analisa swing arm menggunakan program aplikasi cae

65
ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE TUGAS AKHIR Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin Diajukan Oleh: TRI SANJAYANTO NIM : 055214076 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2010

Upload: others

Post on 30-Nov-2021

14 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

ANALISA SWING ARM

MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin

Diajukan Oleh:

TRI SANJAYANTO NIM : 055214076

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2010

Page 2: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

SWING ARM ANALYSIS

USING CAE APPLICATION PROGRAM

Final Poject

Presented as a partial fulfillment

to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

Mechanical Engineering Study Program

Compose by :

TRI SANJAYANTO 055214076

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2010

Page 3: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE
Page 4: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE
Page 5: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE
Page 6: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE
Page 7: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan

karuniaNya, sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini adalah

sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik

Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.Penulis dapat

menyelesaikan Tugas Akhir dalam judul

“ANALISA SWING ARM

MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE “

ini karena adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini

perkenankan penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. PT. MAK yang telah bersedia melakukan kerjasama penelitian.

2. Yosef Agung Cahyanta, S.T.,M.T., selaku Dekan Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Sanata Dharma.

3. Budi Sugiharto S.T.,M.T, selaku ketua Program Studi Teknik Mesin.

4. Segenap staf pengajar Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata

Dharma yang telah mendidik dan memberikan ilmu pengetahuan kepada

penulis, sehingga sangat berguna dalam penyelesaian Tugas Akhir ini.

5. Segenap staf karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata

Dharma.

6. Orang tuaku tercinta yang telah berjuang keras memenuhi segala kebutuhanku

selama kuliah dan terima kasih atas dorongan semangat serta doa yang tiada

hentinya untuk aku.

7. Serta semua pihak yang tidak mungkin disebutkan satu per satu yang telah

ikut membantu dalam menyelesaikan Tuagas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan yang perlu

diperbaiki dalam Tugas Akhir ini, untuk itu penulis mengharapkan masukan dan

vi

Page 8: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

kritik, serta saran dari berbagai pihak untuk menyempurnakannya. Semoga

Tugas Akhir ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca.

Terima kasih.

Yogyakarta, Maret 2010

Penulis

vii

Page 9: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

INTISARI

Swing arm sepeda motor adalah tempat pemasangan roda belakang dan shock

absorber. Gaya-gaya yang bekerja pada roda diteruskan oleh swing arm ke bodi

motor begitu juga sebaliknya. Arah gaya dibedakan menjadi tiga yaitu gaya

horisontal, gaya vertikal, dan gaya lateral.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik desain swing arm

yang belum diketahui.

Metode yang digunakan untuk mengetahui karakteristik swing arm adalah

dengan melakukan pengujian terhadap model CAD dengan menggunakan program

aplikasi CAE yaitu Cosmosworks 2007. Besar beban pengujian berdasarkan pada

kondisi sepeda motor ketika dimuati oleh dua orang dengan bobot masing-masing 78

kg. Material yang dipakai adalah mild steel.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa faktor keamanan pada jenis

pembebanan vertikal adalah 3,9 , pada pembebanan percepatan adalah 2,1 dan pada

jenis pembebanan perlambatan adalah 2,7. Hasil penelitian menunjukan bahwa untuk

ketiga jenis pembebanan ini swing arm aman dari kegagalan. Frekuensi pribadinya

adalah 702,75 Hz berarti konstruksi akan beresonansi pada frekuensi ini. Konstruksi

masih aman dari kegagalan lelah sampai pada siklus 2.216.480 dan masih memiliki

faktor keamanan 3,1 sehingga masih aman untuk jumlah siklus yang lebih tinggi.

viii

Page 10: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ..................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN....................................................................... ii

DAFTAR DEWAN PENGUJI ..................................................................... iii

LEMBAR PERNYATAAN .......................................................................... iv

LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI .................................................. iv

KATA PENGANTAR................................................................................... vi

INTISARI ...................................................................................................... viii

DAFTAR ISI.................................................................................................. ix

DAFTAR TABEL ......................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR..................................................................................... xii

