dua vortex yang besar di belakang silinder. Vortex ini terpelihara menempel pada silinder sampai Re diatas 40. Aliran masih asimetri terhadap arah aliran. Drag force bertambah seiring dengan Re, tetapi lift force masih belum ada.

o Untuk 40 ≤ Re ≤ 150 . Dalam jeda ini, aliran simetri hampir menghilang seluruhnya.

o Untuk 200 ≤ Re ≤ 400 . Aliran dalam vortex berubah dari laminar menjadi turbulen. Transisi ini dikenal sebagai daerah transisi Tritton.

o Untuk 400 ≤ Re ≤ 3.105 . Von Karman Vortex street muncul dengan pola antisimetri.

o Untuk 3.105 ≤ Re ≤ 5.105 . Aliran berubah dengan cepat, aliran dapat berupa subkritis, kritis transisi dan superkritis. Berhubungan dengan keadaan tersebut dapat merubah juga drag force dan lift forcenya.

o Untuk 5.105 ≤ Re ≤ 3.106 . Aliran seluruhnya pada fase superkritis, dan titik separasi bergerak mundur, lebar wake mengecil dan koefisien drag turun drastis. Penurunan drag ini dikenal dengan “drag crisis”.

o Untuk Re ≥ 3.106 . Drag meningkat dari titik terendah pada fase krisis drag tetapi masih lebih kecil daripada drag yang diteliti pada angka Re yang lebih rendah. Aliran yang terbentuk seluruhnya turbulen.

Indikasi terjadinya drag (gaya hambat) adalah perbedaan kutub tekanan antara bagian depan kendaraan dengan bagian belakang kendaraan. Semakin besar perbedaan tekanan pada kendaraan yang sedang melaju, semakin besar drag force-nya. Besarnya drag force ini sebanding dengan besarnya kecepatan kendaraan.

Indikasi terjadinya lift force (gaya angkat) adalah perbedaan kecepatan aliran pada bagian atas kendaraan dibandingkan dengan bagian bawah kendaraan. Streamline yang rapat mengartikan bahwa kondisi aliran tersebut pada kecepatan tinggi dan konsekuensinya didapati tekanan statis yang rendah. Perbedaan tekanan antara sisi atas dan sisi bawah dari kendaraan menyebabkan gaya resultan yang arahnya ke atas tegak lurus dengan arah gerakan dinamakan dengan lift. Gaya ini dapat mengurangi kestabilan arah kendaraan dan merubah karakter kendaraan.

Bagaimanapun juga beban pada roda dan stabilitas kendaraan baik kecil maupun besar sangat dipengaruhi oleh lift. [Hucho, Wolf-Heinrich (1987)] Rancangan bodi kendaraan yang baik seharusnya terbeban dengan drag force yang kecil dan lift force yang kecil juga supaya gaya dan momen akibat gaya aerodinamik tetap kecil yang menyebabkan arah kestabilan kendaraan tetap terjaga dan tidak terlalu berpengaruh walaupun terhadap arah angin yang melintang.

Rancangan dimulai dengan model baik dengan perbandingan penuh maupun dengan skala kecil pada bagian permodelan. Kemudian dilanjutkan dengan pengoptimalan bentuk yang disebut dengan tahap “detail optimization”. Tahap ini dilakukan eksperimen dalam terowongan angin.

Aliran eksternal pada bodi kendaraan diperlihatkan pada gambar 5. Dalam kondisi angin yang diam, kecepatan aliran bebas V_∞ adalah kecepatan dari kendaraan. Dalam keadaan aliran tanpa separasi, efek viskositas dari fluida terbatas pada lapisan tipis beberapa milimeter yang disebut dengan lapisan batas (boundary layer).

Gambar 5 Aliran udara di sekitar kendaraan

Pola Aliran Sekitar Kendaraan

Bidang kontak sebuah kendaraan dikelompokkan menjadi 2 bagian yaitu yang pertama bidang kontak kendaraan dengan aliran angin dan yang kedua kontak kendaraan dengan permukaan jalan. Saat sebuah kendaraan bergerak, melaju dengan kecepatan konstan maka terjadi kecepatan relatif antara kendaraan dengan permukaan jalan dan relatif terhadap aliran angin. Jika seolah-olah angin tidak bergerak, maka kecepatan relatif kendaraan dengan permukaan jalan sama dengan kecepatan relatif kendaraan dengan aliran angin. Jika angin tersebut bergerak dan mempunyai kecepatan tertentu maka terdapat 2 kecepatan relatif yaitu kecepatan relatif antara kendaraan dengan permukaan jalan dan kecepatan relatif kendaraan dengan angin yang berhembus. Pada pendekatan aerodinamika, angin diasumsikan tidak bergerak, menjadi satu kesatuan antara atmosfir dan permukaan jalan dan kecepatan kendaraan diasumsikan konstan. Hal inilah yang menjadi dasar dari pengembangan arodinamika. [Hucho, Wolf-Heinrich. (1987)]

Fenomena aerodinamika kendaraan didasari oleh kecepatan relatif dari udara disepanjang bentuk bodi kendaraan. Fenomena tersebut diperlihatkan pada gambar 2.

