Mensiasati Instabilitas Sistem Suspensi Per-Daun Konvensional

Pernahkah anda mengemudikan Toyota Land Cruiser seri 40 atau Jeep seri lama (CJ-7 atau yang lebih tua) atau Land Rover seri tua? Bagaimana rasanya? Bukan di medan offroad lhoh… Di medan offroad tentu mereka jauh lebih nyaman dari mobil 4×2 meskipun sekelas Fortuner VNT maupun Pajero Sport Dakkar. Kali ini di jalan raya dengan kecepatan normal. Adakah rasa limbung, oleng atau “ayug-ayug”? Rasakan terutama pada kecepatan tinggi atau pas di tikungan? Atau sedikit zig-zag misalnya ketika menyalip kendaraan lain, setir diulir ke kanan dan cepat kembali lurus ke depan.

Anda akan merasakan dorongan sentrifugal yang mengangkat mobil anda. Akan semakin mudah merasakan jika anda biasa membawa mobil baru. Karena ada pembanding. Tahu kenapa? Penyebab utamanya adalah sistem suspensi per-daun (leaf spring), terlebih depan belakang. Kenapa demikian?

Sebelum beranjak lebih jauh membahas kelemahan per-daun, kita perlu tahu lebih jelas kenapa disebut per-daun. Bahan dasarnya bukan daun, tetapi plat baja keras agar tidak bisa bengkok. Untuk menjamin kelenturan, per-daun disusun dari beberapa lembar plat baja tipis dan diikat mati dengan rumah as roda di tengah. Panjang setiap lembarnya tidak sama. Yang paling panjang (umumnya) berada di lapisan paling atas dan makin ke bawah makin pendek. Yang paling pendek berada di lapisan paling bawah. Dengan tumpukan model seperti itu maka sifat per-daun makin ke ujung makin lentur. Lembaran-lembaran tersebut mungkin mirip daun tertentu, sehingga disebut per-daun.

Setiap lembarnya (umumnya) dibikin lengkung seperti busur. Kedua ujungnya dikait dengan rangka sasis. Salah satu kaitan dengan anting (shackle) supaya bisa bergerak. Lihat gambar pertama. Kenapa anting? Ketika melentur, kelengkungan busur per berubah, sehingga jarak kedua ujung berubah. Makin lengkung makin pendek. Sehingga jika kaitan kedua ujungnya statik, maka per tidak akan melentur.

Pada roda belakang, anting selalu di ujung belakang. Hal ini untuk mengurangi efek melar-mingkusnya panjang kopel atau jarak antara roda dan transmisi. Sedangkan pada roda depan ada yang di depan dan ada yang di belakang. Kendaraan 4×2 RWD umumnya anting per depan di belakang. Karena roda depan hanya ngikut sehingga jika kaitan depan statik, roda depan langsung ketarik ketika roda belakang mendorong. Tetapi untuk kendaraan 4×4 umumnya anting per depan di depan. Hal ini untuk mengurangi tunda ayunan disebabkan roda depan juga menarik kendaraan.

Gambar pertama dan kedua menampilkan model konstruksi per-daun yang paling lazim, dilihat dari samping dan dari depan atau belakang. Per-daun diikat di bawah rumah as roda. Ada model lain dimana per-daun diikat di atas rumah as roda. Biasanya untuk kendaraan berrangka sasis lurus seperti truk dan bus.

Suspensi per-daun lazim untuk kontruksi rigid-axle seperti truk, bus maupun sejumlah pikup dan SUV lama. Selain ketika itu mungkin belum ditemukan alterntifnya yang sepadan, suspensi per-daun diyakini lebih kuat ketimbang model lain. Perawatannya juga lebih mudah dan murah. Kalau sudah lempeng, dicopot dan dipres lagi. Kalau sudah terlalu lemes, beberapa lembar diganti dengan yang baru, atau sekedar ditambah jumlah lembarnya juga bisa.