BAB I

PENDAHULUAN.......................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang..................................................................................... 1

1.2 Rumusan masalah ................................................................................ 3

1.3 Batasan Masalah .................................................................................. 3

1.4 Tujuan Pembuatan Tugas Akhir........................................................ 4

1.5 Metode Penelitian.................................................................................. 4

BAB II

DASAR TEORI ............................................................................................. 6

2.1 Tegangan............................................................................................. 6

2.2 Transformasi Tegangan..................................................................... 9

2.2.1 Lingkaran Mohr .................................................................................. 12

2.2.2 Konstruksi Lingkaran Mohr................................................................ 14

2.3 Kriteria Kegagalan............................................................................. 14

2.3.1 Kriteria Von Mises............................................................................... 15

2.3.2 Kriteria Tresca...................................................................................... 18

2.3.3 Kriteria Coulomb’s............................................................................... 21

2.3.4 Perbandingan Kriteria Kegagalan ........................................................ 23

ix

Page 11: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

2.4 Analisa Fatik....................................................................................... 23

2.5 Analisa Frekuensi............................................................................... 25

2.6 Metode Elemen Hingga ..................................................................... 26

2.7 Faktor Keamanan Yang Dibutuhkan .............................................. 27

2.8 Material............................................................................................... 30

2.8.1 Properti Material .................................................................................. 30

2.8.2 Baja lunak ............................................................................................ 32

2.9 Fungsi Swing Arm.............................................................................. 34

BAB III

PENGUJIAN ................................................................................................. 36

3.1 Pengukuran Dimensi ......................................................................... 36

3.2 Pembuatan Model .............................................................................. 37

3.3 Beban Uji dan Kondisi Batas pada

Uji Statik (Studi Statik) .................................................................. 38

3.3 Beban Uji dan Kondisi Batas

pada Uji Frekuensi (Studi Frekuensi) .......................................... 47

3.3 Beban Uji dan Kondisi Batas

pada Uji Fatik (Studi Fatik) .......................................................... 47

3.4 Melakukan Pengujian .................................................................... 47

BAB IV

HASIL PENGUJIAN.................................................................................... 46

4.1 Hasil Pengujian Statik ....................................................................... 46

4.2 Hasil pengujian Frekuensi ................................................................ 52

4.3 Hasil Pengujian Fatik ........................................................................ 53

x

Page 12: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

BAB V

PENUTUP...................................................................................................... 55

5.1 Kesimpulan......................................................................................... 55

5.2 Saran ................................................................................................... 55

DAFTAR PUSTAKA.................................................................................... 56

LAMPIRAN

xi

Page 13: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

DAFTAR TABEL

2.1 Properti Mekanis Material Swing Arm................................................... 30

2.2 Uji Kelelahan Baja Karbon Rendah Hasil Fabrikasi .............................. 31

3.1 Data Anthropometrik .............................................................................. 36

3.2 Hasil Perhitungan Bobot Manusia dan Tinggi Badan pada 50 Persentil 36

3.3 Besar Beban Pengujian Statik ................................................................. 44

4.1 Hasil Pengujian Statik............................................................................. 51

4.2 Hasil Pengujian Frekuensi ...................................................................... 52

4.3 Hasil pengujian lelah............................................................................... 53

xii

Page 14: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

DAFTAR GAMBAR

1.1 Diagram Alir Tahapan Penelitian ........................................................... 4

2.1 Bidang acuan yang berbeda untuk melihat besarnya τ dan σ ................. 6

2.2 Bidang L memotong benda dan menghasilkan luasan AL ...................... 7

2.3 Bidang K memotong benda dan menghasilkan luasan AK ..................... 7

2.4 Tegangan-tegangan yang bekerja pada sebuah elemen .......................... 8

2.5 Elemen dengan sumbu orientasi yang berbeda ...................................... 8

2.6 Sebuah elemen yang dilihat pada sumbu koordinat yang diputar sebesar θ terhadap sumbu ...................................................................... 9