Gambar 6 Pola aliran udara di sekitar kendaraan

Gambar 6 memperlihatkan sebuah partikel A, yaitu komponen kecil dari udara dengan kecepatan relatif terhadap sumbu x (axis) yang terletak pada kendaraan yang bergerak dan  menyusuri alur tertentu disebut dengan streamline. Jika tidak ada angin yang berhembus dan kecepatan kendaraan adalah konstan maka partikel A yang lain akan menyusuri jalur yang sama, demikian juga dengan partikel udara yang lain secara kontinu. Hal ini berlaku pada semua partikel udara yang lain yang melalui partikel A.

Streamline merupakan garis-garis yang dibuat sedemikian rupa di dalam medan kecepatan, sehingga setiap garis-garis tersebut akan searah dengan aliran disetiap titik di dalam medan aliran tersebut. [Sutantra, I Nyoman (2001)]

Gaya Aerodinamik

Gaya aerodinamik dapat dinyatakan sebagai akibat dari aliran udara pada suatu permukaan dari suatu benda seperti pesawat, kereta api, helikopter, mobil dan sebagainya, yang bersumber dari :

1. distribusi tekanan (pressure distribution) pada permukaan.

2. tegangan geser (shear force) pada permukaan.

Gambar 7 Vektor gaya pembentuk gaya aerodinamika

Gambar 7 memperlihatkan adanya distribusi tekanan yang dikerjakan fluida pada permukaan objek. Panjang panah menunjukkan besar tekanannya. Perbedaan tekanan antar titik tersebut menunjukkan beda tekanan, sehingga menimbulkan gaya aerodinamik. Sumber kedua adalah tegangan geser yang terjadi pada permukaan benda, yang berasal dari efek gesekan fluida yang melawan bidang permukaan benda. Tegangan geser  didefinisikan sebagai gaya yang bekerja searah tangensial permukaan per unit luasnya sehingga mengakibatkan terjadinya gesekan. Juga terjadi pada titik-titik yang memiliki besar yang berbeda-beda bergantung dari letak titik-titik tersebut. Jumlah dari gaya-gaya ini mengakibatkan terjadinya distribusi tegangan geser yang juga menimbulkan gaya aerodinamik.

Dalam penjabaran aerodinamika kendaraan, P dan  sangat penting. Resultan distribusi P dan  pada permukaan menghasilkan gaya yang dinotasikan dengan R. Gaya R dapat diuraikan menjadi dua komponen gaya yaitu yang paralel terhadap V dan yang tegak lurus terhadap V dimana V adalah kecepatan udara relatif terhadap benda yang biasa disebut dengan free stream velocity. Komponen gaya yang paralel dengan arah V disebut gaya hambat atau drag force, sedangkan komponen gaya yang tegak lurus terhadap arah V disebut dengan gaya angkat atau lift force.

Gaya aerodinamik yang terjadi pada benda meliputi :

1. Aerodynamic drag

2. Aerodynamic lift

3. Aerodynamic side

Selain ketiga gaya diatas, masih terdapat momen yang bekerja pada benda tersebut, yaitu :

1. Pitching moment

2. Yawing moment

3. Rolling moment

Gambar 8 Gaya dan momen aerodinamik

Gaya Hambat Aerodinamik (Drag Force)

Hambatan aerodinamik merupakan gaya seret yang bekerja paralel terhadap arah aliran. Gaya hambat atau yang disebut sebagai drag ini merupakan gaya yang menahan gerak benda. Secara umum gaya hambat ini terjadi akibat perbedaan tekanan antara bagian depan dan belakang benda. Besarnya gaya hambat aerodinamik dapat diformulasikan :

Hambatan aerodinamik mobil dibedakan menjadi dua jenis, yaitu

1.                       External Drag :

                       Body drag

                       Protuberance drag

2.                       Internal Drag :

                       Engine cooling drag

                       Heating and ventilation drag

                       Component colling drag

Hambatan aerodinamik dapat juga diklasifikasikan sebagai berikut :

1.                       Hambatan akibat tekanan yang merupakan resultan semua tekanan normal pada bidang permukaan kendaraan.

