ANALISA KEKUATAN KONSTRUKSI RANGKA PADA RANGKA MOBIL UI-SMV

Nama : Dimas Cahya Negara

NPM : 1206228872

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK

2014

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Abstrak

Merancang chassis perlu dilakukan analisis simulasi elemen hingga untuk mengetahui

kekuatan chassis pada mobil urban tim sadewa universitas indonesia pada saat driver

berada di dalamnya. Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan hasil simulasi chassis

pada mobil urban apabila mengalami pembebanan dengan menggunakan perangkat

lunak Ansys 14.5. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap pengerjaan yaitu:

pemodelan chassis dengan perangkat lunak Aoutodesk Inventor 2013 dan simulasi

elemen hingga menggunakan perangkat lunak Ansys 14.5. Setelah melakukan simulasi

dengan beban 700 N terhadap chassis didapat defleksi maksimum = 0,96 mm, defleksi

ground clearence = 0,6415 mm, tegangan maksimum = 22,563 Mpa, regangan

maksimum = 11,65e-5 mm/mm. Kesimpulan dari penelitian ini adalah efek dari

pembebanan chassis dapat diketahui melalui simulasi dengan perangkat lunak Ansys

dengan pemodelan geometry gambar yang benar.

Kata kunci: Analisis Simulasi, defleksi maksimum, defleksi ground clearence,tegangan

maksimum, regangan maksimum, ANSYS

1.2 Latar belakang

Mobil merupakan alat transportasi yang banyak digunakan oleh masyarakat. Tidak

dapat dipungkiri kebutuhan masyarakat akan kendaran bermotor roda empat ini

semakin meningkat. Hal ini disebabkan karena semakin meningkatnya kegiatan industri

di Indonesia serta perusahaan penghasil kendaraan yang senantiasa melakukan

improvisasi model kendaraannya sesuai dengan trend masyarakat yang terus

berkembang. Salah satu struktural komponen dari kendaraan yang memegang peranan

utama adalah chassis. Hal ini dikarenakan chassis adalah tempat melekatnya hampir

semua komponen utama kendaraan, seperti body, mesin, dan lain – lain. Konstruksi

chassis yang tepat kuat akan membuat kendaraan lebih stabil, tidak mudah rusak dan

tahan lama. Untuk itu material yang menyelimuti konstruksi suatu chassis sangat

berpengaruh terhadap kekuatan chassis, kestabilan, dan bahan bakar yang dibutuhkan.

Pembebanan merupakan faktor yang paling utama yang menentukan besar kekuatan

chassis. Pembebanan yang lebih besar akan menyebabkan chassis mudah mengalami

fatigue dan akan mempercepat umur chassis. Hal ini dapat ditemui pada kendaraan pick

up khususnya pada Toyota Kijang Gasoline yang sering digunakan untuk mengangkut

barang. Sejauh mana besar beban yang diterima oleh chassis tidak dapat diestimasi oleh

pengguna kendaraan secara tepat. Hal ini disebabkan karena pemakai beranggapan

bahwa kendaraannya lebih kuat dan lebih tahan lama.Hal ini merugikan saat kendaraan

tersebut mengalami beban maksimal atau berbenturan. Bahkan bisa saja terjadi

overdesign saat mendesain sebuah struktur chassis, baik dari segi materialnya maupun

strukturnya. Hal ini disebabkan karena tidak adanya sebuah standarisasi untuk

menentukan besarnya beban yang harus diterima oleh chassis khususnya kendaraan

pengangkut barang.

1.3 Permasalahan

Chassis merupakan bagian yang sangat fundamental dari sebuah kendaraan secara

keseluruhan. Chassis merupakan tempat pemasangan atau peletakan dari sebagian

besar komponen – komponen dasar dari kendaraan secara utuh, seperti : bodi, engine,

dan sistem transmisi. Dari pembebanan pada struktur chassis kendaraan, chassis

menerima beban statis dan beban dinamis. Beban dinamis lebih sulit dirumuskan,

padahal beban ini menentukan kekuatan dari struktur chassis tersebut. Bila beban

dinamis diperoleh dari pengaruh getaran oleh eksitasi profil permukaan jalan saat

kendaraan berjalan, persoalan lain yang timbul adalah struktur chassis tidak langsung

berhubungan dengan sumber eksitasi, tetapi melalui sistem suspensi kendaraan dan

ban. Untuk mengatasi hal ini dilakukan pendekatan dengan membuat model matematis

kendaraan sebagai suatu sistem diskrit. Kemudian dilanjutkan dengan menganalisa

struktur chassis sebagai sistem tersendiri untuk menentukan letak posisi – posisi krtitis

pada struktur chassis yang menerima beban serta menghitung berapa siklus beban

dinamis yang diterima oleh struktur chassis.