2.7 Gaya-gaya yang bekerja pada sebuah elemen......................................... 10

2.8 Konstruksi Lingkaran Mohr.................................................................... 12

2.9 Lingkaran Mohr pada Uji Tarik ............................................................. 14

2.10 Kriteria Kegagalan Berdasar Distorsi Energi Maksimum ...................... 15

2.11 Lingkaran Mohr ...................................................................................... 17

2.12 Tegangan-Tegangan Utama Berbeda Tanda........................................... 18

2.13 Kriteria Kegagalan Berdasarkan Tegangan Geser Maksimum............... 18

2.14 Kriteria Kegagalan Berdasarkan Tegangan Normal Maksimum............ 20

2.15 Perbandingan Kriteria Von Mises, Kriteria Tresca, dan Kriteria

Coulomb’s............................................................................................... 20

2.16 Kurva S-N untuk Bahan Baja dan Aluminium ....................................... 22

2.17. a Model Sebelum di-mesh.......................................................................... 24

2.17. b Model Dibagi Menjadi Element yang Sangat Banyak............................ 24

2.18 Elemen Tetrahedral ................................................................................. 24

2.19 Penyusutan dan Pemuaian Lateral karena Efek Poisson......................... 29

2.20 Kurva S-N untuk Baja Karbon Rendah Hasil Fabrikasi ......................... 31

2.21 Swing Arm Bebas Bergerak Rotasi pada Sumbu Z ................................ 32

3.1 Ukuran Swing Arm .................................................................................. 33

3.2 Prototype Swing Arm ............................................................................. 34

xiii

Page 15: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

3.3 Model CAD Swing Arm .......................................................................... 35

3.4 Skema Perhitungan untuk Mencari Reaksi RB........................................ 37

3.5 Kondisi Batas Pengujian Vertikal ........................................................... 38

3.6 Gaya Percepatan fmaks1 yang Bekerja pada Sepeda Motor ...................... 39

3.7 Gaya Perlambatan fmaks2 yang Bekerja pada Sepeda Motor.................... 40

3.8 Kondisi Batas Pengujian Horisontal Kasus I .......................................... 41

3.9 Kondisi Batas Pengujian Horisontal Kasus II......................................... 42

3.10 Manuver yang Sangat Menguji Ketangguhan Swing Arm ..................... 42

3.11 Kondisi Batas Pengujian Horisontal Kasus II......................................... 43

3.12 Mesh dengan Elemen Size 13 mm.......................................................... 45

4.1 Mesh dengan Elemen Size 3,25 mm........................................................ 46

4.1.1 Penyebaran Tegangan Von Mises pada Pengujian Statik dengan

Pembebanan Gaya Vertikal..................................................................... 46

4.1.2 Penyebaran FOS pada Pengujian Statik dengan

Pembebanan Gaya Vertikal..................................................................... 47

4.1.3 Penyebaran Tegangan Von Mises pada Pengujian Statik dengan Pembebanan dari Gaya Percepatan ......................................................... 47

4.1.4 Penyebaran FOS pada Pengujian Sstatik dengan

Pembebanan dari Gaya Percepatan ......................................................... 48

4.1.5 Penyebaran Tegangan Von Mises pada Pengujian Statik dengan

Pembebanan dari Gaya Perlambatan; .................................................... 48

4.1.6 Penyebaran FOS pada Pengujian Statik dengan Pembebanan dari Gaya Perlambatan ............................................................................ 49

4.1.6 Penyebaran Tegangan Von Mises pada Pengujian Statik dengan

Pembebanan dari Gaya Lateral ............................................................... 49

4.1.8 Penyebaran FOS pada Pengujian Statik dengan

Pembebanan dari Gaya Lateral ............................................................... 50

4.1.9 Grafik Perbandingan Tegangan Von Mises ............................................ 50

4.1.10 Grafik Perbandingan FOS....................................................................... 51

xiv

Page 16: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

4.2.1 Grafik Perbandingan Frekuensi Natural pada beberapa mode shape ..... 52

4.2.2 Deformasi pada Mode Shape 1 ............................................................... 53

4.3.1 Life plot Hasil Pengujian Fatik ............................................................... 54

4.3.2 Penyebaran FOS pada Pengujian Fatik.................................................. 54

xv

Page 17: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sejak jaman kolonial, bangsa Indonesia berkembang sebagai negara

agraris. Sebagian besar penduduk bekerja sebagai petani. Sektor industri waktu itu

hanya bergerak di bidang pengolahan hasil pertanian dan pertambangan. Tidak

ada industri manufaktur dan engineering berbasis teknologi mekanik yang

berkembang di Indonesia.