2.                       Hambatan akibat gesekan yang merupakan resultan semua gaya tangensial pada bidang permukaan kendaraan.

3.                       Hambatan akibat aliran udara pada bagian dalam.

Gaya hambat total terdiri dari beberapa jenis gaya hambat [Scybor, Rilski (1975)] yaitu :

1.                       Hambatan bentuk

Bentuk bodi mobil yang kompleks menyebabkan terjadinya distribusi tekanan di sepanjang permukaan mobil tersebut. Selain itu, telah dijelaskan bahwa sifat dari aliran udara memiliki viskositas maka timbul tegangan geser di sepanjang permukaan mobil. Dengan adanya perbedaan tekanan antara bagian depan mobil dengan bagian belakang mobil dimana tekanan positif bekerja pada bagian depan mobil dan tekanan negatif bekerja pada bagian belakang mobil sehingga menyebabkan timbulnya gaya hambat yang bekerja berlawanan dengan arah gerak mobil.

2.                       Hambatan pusaran

Karena adanya perbedaan tekanan antara bagian atas mobil dan bagian bawah mobil, menyebabkan timbulnya gerakan aliran udara dari permukaan bawah menuju ke permukaan atas mobil yang berupa pusaran (vortex). Timbulnya vortex pada mobil juga akan menghambat gerak laju mobil yang disebabkan adanya pengaruh gaya angkat vertikal pada bodi mobil yang sedang bergerak secara horisontal. Vortex yang terjadi akan mengubah arah lift yang semula tegak lurus terhadap jalan menjadi miring ke belakang dengan sudut yang relatif kecil ε. Timbulnya defleksi ke arah belakang dari gaya angkat menyebabkan terjadinya komponen induced drag dalam arah horisontal. Induced drag adalah gaya hambat aerodinamik yang ditimbulkan akibat gaya angkat aerodinamik yang mengalami defleksi dengan adanya aliran pusaran yang terjadi pada bagian belakang mobil, yang besarnya adalah

3.                       Hambatan tonjolan

Gaya hambat yang disebabkan oleh adanya tonjolan profil tertentu pada bagian permukaan bodi mobil seperti kaca spion, pegangan pintu, antena dan aksesori lainnya.

4.                       Hambatan aliran dalam

Gaya hambat oleh aliran udara yang mengalir melalui sistem pendingin mesin yaitu radiator.

Hambatan yang paling mempengaruhi adalah hambatan bentuk dan hambatan pusaran.

Gaya Angkat Aerodinamik (Lift Force)

Aliran udara memiliki viskositas yang pada jarak ground clearance (dekat bumi) sangat kecil akan terbentuk boundary layer pada bagian bawah mobil dan boundary layer pada tanah. Boundary layer ini akan mengadakan interaksi satu sama lain sehingga akan memperlambat kecepatan aliran tekanan yang dihasilkan semakin besar.

Kecepatan aliran udara pada bagian bawah juga dipengaruhi oleh profil mesin bagian bawah dan kekasaran permukaan. Adanya berbagai tonjolan profil mesin pada bagian bawah akan menyebabkan separasi aliran sehingga kecepatan aliran rendah dan tekanan semakin besar.

Perbedaan bentuk antara permukaan atas dan bawah mobil menyebabkan kecepatan aliran udara pada bagian atas mobil lebih cepat daripada bagian bawah mobil, sehingga tekanan pada permukaan atas mobil lebih rendah daripada permukaan bawah mobil.

Karenanya, tekanan yang bekerja pada bagian bawah mobil secara umum lebih besar dari tekanan yang bekerja pada bagian atas mobil, sehingga menimbulkan gaya angkat yang biasa disebut dengan lift karena adanya desakan aliran udara dari permukaan bawah ke permukaan atas kendaraan.

Pada mulanya aspek gaya angkat ini tidak terlalu diperhatikan karena kecepatan kendaraan tidak menimbulkan gaya angkat yang cukup berarti, tetapi dengan kemajuan teknologi yang berkembang pesat dimana kecepatan kendaraan yang semakin tinggi dapat menimbulkan masalah dalam hal stabilitas dan respon kendaraan. Semakin cepat kendaraan melaju, semakin sulit dikendalikan. Salah satu cara untuk mengendalikan stabilitas dan respon kendaraan adalah dengan cara memperkecil gaya angkat yang ditimbulkan.