BAB 2

ISI

2.1 Dasar teori

Chassis adalah rangka yang berfungsi sebagai penopang berat kendaraan, mesin serta

penumpang. Biasanya chassis terbuat dari kerangka baja yang memegang body dan

engine dari sebuah kendaraan [1]. Saat proses manufaktur body kendaraan dibentuk

sesuai dengan struktur chassisnya. Chassis mobil biasanya terbuat dari logam ataupun

komposit. Material tersebut harus memiliki kekuatan untukmenopang beban dari

kendaraan. Chassis juga berfungsi untuk menjaga agar mobil tetap rigid,kaku dan tidak

mengalami bending yang bisa mengalami tegangan bukanlah hanya makhluk hidup saja ,

akan tetapi material logam juga mengalami tegangan,Apabila beban static diberikan

pada material, maka material akan berubah bentuk (Berdeformasi). Jika kita akan

memperoleh informasi mengenai perilaku dari material,

maka perhatikan gambar di bawah ini :

Keterangan :

F : Gaya yang diberikan pada material.

lf : Panjang material setelah diberikan gaya.

lo : Panjang awal material.

Ao : Luas penampang material mula – mula.

X : Selisih antara lf dan lo.

F adalah beban yang diberikan tegak lurus terhadap potongan melintang bidang dan dinyatakan

dalam satuan beban (berat atau massa), yaitu newton atau kg. sementara Ao adalah luas

potongan melintang bidang yang tegak lurus bidang sebelum bahan di beri beban.Tegangan (σ)

adalah intensitas beban yang di distribusikan di dalam material yang menghambat perubahan

bentuk, dimana sesuai dengan persamaan berikut :

Satuan dari σ adalah MPa, dimana 1 MPa = 106 N/m2. Deformasi digunakan sebagai istilah

umum untuk perubahan bentuk dari sebuah benda atau material dan dinyatakan dalam

regangan ( Ɛ ), yang mempresentasikan perubahan dari sebuah benda.

lo adalah panjang awal material sebelum di berikan beban, lf adalah panjangakrihmaterial.

Regangan (Ɛ) tidak memiliki unit dan sering dinyatakan dalam presentase (%).

2.2 permodelan dan metodologi

Manufatur dan Perakitan

A. Profil Dan Digunakan

Kalabia Evo 2 memiliki struktur kendaraan dengan sistem chassis.

Profil Material

Alumunium rectangel hollow profil 50x25 mm, 6063

Profil digunakan Pada sebagian besar komponen rangka utama, yang kemudian

dilubangi pada berbagai macam sisi dengan d28mm yang bertujuan untuk mengurangi

massa kendaraan. Namun lubang tersebut tidak seolah olah menembus rangka

melainkan pelubangan dilakukan dengan selang seling dengan tujuan untuk mengurangi

massa namun kekuatan profil material sebisa mungkin tetap dijaga.

Alumunium rectangel hollow profil 25x25 mm

Profil ini digunakan pada minoritas rangka utama seperti pada bagian depan kendaraan,

pada bagian penghubung independen rangka belakang, dan pada bagian rangka tengah

tempat compartment pengemudi. Pada awalnya dengan pertimbangan untuk menahan

bobot pengemudi digunaka profil 50 x 25mm. Namun dengan input driver tentang

kenyamanan pengemudi profil ini pun diganti dengan menggunakan profil 25 x 25mm

namun dengan 2 batang alumunium. Penggunaan profil ini ada yang dilubangi terutama

pada komponen yang memiliki pembebanan minim sperti bagian depan. Namun ada

juga yang tetap dipertahankan tak dilubangi khususnya pada lokasi yang memiliki

pembebanan besar seperti lokas duduk driver dan penghubung independen rangka

belakang.