Sektor industri berbasis teknologi mekanik mulai berkembang di Indonesia

beberapa tahun setelah masa kemerdekaan. Perusahaan-perusahaan asing banyak

yang menanamkan modal di Indonesia, termasuk perusahaan-perusahaan

otomotif. Sejak awal perkembangannya, dunia otomotif Indonesia didominasi

oleh para agen tunggal pemegang merk (ATPM), baik dunia otomotif roda empat

maupun roda dua.

Industri sepeda motor di luar ATPM baru mulai muncul pada tahun 1998

bertepatan dengan krisis ekonomi yang melanda Asia. Kebutuhan akan sepeda

motor sangat tinggi, di tengah-tengah krisis ekonomi yang sedang melanda,

sepeda motor di luar ATPM muncul sebagai jawaban untuk alternatif kendaraan

yang lebih murah. Sejak saat itu, industri dan merk sepeda motor yang berafiliasi

ke Cina (motor Cina) semakin menjamur di Indonesia.

Industri motor Cina tak mampu bertahan. Keberadaannya semakin sedikit

beberapa tahun belakangan. Industri motor Cina di Indonesia terlalu bergantung

1

Page 18: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

2

kepada industri motor yang berada di Cina, sehingga kegagalan yang dialami

industri motor yang berada di Cina dan beberapa masalah yang melanda negara

Cina sangat mempengaruhi keberadaan motor Cina di Indonesia. Pengembangan

produk motor memang banyak kendalanya.

PT. MAK adalah industri lokal berbasis teknologi mekanik yang

mendukung pengembangan produk motor nasional. Ketergantungan terhadap

pihak lain terutama dari luar negeri untuk masalah fabrikasi, dikurangi dengan

cara mendayagunakan kompetensi yang telah dimiliki di bidang engineering dan

manufakturing. PT. MAK melakukan fabrikasi komponen-komponen sepeda

motor secara mandiri. Produk motor MAK saat ini adalah 70% buatan dalam

negeri, sisanya 30% merupakan komponen motor bagian mesin yang masih

impor. Beberapa komponen standar seperti ban, shockbraker, aki, dan rantai

dipasok dari industri-industri komponen dari dalam negeri. Pengembangan motor

nasional melibatkan beberapa industri serta berbagai pihak lain yang juga sangat

mendukung produk nasional termasuk dari pihak universitas.

PT. MAK dan Universitas Sanata Dharma selama ini telah menjalin

hubungan kerjasama yang tertuang dalam MOU. Kerjasama diadakan dalam

rangka memajukan teknologi dan meningkatkan mutu pendidikan. Berkaitan

dengan sepeda motor nasional yang sedang dikembangkan, penulis mencoba

untuk melakukan penelitian pada komponen swing arm yang telah dibuat di

industri ini, sebagai wujud kepedulian terhadap pengembangan produk nasional.

Hasil penelitian diharapkan dapat memberikan kepercayaan kepada masyarakat.

Page 19: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

3

1.1 Rumusan Masalah

Swing arm yang diproduksi di PT. MAK merupakan hasil menduplikat

dari produk lain. Swing arm hasil duplikat belum diketahui karakteristiknya.

Penulis akan melakukan pengujian dengan menggunakan program untuk

mengetahui karakter swing arm pada tugas akhir ini.