Besarnya gaya angkat ini memiliki formulasi :

Dimana  adalah koefisien gaya angkat.

Dari pembahasan sebelumnya telah diketahui bahwa gaya angkat ini bekerja pada arah tegak lurus arah aliran, pada perancangan kendaraan darat, gaya angkat diminimalkan atau justru berharga negatif dimana pada umumnya gaya angkat ini berharga positif yang artinya gaya ini dapat mengurangi gaya tekan ke bawah akibat berat kendaraan itu sendiri dan faktor-faktor yang lain. Tujuan dari meminimalkan gaya angkat ini agar kendaraan tidak mendapat defisit daya cengkeram antara roda dan permukaan jalan. Hal ini menghasilkan kestabilan kendaraan yang baik.

Gaya Samping Aerodinamik (Side Force)

Gaya samping aerodinamik ditimbulkan oleh arah angin yang membentuk sudut terhadap arah laju kendaraan. Kondisi ini dapat terjadi akibat kendaraan berbelok atau arah hembusan angin yang membentuk sudut terhadap arah laju kendaraan.

Gaya samping aerodinamik dapat mendorong kendaraan ke arah samping sehingga kendaraan akan mengalami selip ke samping. Kondisi lain yang mungkin terjadi adalah apabila gaya samping ini bekerja tidak pada titik berat kendaraan, maka akan menimbulkan rolling moment dan yawing moment yang akan menyebabkan kendaraan terguling maupun berbelok.

Besar gaya samping aerodinamik ini dapat diformulasikan :

Dimana  adalah koefisien gaya samping,  adalah kekerapan udara ,  adalah luas daerah frontal , dan  adalah kecepatan kendaraan relatif terhadap kecepatan udara .

Perancangan Bentuk

Alternatif untuk merancang sebuah bentuk baru yang hambatan aerodinamiknya rendah dapat ditempuh dengan mengawali sebuah bentuk yang primitif, dimana bentuk tersebut hanya mewakili dimensi utama dari mobil itu sendiri yang biasanya disebut dengan enveloping box, berisi ukuran panjang keseluruhan, tinggi keseluruhan, wheel base, dan letak tempat duduk penumpang.

Tahap ini disebut dengan basic body. Kemudian dikembangkan menjadi bentuk yang diinginkan sesuai dengan teori yang ada. Pada tahap ini bentuk sudah terlihat tetapi masih belum terdapat garis-garis tajam pada sisi-sisi mobil yang berguna sebagai penguat dari pelat pembentuk bodi luar mobil, disebut sebagai basic shape. Pada tahap ini biasanya terjadi kenaikan angka koefisien drag. Selanjutnya dikembangkan pada tahap basic model dimana pada tahap ini model sudah memiliki garis-garis penguat pelat pembentuk bodi luar mobil dan dilanjutkan pada pengoptimalan estetika mobil serta peralatan pelengkap lain seperti kaca spion, wiper, dan sebagainya.

Gambar 9 Enveloping box

Gambar 10 Koefisien drag berdasar bentuk mobil

Untuk membentuk sebuah model yang rendah drag harus selalu memperhatikan konsep aerodinamikanya. Detil sebuah rancangan berupa radius, kurva, taper, spoiler dan sebagainya Seperti pada mobil VW Scirocco I dan Golf Rabbit I, dimana telah dirancang sampai pada tahap detail optimization melingkupi beberapa perubahan bentuk untuk mendapat koefisien drag yang paling optimal. Beberapa bagian dari sebuah bodi mobil yang dapat dimodifikasi untuk menurunkan nilai drag secara signifikan pada VW Scirocco I adalah bentuk ujung kap depan, siku bagian dalam bawah kap depan, taper pilar bagian depan, ukuran tinggi rendah terhadap permukaan tanah pada pelindung bumper bawah bagian depan, kekasaran permukaan pada bodi mobil bagian tengah.