Alumunium tubular hollow d10 D16 mm

Profil ini digunakan pada beberapa komponen yakni pada Towing Hook (tiang derek

yang digunakan untuk menarik mobil), pada tuas pendorong rem, beberapa bushing

pada kendaraan (pengecualian pada bearing rangka). Bushing ini berfungsi sebagai

support gap pada kedua bearing, agar performa bearing tetap maksimal setelah bearing

mendapatkan gaya tensi , bushing ini hanya menapak pada daerah inner bearing (tidak

boleh mengenai outer bearing).

Alumunium tubular hollow d10 D15 mm

Profil ini digunakan pada batang stir utama, berbeda dari tahun tahun sebelumnya yang

menggunakan profil silinder pejal bahkan baja pada material batang stir, tahun ini

menggunakan alumunium tubular sebagai penggantinya yang bertujuan tentu saja

untuk mendapatkan bobot seminimum mungkin tanpa mengabaikan faktor beban yang

dikenakan pada komponen ini. Pemanfaatan profil ini awalnya adalah profil d10 D16

yang dilakukan proses turning untuk mendapatkan outer diameter 15, dengan tujuan

untuk menyesuaikan dengan pillow blok yang ada di pasaran. Karena perbedaan pillow

block d15 dengan d16 memiliki perbedaan bobot yang signifikan.

Alumunium tubular hollow d15 D21 mm

Penggunaan profil ini dapat dijumpi pada komponen tiang dudukan lever rem,

manufaktir awal pada rollbar yang setelahnya digantikan oleh profil 25 x 25 yang dianulir

memiliki bobot yang lebih ringan

Alumunium tubular hollow d8 D12 mm

Penggunaan profil ini terdapat pada lengan steer, dimana lengan ster tahun sebelumnya

menggunakan profil silinder pejal dengan diameter yang lebih besar, setelah mengalami

proses simulasi maka diputuskan menggunakan profil tubular hollow d8 d12 yang lebih

efisien.

Alumunium plat 6mm

Profil ini digunakan pada komponen lengan steering knuckle, dan lengan steer batang

steer. Pada tahun sebelumnya menggunakan plat tebal 8mm dan 10mm pada lengan

batang steer.

Alumunium plat 4mm

Profil ini digunakan pada komponen pedal gas dan pada pedal rem, Pedal ini juga

dilubangi dengan beberapa lubang dengan d16, semata mata untuk memperoleh massa

yang ringan.

Alumunium plat 10mm

Penggunaan profil ini terletak pada semua komponen dudunkan mounting enggine

untuk penggunaan profil ini tak berbeda dari tahun sebelumnya yang berbeda hanya

volume yang digunakan seminimal mungkin.

2.3 Simulasi dan perhitungan

Knuckle dan Poros

Perhitungan dan simulasi

Perhitungan sederhana Knuckle

Asumsi

Beban tiap knucle 37,5 kg

Dimensi Knuckle p= 51mm ,l=40mm, t=10mm

Material alumunium 6061

Gambar 3.4 Diagram perhitungan defleksi knucle maksimum [4]

l=51 mm

F=375 N

ρ=2,7 gr/cm3

Imy=ma(a

2+c2)12

¿2700

gr

cm3∗0,000204m3(0,0512+0,0412)

12

¿0.5508(0.002601+0.001681)

12=0.0001964979m4

R1 = V = F = 375 N

M1 = -F * l

= -375 N * 0,0051 m

= 1.9125 Nm

ymax =−(F . l3 )3EI

= 6.24−9 m

Perhitungan sederhana dari shaft depan

l=0,1 m; d0=0,012 m; di=0,006 m

F= 375 N

A= 3.3929200E+03

Gambar 3.5 Diagram perhitungan defleksi shaft depan maksimum [4]

Imy=ma(3di

2+3do2+4 l2)48

= 0.5508(3∗0,0062+3∗0,0122+4∗0,12 )

48

= 0.5508 (0.000108+0.000432+0.04 )

48

= 0.0004651965 m4

R1 = V = F=375 N

M1= -F * a

= -375 Nm* 0,05m

= -18.75 Nm

MAB = F * (x - a)

=375 * (0,1-0,05)

=18.75 Nm

ymax =(F×a2)

(6 EI ) (a−3 l )= 0.000812 m

Rancangan untuk komponen knukle steeringdikembangkang menggunakan material stell

4340 dengan mechanical properties sebagai berikut.