Per-daun rentan efek ayunan horizontal membujur

Fungsi utama sistem suspensi kendaraan adalah untuk bersesuai dan meredam gelombang permukaan jalan yang dilaluinya. Supaya semua roda menapak di jalan, tidak ada yang menggantung, dan kejutan-kejutan akibat jalan tidak rata diredam. Sehingga per pada sistem suspensi diharapkan mampu berayun dengan langkah vertikal sesuai dengan kebutuhan. Ayunan horizontal, kemana pun arahnya tidak diharapkan. Karena akan mempengaruhi stabilitas kendaraan.

Meskipun dianggap paling kuat menahan beban, suspensi model per-daun sangat rentan terhadap efek oleng, limbung maupun ayug-ayug. Hal ini disebabkan konstruksi per-daun selain untuk berayun vertikal, juga sangat memungkinkan untuk berayun horiontal, baik membujur ke depan dan belakang, juga melintang ke kanan dan kiri.

Gambar sebelah menunjukkan ayunan horizontal membujur. Memang per-daun dipasang dengan kaitan statik pada salah satu ujungnya. Namun karena sifat per-daun itu sendiri yang makin ke ujung makin lentur, maka setiap ayunan vertikal selalu disertai dengan ayunan horizontal membujur. Entah seberapa mili pasti ada perubahan jarak antara poros roda dengan kaitan statik per-daun. Makin lengkung per-daun makin pendek jarak tersebut. Ini yang menimbulkan efek ayug-ayug.

Ayunan horizontal membujur akan lebih terasa ketika ada dorongan kejut, entah karena pedal gas digentak maupun direm mendadak. Karena bisa jadi bukan sekedar efek melar-mingkus akibat ayunan vertikal saja, melainkan juga efek “ujung melipat” seperti pada gambar di atas. Akibat gentakan torsi yang kuat ketika mobil tiba-tiba digeber, bisa jadi ujung statik per-daun pada roda pendorong bila berada di depan poros roda akan melipat sesaat karena tenaga dorongan roda. Akibat hambatan rem mendadak, maka bisa jadi ujung statik per-daun yang berada di belakang poros roda akan melipat sesaat karena ayunan bobot kendaraan. Keduanya mengakibatkan ayunan horizontal membujur yang cukup terasa.

Per-daun rentan efek ayunan horizontal melintang

Lebih parah lagi ayunan horizontal melintang. Ayunan ini bisa karena efek sentrifugal ketika kendaraan belok, atau karena kemiringan landasan karena salah satu sisi menginjak lobang atau menaiki gundukan. Per-daun rentan terhadap jenis ayunan ini. Hal ini disebabkan oleh sifat dari bahan dan konstruksi sistem suspensi per-daun itu sendiri. Dan stabilizer bar atau sway bar tidak menjawab bersoalan ini. Karena sway bar hanya menjaga agar langkah ayunan per kanan dan kiri cenderung sama. Sway bar tidak mengunci pergeseran badan kendaraan ke kanan atau ke kiri.

Lembaran plat per-daun yang lebarnya hanya beberapa cm itu tidak menjamin bidangnya selalu ortogonal terhadap ayunan vertikal. Sambil melentur vertikal, bidang plat bisa saja melintir karena pergeseran melintang titik berat kendaraan. Kendaraan akan terasa limbung. Makin lentur per-daunnya, makin terasa limbungnya. Keadaan ini bila melebihi toleransi bisa berakibat kendaraan terguling. Oleh karena itu harus berhati-hati membawa kendaraan dengan suspensi per-daun manakala melaju di tikungan. Juga di badan jalan yang miring tapi tidak rata, atau gelombang sebelah. Tidak ada indikator yang jelas kapan limbung akan berakibat terguling. Disini mutlak peranan feeling sang pengemudi.

Bahaya menceperi kendaraan dengan mengurangi lembar per-daun

Sebagian dari pecinta otomotif ada yang suka menceperi kendaraan. Entah dimana enaknya yang jelas ada sebagian dari kita yang suka. Yang pasti, kendaraan jadi tidak nyaman. Maunya di jalan yang rata saja. Manakala ada jalan yang rusak, sang ceper menjadi tidak nyaman. Dan sayangnya kendaraan lain yang ada di belakangnya juga ikut tidak nyaman terhambat oleh sang ceper yang sedang kesulitan.