Gambar 11 Poin-poin pengoptimalan bentuk pada VW Scirocco I

Modifikasi bagian A dilakukan pada ujung kap mobil. Bentuk awal kap depan mobil ini berbentuk siku tajam digambarkan oleh garis nomor satu, kemudian dilakukan tapering pada ujung kap mobil tersebut. Modifikasi bentuk kap bagian depan memberikan dampak penurunan drag sebesar 3%. Bagian berikutnya adalah bagian B, siku bagian dalam, bagian bawah dari ujung kap depan. Bentuk awal dari bagian ini digambarkan dengan garis nomor satu pada bagian B dimana terlihat bentuk siku yang cukup tajam, modifikasi dilakukan juga dengan tapering pada bagian tersebut dimana dampak penurunan nilai drag yang didapat sebesar 2% dari nilai drag awal dan jika kedua modifikasi bentuk ini diterapkan, akan memberikan dampak penurunan nilai drag sebesar 5%. Pada bagian C, disebut dengan pilar-A, pilar kaca bagian depan dimana bentuk awal digambarkan oleh garis nomor satu yang kemudian dimodifikasi dengan menambah kemiringan pilar-A terhadap kaca depan, memberikan kontribusi penurunan nilai drag sebesar 4%. Pada bagian D, yaitu pada pelindung sisi bawah bumper dilakukan modifikasi dengan menambah ketebalan pelindung bawah sebesar 1 cm dapat memberikan penurunan nilai drag sebesar 1%. Bagian terakhir dari proses modifikasi pada mobil VW Scirocco I ini adalah kekasaran permukaan pada bagian bawah dari mobil diusahakan sehalus mungkin sehingga dapat mengurangi ketebalan boundary layer yang disebabkan gaya geser yang berlebihan pada permukaan bawah mobil. Modifikasi pada bagian E ini memberikan dampak penurunan nilai drag sebesar 3%. Jadi total nilai kontribusi penurunan drag sebesar 13% didapat dari semua modifikasi yang diterapkan. Teknik ini disebut dengan detail optimization.

Gambar 12 Perbedaan ujung tepi siku dan bulat

Pada gambar 12(a) terlihat pada ujung depan sebuah mobil van yang mempunyai bentuk tepi tanpa radius, mempunyai nilai drag yang cukup besar dikarenakan oleh besarnya separasi yang terjadi pada mobil tersebut. Pada model ini, separasi terjadi mulai dari ujung depan kendaraan. Perbedaan mencolok terjadi saat tepi bagian depan mobil ini diberi radius seperti pada gambar 12(b), nilai drag menurun drastis dari 0.76 menjadi 0.42 yang dikarenakan tidak terjadi separasi sepanjang bodi mobil sampai pada ujung belakang mobil dimana streamline menyatu kembali dengan freestream velocity.

Gambar 13 Beberapa bagian kendaraan yang dapat menurunkan drag

Pada penjabaran pengaruh bentuk terhadap drag, angin melalui sebuah permukaan mobil diasumsikan simetris walaupun pada kenyataannya asimetris karena aliran angin akan membentuk sudut terhadap arah laju mobil. Hal ini diakibatkan oleh arah angin natural yang selalu berfluktuasi. Secara skematik, arah aliran yang melalui sebuah permukaan mobil diperlihatkan oleh gambar 14.

Gambar 14 Aliran angin melalui permukaan mobil, depan belakang serta detil skematik

Hal-hal yang Mempengaruhi Bentuk Ideal Mobil :

1.      Pengaruh Bentuk Belakang terhadap Koefisien Drag

v     Bentuk Belakang Ditinjau dari Segi Pola Aliran

Gambar 15 Pola aliran pada bentuk belakang yang berbeda-beda, skematik

Gambar 16 Macam bentuk belakang : (a) Squareback; (b) & (c) Fastback; (d) Notchback

Dimana pola aliran squareback akan terbentuk pada konfigurasi (a), pola aliran fastback akan terbentuk pada konfigurasi (b) dan (c), sedangkan pada konfigurasi (d) akan terbentuk pola aliran notchback.

Gambar 17 Macam pola aliran pada bagian belakang mobil

Pola aliran notchback hanya terjadi pada mobil jenis sedan salon yaitu jenis sedan yang memiliki ekor. Pola aliran fastback hanya terjadi pada mobil jenis sedan hatchback, yaitu jenis sedan tanpa ekor, atau mobil jenis MPV (Multi Purpose Vehicle) dimana sudut elevasi atau slope kaca bagian belakang kurang dari 30° . Macam pola aliran tersebut sangat mempengaruhi besarnya drag. Drag yang berhubungan dengan pola aliran fastback besarnya berfluktuasi bergantung pada sudut inklinasi kaca belakang. Sedangkan drag yang berhubungan dengan pola aliran squareback besarnya relatif stabil.