1.2 Batasan Masalah

Penulis ingin menganalisa ulang swing arm pada sepeda motor yang

sedang dikembangkan dengan melakukan pengujian-pengujian meliputi:

1. uji statik

Uji statik dilakukan untuk mengetahui tegangan maksimum,

regangan, displacement, dan faktor keamanan. suatu komponen bila diberi

beban.

2. uji frekuensi

Uji frekuensi dilakukan untuk mengetahui frekuensi pribadi sebuah

elemen mesin sehingga dalam perancangan, frekuensi pribadi dapat

dihindari supaya tidak terjadi resonansi yang berakibat pada

ketidaknyamanan.

3. uji kelelahan

Uji kelelahan dilakukan untuk memperkirakan usia sebuah elemen

mesin sampai mengalami lelah akibat pembebanan berulang.

Page 20: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

4

1.3 Tujuan Pembuatan Tugas Akhir

Melakukan penelitian yang kontekstual dengan kebutuhan dan

kepercayaan masyarakat. Penelitian dilakukan untuk mengetahui kelayakan dan

keamanan rancangan swing arm yang telah dibuat sebelumnya.

1.4 Metode Penelitian

Tahap penelitian meliputi kegiatan-kegiatan sebagai berikut

1. observasi dan pengukuran di industri

2. pembuatan model 3D dengan menggunakan Solidworks 2007

3. uji statik dengan menggunakan Cosmosworks 2007

4. uji frekuensi dengan menggunakan Cosmosworks 2007

5. uji fatik dengan menggunakan Cosmosworks 2007

Gambar 1.1 Diagram Alir Tahapan Penelitian

analisa

kesimpulan

Pengukuran dimensi

Verifikasi bahan

Verifikasi dimensi

Pembuatan model finis

melakukan pengujian dimensi

sesuai

start

tidak

ya

Page 21: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Tegangan

Tegangan adalah besarnya gaya tiap satuan luas. Tegangan dilambangkan

dengan P. Besarnya P dirumuskan dengan:

AFP =

Keterangan:

P = tegangan

F = gaya

A = luasan

Tegangan dikelompokan menjadi dua jenis berdasarkan arah bekerja gaya

terhadap luasannya yaitu

a. tegangan normal (σ)

Tegangan yang gayanya bekerja tegak lurus terhadap luasan

b. tegangan geser (τ)

Tegangan yang gayanya bekerja sejajar terhadap luasan.

Sebuah luasan bisa menderita tegangan normal saja, tegangan geser saja

atau keduanya. Besarnya σ dan τ pada kondisi pembebanan yang sama, bisa

beragam tergantung bidang potong mana yang dijadikan acuan

5

Page 22: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

6

Bidang L

Bidang M Bidang K

F F

Gambar 2.1 Bidang acuan yang berbeda untuk melihat besarnya τ dan σ. K,L,dan

M adalah bidang potong dengan sudut pemotongan yang berbeda

Bidang L

AL

FnL F

FsLGambar 2.2 Bidang L memotong benda dan menghasilkan luasan AL

Bidang L memotong benda pada sudut potong 900 terhadap arah gaya F dan

menghasilkan luasan AL.