Saya pernah melihat di kampung ada anak muda menceperi Daihatsu Feroza miliknya. Susunan per-daunnya dikurangi, hanya disisakan 2 lembar yang paling panjang saja. Lantas dipres supaya lurus. Sehingga begitu terpasang membentuk busur terbalik melengkung ke atas, dan sang Feroza bener-bener ceper. Nah ini pertanda bahwa dia tidak tahu sifat per-daun.

Makin tipis per-daun makin rentan terhadap ayunan horizontal, baik membujur maupun melintang. Sang ceper memang sepertinya mati tanpa suspensi. Karena rumah poros roda benar-benar mentog pada rangka sasis. Sepertinya kelenturan mutlak mengandalkan karet pengganjal saja. Tetapi manakala membawanya kurang hati-hati, badan kendaraan akan dengan mudah bergeser ke kanan atau ke kiri ketika melintasi badan jaan yang miring, meskipun sebelum diceperi tidak masalah. Efek ayunan horizontal membujurnya pun semakin dahsyat. Karena yang melipat sesaat ketika digentak gas atau direm mendadak bukan hanya ujung per, melainkan seluruh lonjoran per.

Solusi untuk menahan ayunan horizontal

Ayunan horizontal membujur bisa diatasi dengan memasang penahan di ujung statik per-daun. Penahan bukan untuk mematikan lenturan. Oleh karena itu harus dibikin sedemikian rupa agar masih ada kelonggaran bagi per-daun untuk melentur, tetapi tidak extrim. Bahannya dari plat baja yang lebih tebal dan di lengkapi dengan 2 atau lebih baut klem seperti pada gambar sebelah. Baut klem ini lebih kuat dari klip pengikat antar lembaran plat per-daun.

Penahan ini biasanya dibikin dari bahan per-daun juga, tapi yang lebih tebal dan sedikit lebih lebar. Klem paling ujung dibaut ketat supaya status. Klem yang lain dibikin sedikit longgar. Meskipun ada kelonggaran, tentu per-daun akan sedikit lebih kaku ketimbang sebelumnya. Tapi ya itulah yang harus dibayar untuk membeli keamanan.

Sedangkan untuk menahan ayunan horizontal melintang, solusinya adalah track-bar seperti pada gambar di samping. Track-bar adalah batang baja keras yang dipasang untuk mengubungkan batang rangka sasis di satu sisi dengan rumah poros roda di sisi lain. Sambungannya dengan bushing karet atau teflon seperti pada ujung per-daun. Pengait di kedua ujung statik. Kendaraan dengan sistem suspensi per-daun yang sudah dilengkapi track-bar dari pabriknya antara lain Jeep Wrangler YJ dan Cherokee XJ segenerasi. Oleh karena itu meskipun per-daun depan belakang, stabilitas Jeep YJ terasa jauh lebih stabil ketimbang kakaknya, Jeep CJ-7 maupun CJ-8.

Meskipun track bar dikatakan untuk menahan ayunan horizontal melintang, tetapi track-bar juga memberi efek pergeseran badan kendaraan melintang. Makin tinggi ayunan vertikal makin bergeser badan kendaraan ke arah ujung track-bar yang di poros roda. Bayangkan gambar di atas, jika ayunan vertkalnya bisa mencapai posisi sedemikian rupa sampai track bar-nya tegak vertikal. Tentu batang rangka sasis yang di ujung track-bar akan berada di atas ujung poros roda di sisi lain. Sehingga konstruksi kaki menjadi jajaran genjang  Itulah sebabnya track bar tidak dari dulu ada.

Meskipun demikian, track bar adalah satu-satunya solusi untuk menahan gejala ayunan horizotal melintang. Bahkan menjadi wajib setelah muncul sistem suspensi per-ulir atau keong untuk rigid exle. Makanya sering disebut 5-link suspension karena masing-masing ujung poros roda dipegang oleh 2 lengan membujur dan salah satu ujung poros roda dipegang oleh track bar melintang. Tanpa track bar, kendaraan dijamin roboh ke kanan atau ke kiri meski hanya didorong anak kecil dari salah satu sisinya.