Gambar 18 Hubungan antara slope (sudut kemiringan) bagian belakang dengan drag

Gambar 18 menunjukkan peningkatan angka lift sampai dengan sudut kemiringan bentuk belakang kurang lebih 30°, kemudian menurun drastis mulai sudut kemiringan lebih dari 30°. Hal ini disebabkan oleh karena perubahan kecepatan aliran pada bagian atas kendaraan. Pada mobil tipe fastback, kecepatan aliran pada bagian atas ujung belakang kendaraan masih relatif tinggi sehingga tekanan pada permukaan bagian tersebut masih relatif rendah yang menyebabkan lift masih meningkat, ditambah juga dengan pengaruh vortex yang makin menguat pada sudut mendekati 30°.

Mulai sudut kemiringan atau slope lebih dari 30°, tipe aliran menjadi squareback, terjadi separasi aliran yang menyebabkan kecepatan aliran menurun drastis sehingga tekanan pada bagian belakang meningkat. Hal inilah yang menyebabkan lift menurun drastis pada mobil jenis squareback.

v     Bentuk Belakang Ditinjau dari Tampak Atas

Bentuk sisi samping pada bagian belakang dapat dirancang sedemikian rupa untuk mendapatkan penurunan nilai drag. Fenomena penurunan drag akibat pengecilan penampang pada ujung akhir dari sebuah kendaraan dapat diidealisasikan dengan bentuk yang sederhana yaitu fluida yang mengalir pada permukaan silinder pejal tegak lurus terhadap sumbu, dimana pada saat aliran bersifat viscous maka ada separasi pada bagian belakang belakang silinder dengan keadaan tertentu. Fenomena silinder pejal diterapkan pada mobil, sehingga mobil tidak berbentuk kotak pada bagian belakang, namun menyempit dengan sudut tertentu.

Sebelum aliran kehilangan momentum pada boundary layer-nya, pengecilan penampang dirancang selandai mungkin tetapi dengan batas panjang kendaraan dimana angka optimal yang didapat dari penelitian adalah 22° . Jadi dengan kata lain, jika sudut yang dipasangkan melebihi angka tersebut, maka aliran akan mengalami separasi, sebagai dampaknya adalah kenaikan koefisien drag.

v     Bentuk Belakang Ditinjau dari Ukuran Panjang

Semakin panjang bagian bodi belakang, semakin landai daerah pengecilan penampang tampak samping, maka semakin kecil pula aliran kehilangan momentum pada boundary layer-nya, sebagai dampaknya adalah terjadi penurunan koefisien drag.

v     Bentuk Belakang Ditinjau dari Difuser

Penurunan nilai koefisien drag juga dapat dicapai dengan mengatur besar penampang pada bagian bawah belakang mobil yaitu dengan mengatur ketinggian dari sisi bawah bagian belakang. Pengaruh dari perancangan bentuk difuser ini berlaku hanya jika halus pada permukaan bagian bawah belakangnya.

Pengaruh Bentuk Depan terhadap Koefisien Drag dan Lift

Bentuk depan mobil akan mempengaruhi nilai koefisien drag. Gambar 19 memperlihatkan pengurangan nilai koefisien drag dari suatu mobil.

Gambar 19 Beberapa modifikasi bentuk depan yang ideal

Akan tetapi nilai drag yang rendah tidak hanya dapat dicapai dengan menambahkan ujung depan yang “ideal”, melainkan hanya memberi radius tertentu atau memberi chamfer pada ujung depan.

Modifikasi bentuk depan pada VW Passat menunjukkan bahwa drag yang optimal tidak hanya dicapai dengan penambahan bentuk depan yang “ideal”. Gambar 20 memperlihatkan fenomena aliran yang terjadi pada modifikasi beberapa konfigurasi bentuk depan mobil VW Passat.

Gambar 20 Optimalisasi bentuk depan VW Passat, model tahun 1978

Pada kasus yang lain, dapat memodifikasi hanya pada bagian kecil dari detil bagian depan mobil, tetapi menghasilkan penurunan drag yang sama dengan penambahan ujung depan yang “ideal”.

2.      Pengaruh Sudut Kap dan Kaca Depan terhadap Koefisien Drag

Gambar 21 Pengaruh sudut kemiringan kap dan kemiringan kaca depan

Sudut kemiringan kap depan dapat menimbulkan efek separasi, sehingga kemiringan yang tepat diperlukan untuk mengurangi nilai drag. Demikian juga dengan sudut kemiringan kaca depan dimana fungsi dari kemiringan ini juga supaya tidak ada efek separasi yang terjadi pada ujung depan kap atas mobil, aliran tetap meluncur tanpa efek separasi.