Besar tegangan normal pada luasan AL ( Lσ ) adalah

L

nLL A

F=σ

LA

F=

Besarnya tegangan geser pada luasan AL ( Lτ ) adalah

L

sLL A

F=τ

Page 23: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

7

Karena = 0, maka : sLF

0L =τ Bidang K memotong benda pada sudut potong θ terhadap arah gaya F dan

menghasilkan luasan AK ditunjukan di gambar 2.3

Besar tegangan normal pada luasan AK ( Kσ ) adalah

K

nKK A

F=σ

θ

θsin/A Fcos

L

=

Besarnya tegangan geser pada luasan AK ( Kτ ) adalah

K

sKK A

F=τ

θθτ

sin/A Fsin

LK =

AK

Gambar 2.3 Bidang K memotong benda dan menghasilkan luasan AK

Bidang K

FnK

F

θ

FsK

Page 24: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

8

Nilai tegangan geser dan tegangan normal dilihat dari bidang K dan bidang

L akan berbeda. Tegangan geser Lτ pada luasan AL adalah nol karena pada

luasan AL hanya bekerja gaya normal FnL , sedangkan tegangan geser Kτ tidak

sama dengan nol karena pada luasan AK selain bekerja gaya normal FnK juga

bekerja gaya geser FsK. Perbedaan juga akan muncul jika bidang M dijadikan

sebagai acuan. Nilai tegangan-tegangan akan terus bervariasi karena bidang acuan

dapat dipilih dengan jumlah posisi θ yang sangat banyak, meskipun pada kondisi

pembebanan yang sama. Fenomena perubahan nilai tegangan geser dan tegangan

normal ini disebut transformasi tegangan. 2.1 Transformasi Tegangan

Ada 6 komponen tegangan yag bekerja pada sebuah elemen (gambar 2.4)

yaitu σy, σx, σz, τxy, τxz, dan τyz. Gambar 2.4 menunjukan bahwa sikap tegangan-

tegangan tersebut sesuai terhadap bidangnya masing-masing.

Gambar 2.4 Tegangan-tegangan yang bekerja pada sebuah elemen

(George H. Staab, 2002)

Page 25: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

9

Status tegangan baru yang berbeda akan muncul jika sumbu koordinatnya

diputar pada sudut tertentu (gambar 2.5). Tegangan-tegangan itu adalah σy' , σx' ,

σz' , τx'y' , τx'z' ,dan τy'z'.

Gambar 2.5 Elemen dengan sumbu orientasi yang berbeda (George H. Staab, 2002)

Gambar 2.6 Sebuah elemen yang dilihat pada sumbu koordinat yang diputar sebesar θ terhadap sumbu x (George H. Staab, 2002)

Masalahnya sekarang adalah bagaimana mengetahui nilai tegangan-

tegangan yang baru tersebut dan mengetahui kapan nilai-nilai itu akan menjadi

maksimum. Untuk memudahkan analisa maka dibuat σz = τxz = τzx = 0

(lihat gambar 2.6), kemudian elemen tersebut dipotong dengan bidang potong

pada sudut θ terhadap sumbu x (lihat gambar 2.7).

Page 26: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

10

Gambar 2.7 Gaya-gaya yang bekerja pada sebuah elemen (George H. Staab, 2002)

Komponen-komponen tegangan dirubah ke dalam bentuk gaya sehingga

gaya-gaya yang bekerja pada model dapat dijumlahkan maka akan didapatkan

persamaan untuk menghitung besarnya tegangan normal σx' dan tegangan geser

τx'y'. Besarnya tegangan normal σx' dan tegangan geser τx'y' adalah

θτθσσσσσ 2sin2cos)(21)(

21

' xyyxyxx +−++= ...................................(2.2.1)

dan

θτθσστ 2cos2sin)(21

'' xyyxyx +−−= ......................................................(2.2.2)

(Ferdinand P. Beer,2002 )

Dengan cara yang sama,

θτθσσσσσ 2sin2cos)(21)(

21

' xyyxyxy −−−+= ...................................(2.2.3)

2.1.1. Lingkaran Mohr

Persamaan untuk menghitung besarnya tegangan normal σx' dan tegangan

Page 27: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

11

geser τx'y' bisa dimanipulasi menjadi persamaan lingkaran, sehingga bisa dengan

mudah mentransformasi tegangan-tegangan secara grafis. Pertama harus dipahami

dahulu bahwa

)''(21)(

21

yxyxavg σσσσσ +=+=

Maka persamaan (2.2.1) menjadi:

)4.2.2.........(............................................................2sin)(

2sin2cos))((2cos)(41)'(

2sin2cos)(21)'(

2sin2cos)(21

'

2sin2cos)(21

'

22

222

22

θτ

θθτσσθσσσσ

θτθσσσσ

θτθσσσσ

θτθσσσσ

xy

xyyxyxavgx

xyyxavgx

xyyxavgx

xyyxavgx

+

−+−=−

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−=−

+−=−

+−+=

dan persamaan (2.2.2) menjadi:

)5.2.2.(................................................................................2cos)(

2sin2cos))((2sin)(41)''(

2cos2sin)(21)''(

22

222

22

θτ

θθτσσθσστ

θτθσστ

xy

xyyxyxyx

xyyxyx

+

−−−=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−−=

Persamaan (2.2.4) dan (2.2.5) digabungkan menjadi:

)6.2.2...(........................................)()(41)''()'(

)22(cos)()22(cos)(41)''()'(

2222

22222222

xyyxyxavgx

SinxySinyxyxavgx

τσστσσ

θθτθθσστσσ

+−=+−

+++−=+−

Page 28: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

12

Persamaan 2.2.6 merupakan persamaan lingkaran pada bidang σ – τ, yang

berpusat di (σavg,0) dan berjari-jari R, di mana:

2yx

avgσσ

σ+

= ; dan 2

2

)(2 xy

yxR τσσ

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ +=

Bentuk sederhana dari persamaan lingkaran adalah

222 )''()'( Ryxavgx =+− τσσ

2.1.2. Konstruksi Lingkaran Mohr

Gambar 2.8 Konstruksi Lingkaran Mohr (George H. Staab, 2002)

Gambar 2.8 adalah gambar konstruksi lingkaran mohr secara lengkap σ1

adalah tegangan normal maksimum. θp adalah orientasi di mana tegangan

mencapai harga maksimumnya. Pada saat σ 1 maka harga τ adalah nol.

Page 29: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

13

2.2 Kriteria Kegagalan

Kriteria kegagalan meramalkan kegagalan material terhadap tegangan-

tegangan multi-aksial. Kriteria kegagalan menjadi dasar untuk menilai keamanan

suatu model.

Kriteria kegagalan dipilih berdasarkan kategori bahan. Suatu bahan dapat

dikategorikan sebagai bahan yang liat atau getas sesuai kondisi lingkungannya.

Jika pada temperature tertentu sebuah material dikatakan sebagai material yang

liat maka material disebut gagal ketika mulai luluh, sedangkan untuk material

getas disebut gagal ketika material mulai patah.

2.2.1. Kriteria Von Mises

Kriteria distorsi energi maksimum disebut Kriteria Von Mises setelah

diperkenalkan oleh seorang ahli matematika berbangsa Jerman Amerika bernama

Richard Von Mises (1883-19530).

Menurut Kriteria Von Mises sebuah struktur akan aman jika besarnya

energi distorsi maksimum pada struktur tersebut tidak melebihi energi distorsi

yang menyebabkan spesimen pada uji tarik mulai luluh.

dU < ....................................................(2.3.1.1) y)(Ud

(Ferdinand P. Beer dkk, 2002 )

Keterangan:

dU = energi distorsi maksimum

y)(Ud = energi distorsi saat spesimen luluh

Page 30: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

14

Besarnya energi distorsi (Ud) adalah

)(6G1U 2

22121d σσσσ +−= .......................................(2.3.1.2)

keterangan:

=1σ tegangan utama pertama

=2σ tegangan utama kedua

G = modulus geser

Besarnya energi distorsi pada waktu spesimen uji tarik mulai luluh (Ud)y adalah

)(6G1)(U 2

22121d σσσσ +−=y

02

1

=

=

σ

σσ y

)(6G1)(U 2

d yy σ=

Gambar 2.9 Lingkaran Mohr pada Uji Tarik

B (material mulai luluh ketika =1σ yσ )

σ2 σ1

dengan memasukan persamaan (2.3.1.1) dan(2.3.1.2) ke (2.3.1.1) maka Kriteria

Von Mises menjadi:

<+− )(6G1 2

22121 σσσσ )(

6G1 2

=> <+− )( 2221

21 σσσσ )( 2

=> <+− 2221

21 σσσσ yσ .......................................(2.3.1.3)

Page 31: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

15

Pada persamaan 2.3.1.3, 2221

21 σσσσ +− disebut Tegangan Von Mises ( )

Kriteria Von Mises dapat dituliskan kembali dengan:

VonMisesσ

VonMisesσ < yσ .................................................(2.3.1.4)

Sebuah material akan aman jika tegangan Von Mises yang terjadi lebih kecil dari

tegangan luluhnya.