Tabel 3.2 Mechanical properties [2]

Dari tabel 3.2 diatas nilai yang dijadikan bahan pertimbangan adalah ultimate tensile

strength, tensile yield strength. Dari data diatas maka diperoleh grafik karakteristik

untuk material steel 4340 sebagai berikut.

Grafik stress-strain steel 4340.

Dari grafik diatas diperoleh parameter yang dijadikan bahan pertimbangan untuk

mengetahui kekuatan material struktur rangka yang dirancang pada proses simulasi.

Dengan menggunakan safety faktor 1,5 untuk beban luar yang dinamis.

Struktur knukle akan disimulasikan mempunyai parameter seperti pemberian beban

total 790 N (termasuk bobot pengendara pada tiap ban dan beban pada saat tuas

steering ditarik dengan asumsi sebesar 40N). Pada simulasi ini tumpuan yang diberikan

berupa tumpuan silindrikal (cylindrical support) karena poros yang menjadi penumpu

dioperasikan pada posisi berputar.

Dari hasil simulasi dengan pemberian beban dan titik tumpuan maka diperoleh nilai

tengangan maksimum ( maks) adalah 191,1 Mpa.

Dari hasil simulasi dengan pemberian beban dan titik tumpuan maka diperoleh nilai

deformasi struktur rangka adalah 0,57 mm.

Mounting Enggine

Perhitungan mounting engine pada batang A

Diketahui :

x = location = 395 mm

l = panjang batang = 532 mm

Asumsi :

F = beban = 60 N

E = modulus elastisitas = 6,89 GPa

I = ( b4 – h4) / 12

I = momen inersia = (b4 – h4) / 12 dimana b = 25

mm

= 1,63 x 10-8 m3 h = 21 mm

Jawab :

Mencari nilai R1

kita ambil titik acuan di R2, dimana berlaku :

F . ( l – x ) = R1 . l

60 . 137 = R1 . 532

R1 = 15,45 N

Mencari nilai R2

kita ambil titik acuan di R1, dimana berlaku :

F . x = R2 . l

60 . 395 = R2 . 532

R2 = 44,55 N

Mencari nilai shear force

Dari diagram disamping diketahui bahwa

VAB = R1

= 15,45 N

dan

VBC = R2

= 44,55 N

Mencari nilai momen

MAB = F/2 . x

= 30 . 0,395

= 11,850 Nm

Dan

MBC = F/2 . ( l – x )

= 30 . 0,137

= 4,11 Nm

Mencari nilai defleksi

yAB = 0,036 mm

Rancangan untuk dudukan mesinmenggunakan material sama seperti struktur rangka

dengan profile 25x25 dengan mechanical sama seperti tabel 3.1

Dari tabel 3.1 diatas nilai yang dijadikan bahan pertimbangan adalah ultimate tensile

strength, tensile yield strength. Dari data diatas maka diperoleh grafik karakteristik

untuk material aluminium 6061seperti pada Grafik 3.1.

Dari Grafik 3.1 diperoleh parameter yang dijadikan bahan pertimbangan untuk

mengetahui kekuatan material struktur rangka yang dirancang pada proses simulasi.

yAB=F⋅x48 EI

(4 x2−3 l2 )

Dengan menggunakan safety faktor 1,5 untuk beban luar yang statis karena menopang

berat mesin.

Struktur dudukan rangka seperti gambar 3. yang akan disimulasikan mempunyai

parameter seperti pemberian beban total mesin 240 N (termasuk safeti factor 1,5). Pada

simulasi ini tumpuan yang diberikan berupa tumpuan tetap (fixed support).

Analisis stress struktur knukle

Dari hasil simulasi dengan pemberian beban dan titik tumpuan maka diperoleh nilai

tengangan maksimum ( maks) adalah 3,27 Mpa.

Analisis deformasi total struktur rangka

Dari hasil simulasi dengan pemberian beban dan titik tumpuan maka diperoleh nilai

deformasi struktur rangka adalah 0,03 mm.

Rangka Utama

Perhitungan dan Simulasi

Perhitungan free body diagram rangka utama.