Sudut kemiringan kap depan yang diperlukan untuk membuat aliran tanpa efek separasi cukup kecil, supaya tekanan aliran udara tidak mengalami penurunan akibat peningkatan kecepatan aliran. Sudut kemiringan kaca depan berfungsi agar tekanan aliran yang menumbuk kaca depan tidak terlalu besar, yang akan menyebabkan peningkatan drag. Akan tetapi kemiringan sudut yang berlebihan tidak menyebabkan punurunan angka drag yang lebih baik.

Hal tersebut dapat diperjelas dengan contoh perbandingan yang terdapat pada mobil Audi 100 II dan Audi 100 III dimana pada mobil Audi 100 II, besar sudut kemiringan kaca depannya 55° , dikembangkan pada Audi 100 III dimana sudut kemiringan kaca depannya 60.5° dan diperoleh penurunan drag sebesar 0.009.

Gambar 22 merupakan alternatif bentuk kendaraan yang sangat rendah koefisien drag-nya, yaitu antara 0.15 sampai dengan 0.16. Angka tersebut sudah termasuk dengan rodanya.

Gambar 22 Alternatif bentuk rendah drag

3.      Pengaruh Kecembungan Atap terhadap Koefisien Drag

Atap dirancang sedemikian rupa hingga menjadi kokoh dan kaku. Untuk alasan estetika, kecembungan atap dirancang sekecil mungkin. Jika kecembungan atap ini bertambah, akan menyebabkan penurunan koefisien drag. Gambar 23 memperlihatkan hubungan antara koefisien drag dan besar daerah frontal terhadap ketebalan kecembungan per satuan tinggi awal mobil tipe aliran belakang fastback.

Gambar 23 Pengaruh konveksitas (kecembungan) atap terhadap koefisien drag

Sebuah rancangan atap mobil dapat dibuat tidak cembung tetapi dengan konsekwensi biaya pembuatan yang mahal karena kaca depan dan belakang harus dibuat sedemikian rupa sehingga kurva kaca yang berhubungan dengan atap dapat menyatu tanpa ada belokan, sambungan antara kaca dan atap berupa smooth curvature.

4.      Pengaruh Kecembungan Bagian Samping terhadap Koefisien Drag

Kecembungan bodi bagian samping juga dapat menurunkan nilai koefisien drag, hal ini disebabkan oleh karena dengan kecembungan tersebut, beban radius pada siku bagian depan dapat berkurang, demikian juga dengan bentuk boat tailing yang dirancang pada bagian belakang tidak mengalami beban yang berlebihan sehingga efeknya adalah peningkatan tekanan pada bagian belakang kendaraan yang menyebabkan penurunan nilai koefisien drag.

5.      Pengaruh Kedalaman Celah terhadap Koefisien Drag

Kedalaman celah antara pintu ataupun kaca dapat menimbulkan efek pada angka koefisien drag. Semakin dalamnya celah menyebabkan peningkatan dalam angka koefisien drag, demikian juga sebaliknya.

6.      Pengaruh Kekasaran Permukaan Bawah terhadap Koefisien Drag

Kekasaran pada permukaan bagian bawah kendaraan dapat menyebabkan kenaikan angka koefisien drag. Dalam kondisi permukaan bagian bawah yang sangat kasar, hal ini harus diatasi dengan pemberian pelindung ataupun penutup. Tetapi hal hal ini sangat sulit diatasi oleh karena desain dari mesin, serta komponen-komponen lain sangat bervariasi.

Gambar 24 Bagiab bawah mobil

Angka penurunan koefisien drag yang dapat dicapai dalam kondisi tanpa desain difuser adalah 0.045. Kondisi tersebut dapat dicapai dengan pemasangan penutup panel pada seluruh bagian bawah kendaraan. Jika desain tersebut ditambah dengan perancangan difuser, maka nilai maksimum penurunan koefisien drag adalah 0.07.

7.      Dampak Posisi Roda Kendaraan terhadap Koefisien Drag dan Lift

Aliran udara melalui sebuah roda yang bergerak memiliki fenomena yang cukup rumit. Koefisien drag melalui sebuah roda yang bergerak tanpa penutup dapat dihitung dengan pendekatan rumus :

dimana :

D adalah gaya drag aerodinamik, V adalah kecepatan tangensial roda, B adalah lebar penampang frontal roda, R adalah jari-jari keseluruhan roda

Posisi peletakan ban yang semakin dalam pada rumah roda dapat memperkecil koefisien drag maupun lift. Sebaiknya posisi peletakan roda minimum setengah dari tinggi total roda karena angka koefisien drag menurun drastis sampai pada titik h/D = 0.5, peletakan roda pada rumah roda melebihi setengah dari ketinggian roda justru akan meningkatkan koefisien drag. Demikian juga dengan koefisien lift yang mengalami penurunan yang drastis dari posisi peletakan roda h/D = 0.2 sampai dengan h/D = 0.25. Kemudian relatif tetap hingga pada posisi peletakan h/D = 0.5, angka koefisien lift mulai menunjukkan penurunan lagi hingga h/D mendekati 1.