Merekayasa kenyamanan suspensi per-daun

Yang paling mudah adalah merenovasi semua sistem suspensi dari basis per-daun ke per-ulir (coil spring). Jika berhasil, seperti yang pernah saya lakukan, tentu akan sangat menyenangkan. Tetapi jika ada bagian yang gagal, renovasi total seperti ini sulit untuk kembali ke sistem semula. Rumah poros roda dirobah. Penahan per-daunnya dikerok habis dan diganti dengan pengait lengan ayun. Bentuk dan posisi sway-barjuga dirobah. Batang utama rangka sasis juga dirobah untuk mencangkok pengait per-ulir di keempat titik roda. Jika semua perubahan sudah dilakukan dan hasilnya tidak memuaskan, maka akan sama mahal dan sulitnya jika harus kembali semula.

Saya membuat solusi yang lebih murah dan memungkinkan kembali semula lebih mudah. Pada dasarnya solusi saya ini adalah mengganti anting di setiap ujung per-daun dengan per-ulir. Tidak ada perubahan konstruksi dasar.

Bicara soal kenyamanan, tentu keamanan tidak boleh dilupakan. Oleh karena itu memasang track-bar dan penahan lipatan adalah wajib, menjadi persyaratan dasar. Terlebih karena anting akan diganti dengan per-ulir, maka jika track-bar tidak dipasang, sistem suspensi akan gagal total. Baru setelah semua persyaratan dasar itu melangkah ke tahap selanjutnya.

Tahap persiapan

Pada tahap ini dipersiapkan kit yang akan dipasang seperti tampak paeda gambar di samping, antara lain topi atau penahan per bagian atas (A), per ulir (B), penahan per bagian bawah atau alas (C) beserta pengaitnya (D, E, F dan G), serta penahan lipatan ujung per-daun (H) dan track bar (tidak ada di gambar). Bentuk-bentuk kit tersebut harus disesuaikan dengan kendaraannya.

Mengingat per-daun sudah lentur, maka per-ulir (B) yang kita pilih harus lebih lembut ketimbang per-daunnya. Diharapkan ketika berayun vertikal, yang pertama melentur adalah per-ulir. Per-daun baru melentur setelah langkah lenturan per-ulir mencapai titik tertentu. Dengan demikian lembutnya per-ulir bisa dirasakan.

Untuk memperpajang langkah ayunan ujung dinamik per-daun, maka posisi rol atau mata penahan bushingdibalik seperti pada gambar di atas. Syukur-syukur ada bahan lembar plat per-daun yang rolnya berseberangan seperti itu. Jika tidak ada terpaksa dibikin sendiri. Bisa juga model potongan, sepotong ke ujung statik rol atau matanya menghadap ke atas dan sepotong ke ujung anting matanya menghadap ke bawah. Toh di tengah ada penahan tusuk yang dipres oleh baut klem yang sangat kuat dengan rumah poros roda, sehingga tidak mungkin lolos.

Tahap pemasangan

Sebenarnya tidak perlu ada las di rangka sasis. Yang dicangkok ke rangka sasis hanya kit A dan track-bar. Paling-paling ngebor rangka sasis untuk pencangkokan kit A dengan baut tembus. Pencangkokan kit lainnya cukup dengan klem yang kuat. Demikian pula pencangkokan ujung track-bar di rumah poros roda, cukup dengan klem. Sedangkan kit C dan pendukungnya dikait ke ujung dinamik per-daun pengganti anting. Setelah per-ulir (B) dan penahan ujung statik per-daun (H) dipasang, maka dari samping akan tampak seperti gambar sebelah kiri.