Nomenclature:

F= Loading force = 2250 N

R= Reaction force

V= Shear force

M= Moment

l = beam length = 450 mm

x = location = 225 mm

E= Modulus of elasticity = 68,9 GPa

I = Moment of Inertia = (b4-h4)/12

= 1,63 x 10-8 m3

Relationship :

R1 = R2 = F / 2 = 1125 N

VAB = R1 = 1125 N

VBC = -R2 = -1225 N

MAB = F ×x2

= 506,25 N

MBC =F

2× (1−x ) = 506,25 N

y AB=F . x48 EI

(4 x2−3 l2)

ymax =−(F . I3 )48 EI

= 0,475 mm

Desain rangka utama yang dikembangkang menggunakan material aluminium 6061

profile 50 x25 mm dan 25x25. Untuk melakukan pengembangan desain, maka dilakukan

perubahan bentuk dan dimensi material agar penjadi bahan pembanding kekuatan

material seperti deformasi total dan nilai tegangan maksimum pada rangka utama.

Mechanical properties [2]

diatas nilai yang dijadikan bahan pertimbangan adalah Ultimate tensile strength, tensile

yield strength. Dari data diatas maka diperoleh grafik karakteristik untuk material

aluminium 6061 sebagai berikut.

Grafik stress-strain aluminium 6061.

Dari grafik diatas diperoleh parameter yang dijadikan bahan pertimbangan untuk

mengetahui kekuatan material struktur rangka yang dirancang pada proses simulasi.

Dengan menggunakan safety faktor 1,5 untuk beban luar yang dinamis.

Struktur rangka seperti gambar 3.2 yang akan disimulasikan mempunyai parameter

seperti pemberian beban total 1500N (termasuk bobot pengendara, mesin,

transmisi,dll).

Dari hasil simulasi dengan pemberian beban dan titik tumpuan seperti pada gambar 3.2

maka diperoleh nilai tengangan maksimum ( maks) adalah 252,35 Mpa. Apabila

dibandingkan dengan tegangan propertis material yakni 270 sehingga dapat disimpulkan

product masih dibawah zona elastis, sehingga dapat disimpulkan design aman.

Gambar 3.4 Analisis deformasi total struktur rangka

Dari hasil simulasi dengan pemberian beban dan titik tumpuan seperti pada gambar 3.2

maka diperoleh nilai deformasi struktur rangka adalah 0,67 mm.

BAB 3

PENUTUP

3.1 kesimpulan

Berdasarkan pada perhitungan analisa tegangan yang telah dilakukan, maka dapat

diambil beberapa kesimpulan :

1. Untuk pembebanan statik dan dinamik yang terjadi pada struktur chassis dalam

keadaan aman untuk menerima pembebanan tersebut. Terlihat bahwa tegangan

terbesar yang terjadi masih berada di bawah tegangan ijin material.

2. Pada pemberian beban statis yang sama, struktur chassis dengan tumpuan elatis

memiliki tegangan maksimum yang lebih kecil dari struktur chassis dengan tumpuan roll

biasa.

3. Tegangan – tegangan kritis yang terjadi berdasarkan dari running program terlihat

bahwa tegangan terbesar terjadi pada daerah sekitar suspensi, dimana usia material

chassis pada tegangan maksimum adalah 3.8239x1027 cycles.

V.2 Saran

Tujuan dari analisa tegangan ini adalah untuk memperoleh daerah kritis pada struktur

chassis serta memprediksi jumlah cycles yang dapat ditempuh oleh material chassis.

Tidak menutup kemungkinan adanya faktor – faktor yang menyebabkan hasil analisa

tidak sempurna. Namun diharapkan hal tersebut dapat menjadi manfaat dan acuan

dalam menentukan suatu standarisasi pengujian struktur chassis.

3.2 Daftar Pustaka

William,P., “Matlab for Engineering Aplication”, Mc Graw Hill, Rhode Island,

1999.

Munson, Young, Okiishi, Huebsch; Fundamentals of Fluid Mechanics, 6th Edition, John

Wiley & Sons, Inc., NJ, 2009

Log book tim sadewa Universitas Indonesia super mileage vehicle, urban concept vehicle

Wong, JY., “Theory of Ground Vehicle”, John Willey and Sons, New York, 1978.

Heritzberg,R., “Deformation and Fracture Mechanic of Material”, John Willey

and Sons, New York, 1983.