Bentuk bodi mobil

1.    Convertible

Pada dasarnya, mobil yang atapnya bisa dilipat termasuk ke dalam kategori mobil convertible. Dengan begitu, mobil ini bisa diubah pada bagian atapnya, apakah mau menjadi mobil tertutup atau menjadi mobil dengan atap terbuka. Model convertible juga dibagi menjadi 2 macam, soft-top dan hard-convertible. Untuk soft-top sendiri atapnya terbuat dari bahan kanvas, sedangkan hard-convertible atapnya tetap terbuat dari bahan plastik atau baja.

2.    Coupe

Mobil coupe merupakan mobil dengan bentuk yang atapnya cenderung menurun ke arah belakang. Jenis mobil coupe ini biasanya hanya mempunyai 2 kursi, namun nyatanya ada juga yang mempunyai 4 kursi.

3.    Hatchback

Mobil yang masuk ke dalam kategori hatchback adalah mobil yang menyatukan kabin penumpang dengan ruang bagasi. Biasanya mobil hatchback hadir dengan jumlah 5 pintu, 4 pintu khusus untuk akses keluar/masuk penumpang, dan 1 pintu khusus untuk memasukkan barang ke dalam bagasi. Dimensi mobil hatchback termasuk kecil, sehingga kerap kali mobil ini juga dijuluki sebagai city car.

4.    Sedan

Sedan biasa juga disebut dengan mobil saloon. Mobil sedan pada dasarnya mempunyai kapasitas 5 orang penumpang, 2 di bagian depan, dan 3 di bagian belakang. Pintu yang ada di mobil ini berjumlah 5 pintu, 4 pintu khusus untuk akes penumpang, dan 1 pintu khusus untuk memasukkan barang ke bagasi. Ruang kabin penumpang dengan bagasi juga dipisah.

5.    Sport Utility Vehicle (SUV)

Sport Utility Vehicle atau biasa disebut juga dengan SUV merupakan mobil yang diciptakan untuk bisa melahap medan jalan raya maupun medan off-road. Mobil ini bisa mengangkut penumpang sekaligus barang bawaan yang jumlahnya cukup banyak, sehingga SUV biasanya mempunyai bentuk bodi yang cukup lumayan besar. Sistem penggerak mobil SUV biasanya menggunakan four wheel drive, walaupun juga masih ada beberapa yang menggunakan penggerak 2 roda.

6.    Multi Purpose Vehicle (MPV)

Mobil Multi Purpose Vehicle atau MPV mempunyai dimensi yang lebih besar dari mobil sedan, namun tetap mempunyai kenyamanan layaknya mobil sedan. Dengan dimensinya yang besar, mobil MPV sanggup menampung penumpang hingga mencapai 7 orang.

7.    Station Wagon

Station Wagon mempunyai basis yang mirip dengan sedan, namun dimensinya lebih panjang lagi dari sedan. Hal itu lantaran bagian belakang mobil ini dipanjangkan sehingga menyambung dengan bagasi. Dengan begitu ruang kabin penumpang dan ruang bagasi juga menjadi satu.

8.      Jeep

Jenis mobil Jeep memang beragam, namun ada baiknya untuk mengerti apa maksud dari mobil jeep tersebut. Selama ini mobil Jeep lebih dipahami khususnya orang Indonesia sebagai jenis mobil, padahal sebenarnya Jeep adalah merk mobil. Jeep sendiri merupakan nama sebuah perusahaan multinasional yang menghasilkan berbagai macam produk mobil jip sejak 1946. Kendaraan Jeep ini memang tangguh, bahkan sudah digunakan pada jaman perang dunia. Jeep adalah ( baca mobil Amerika ) mengingat negera produsennya berasal dari Tulodo Amerika Serikat.

Daftar Isi

http://www.ototaiment.com/2015/03/16/533/mengenal-jenis-jenis-mobil-berdasarkan-bentuknya/

Aerodinamika, Josepth katsh