Sebenarnya batang D pendukung kit C mirip batang penghubung statik antar penahan C kanan dan C kiri. Selain menjaga jarak ujung dinamik per-daun kanan dan kiri supaya tetap, juga menetralisir gejala ungkit karena per-ulir berada di samping per-daun, bukan persis di atasnya. Sehingga ujung per-daun tidak menyebar atau ngumpul dan tidak melintir karena pinggirnya dipancal per-ulir. Dari depan akan tampak seperti pada gambar di sebelah kanan. Namun demikian, batang D tidak harus lurus seperti yang tampak pada gambar. Di tengahnya bisa jadi perlu ada lekukan sesuai dengan ruang yang dilaluinya. Misalnya pada Jeep CJ-7, batang D harus belok menghindarigearbox setir. Yang penting posisi ujung harus simetris kanan dan kiri.

Yang perlu dipikirkan adalah bagaimana menahan jarak langkah maximum per-ulir agar tidak lepas. Yang paling afdol tengahnya dipasang shock-absorber seperti per-ulir pada umumnya. Fungsinya selain meredam ayunan berulang, juga sebagai pembatas langkah. Dan tentunya karena per-ulir ini hanya pengganti anting per-daun, tentu langkah ayunannya tidak boleh terlalu panjang. Mungkin cukup 0-20cm. Namun karena per-ulir ini kecil, maka shock breaker-nya pun harus kecil dan hanya bermain sekitar 15-20cm. Hambatannya pun juga harus lembut, agar keseluruhan per-ulir tetap lebih lembut dari per-daunnya. Nah, jika shock breaker yang dimaksudkan tidak ada, maka penahan langkah alternatif yang paling efektif adalah tali sling. Tali ini mengikat antara komponen C dengan batang rangka sasis.

Yang lebih penting lagi dicermati adalah perbandingan kelenturan/ketegangan antara per-ulir dan per-daun. Jangan sampai langkah lenturan per-ulir habis baru disusul lenturan per-daun. Karena ketika per-daun melentur, per-ulir akan berfungsi sebagai anting, dimana alas C akan maju-mundur sesuai kelengkungan lenturan busur per-daun. Gerak maju-mundurnya alas C akan merusak kedudukan per-ulir jika kondisinya sudah rapat mentog.

Jika mencari perbandingan tegangan/kelenturan sulit, maka kit A, B dan C harus dipilih model yang mampu mengadopsi fungsi anting seperti pada gambar sebelah. A bukan lagi model payung atau topi dan C bukan lagi model alas. Dua-duanya model as atau poros. Per-ulir B harus bermata rol di kedua ujungnya. Baut penahannya dibuat sedemikian rupa agar per-ulir tidak bergeser menyenggol dinding A maupun C dan loncer (dengan bushing). Dengan demikian, per-ulir dalam kondisi apapun akan mampu berfungsi sebagai anting tanpa efek samping.

Kekurangan dari model ini, andaikan ada shock breaker kecil seperti yang dimaksudkan di atas, tidak bisa dipasang di tengah per-ulir. Disinilah perlunya kecermatan dalam memilih model disesuaikan dengan komponen-komponen yang tersedia di pasar. Assessment dan survei pasar perlu dilakukan sebelum memulai proyek. Jangan sampai proyek terbengkalai di tengah jalan atau selesai tapi dengan teknologi yang gagal.

Mungkin anda bisa bayangkan kelembutan dan kenyamanan yang akan dihasilkan dari rekayasa saya ini. 

Anda akan ditopang oleh 2 tingkat suspensi. Suspensi pertama adalah per-ulir yang lembut. Kejutan-kejutan yang melebihi kapasitas per-ulir akan disampaikan kepada per-daun. Suspensi kedua adalah per-daun yang melanjutkan kejutan-kejutan yang lolos dari per-ulir. Kejutan-kejutan berat yang biasanya lolos dari tahanan per-daun dalam konstruksi asli memungkinkan masih tertahan dalam kontruksi rekayasa saya ini, karena telah terlebih dulu terkurangi oleh per-ulir. Dengan demikian, hasil rekayasa ini diharapkan akan menghasilkan kelembutan dan kenyamanan suspensi yang terbaik untuk kendaraan rigid-axle. Tidak seperti kendaraan rigid axle modern yang menggunakan stock coil spring yang hanya mengandalkan 4 per-ulir bawaannya saja, dimana kejutan-kejutan yang melebihi kapasitas per-ulir hanya mentog nubruk ganjel karet. .

Menjawab pertanyaan “sakel lepas”

Kali ini saya mencoba menjawab pertanyaan dari pembaca yang dikirim japri pada tanggal 22 Juli 2013. Sudah lama banget ya? Maklum, selain kesibukan, saya agan aras-arasen menggambarnya. Pertanyaan ini didapat dari membaca artikel berjudul “sakel lepas”. Berikut ini cuplikan artikel yang dia kirim ke saya, dan mohon maaf saya cantumkan disini, bila mana dianggap melanggar hak seseorang, saya akan segera menghapusnya.

Karena cupilkan, saya tidak tahu informasi lengkapnya. Sekilas dari penampakannya mirip track-bar tetapi di pasang di posisi anting. Disana ada 2 bar, yang satu statis untuk menjaga jarak antar ujung per dan yang satu dinamis untuk berayun menyesuaikan medan. Dari penampakannya, sepertinya 2 bar ini sekaligus berfungsi sebagai anting juga 

Gagasan ini sangat bagus karena biayanya mungkin paling murah dibanding teknik modifikasi alternatifnya. Pekerjaan pemasangannya pun sangat sederhana. Manfaatnya adalah memperpanjang langkah suspensi, terutama manakala salah satu roda naik atau turun melebihi langkah per. Sudut track-barakan mengap menyesuaikan medan dan menjaga kemiringan mobil kompromi dengan pasangan roda lainnya.

Dari gambar maupun uraian tidak menjelaskan di bawah sana ada apa lagi selain 2 track-bar tersebut. Maklum cuplikan. Gagasan bagus ini sangat disayangkan jika hanya mengandalkan 2 bar tersebut. Karena posisi roda terhadap badan mobil menjadi tidak stabil. Berikut ini penjelasannya.

Secara sederhana, sistem ini (sakel lepas???) diilustrasikan seperti gambar sebelah. Katakanlah itu untuk roda belakang. Track-bar biru statis dan merah dinamis. Diharapkan bar biru menahan jarak kedua ujung per agar lebih stabil ketimbang anting biasa. Sedangkan bar merah diharapkan hanya mengayun ka atas dan ke bawah untuk mengejar langkah suspensi. Dengan demikian mobil akan tetap stabil hanya langkah suspensinya lebih leluasa. Benarkah harapan ini terkabul?

Dengan asumsi tidak ada piranti lain selain bar merah dan biru, harapan di atas tidak mngkin terkabul, terlebih jika pernya dibikin empuk. Dua track-bar tersebut akan berperan menjadi anting tunggal yang panjang banget yang tidak mungkin memampu menahan tarikan atau dorongan ujung per. Perhatikan gambar selanjutnya. Ketika salah satu roda terhambat, misal selip sebelah atau memang sedang belok dengan kecepatan yang cukup tinggi, salah satu per melengkung di pangkal dan yang lain lurus. Maka posisi as roda akan mencong yang ditandai dengan anak panah. Untuk per yang cukup kaku, lengkungan pangkal tidak seberapa, sehingga efeknya hanya limbung, lebih limbung ketimbang sebelum dimodifikasi. Tetapi jika pernya lemes (empuk), lipatan pangkal per lebih extrim dan kemecongan as roda juga lebih parah. Hal ini sangat berpotensi mobil menjadi oleng dan roboh terguling.

Solusinya adalah melengkapinya dengan penahan lipatan yang ditandai garis merah di pangkal per pada gambar sebelah ini. Sehingga ketika ada ketidak setimbangan gerak roda, pangkal per tetap dijaga tidak melipat. Tentu hal ini dibayar dengan berkurangnya keempukan. Mudah-mudahan si penggagas sistem sakel lepas sudah mengimplementasikannya.

Penahan lipatan tidak 100% menahan jarak as roda ke pangkal per seperti lengan ayun pada per ulir. Gejala melengkung tetap harus ada meski sekecil mungkin sekedar supaya tidak mencongkel klem rumah as roda.