Untuk menentukan Factor of safety (FOS) dihitung dengan:

FOS = VonMises

y

σσ

................................................(2.3.1.5)

Gambar 2.10 Kriteria Kegagalan Berdasar Distorsi Energi Maksimum

(Joseph Edward Shigley, 1986)

2.2.2. Kriteria Tresca

Kriteria distorsi energi maksimum disebut Kriteria Tresca setelah

diperkenalkan oleh insinyur Perancis Henri Edouard Tresca (1814-1885). Menurut

Page 32: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

16

Kriteria Tresca sebuah struktur akan aman jika besarnya tegangan geser

maksimum yang terjadi lebih kecil dari tegangan geser yang menyebabkan

spesimen luluh pada uji tarik.

τmax < τy.................................................(2.3.2.1) (Ferdinand P. Beer dkk, 2002 )

Keterangan

τmax = tegangan geser maksimum

τy = tegangan geser luluh

Specimen pada uji tarik akan mulai luluh ketika tegangan geser mencapai separuh

dari tegangan luluh yσ . Besarnya tegangan geser luluh τy adalah

τy = 21

yσ .........................................(2.3.2.2)

substitusikan persamaan (2.3.2.1) ke (2.3.2.2) maka, Kriteria Tresca adalah

τmax < 21

Besarnya tegangan geser maksimum τmax yang terjadi berbeda-beda pada

beberapa kasus

Jika tegangan-tegangan utama 1σ dan 2σ adalah positif atau keduanya

negative, maka:

τmax < 21

maxσ ................................................(2.3.2.3)

Page 33: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

17

Kriteria Tresca dituliskan kembali dengan memasukan (2.3.2.3) ke (2.3.2.1)

21

maxσ < 21 σy

=> maxσ < σy

=> 1σ < σy dan 2σ < σy

(a)

(b)

Gambar 2.11 Lingkaran Mohr; a : Tegangan-Tegangan Utama Bertanda Positif ;

b : Tegangan-Tegangan Utama Bertanda Negatif (George H. Staab, 2002)

Jika tegangan maksimum positif dan tegangan minimum negative, maka:

τmax < 21

minmax σσ − ...................................(2.3.2.4)

Kriteria Tresca dituliskan kembali dengan memasukan (2.3.2.4) ke (2.3.2.1)

21

minmax σσ − < 21 σy

=> minmax σσ − < σy

=> 21 σσ − < σy

Page 34: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

18

Gambar 2.12 Tegangan-Tegangan Utama Berbeda Tanda (George H. Staab, 2002)

Secara grafis Kriteria Tresca digambarkan dengan heksagonal yang

dibatasi oleh persamaan

1σ = σy ; 2σ = σy ; 21 σσ − = σy

Gambar 2.13 Kriteria Kegagalan Berdasarkan Tegangan Geser Maksimum (Joseph Edward Shigley, 1986)

Page 35: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

19

Diasumsikan bahwa kekuatan ultimate dari material untuk tarik dan tekan adalah

sama. Daerah di dalam heksagonal adalah daerah aman (gambar 2.13). Untuk

menentukan Factor of safety (FOS) dihitung dengan:

FOS = maxτσ y

2.2.3. Kriteria Coulomb’s

Kriteria tegangan normal maksimum disebut sebagai Kriteria Coulomb’s

setelah diperkenalkan oleh fisikawan Perancis bernama Charles Augustin de

Coulomb (1736-1806). Menurut Kriteria Coulomb’s struktur akan aman selama

nilai tegangan-tegangan utama absolut berada di bawah tegangan ultimate σu

maxσ < σu ................................(2.3.3.1)

=> 1σ < σu dan 2σ < σu

Secara grafis Kriteria Coulomb’s digambarkan dengan persegi yang dibatasi oleh

persamaan:

1σ = σu 2σ = σu

Daerah di dalam persegi adalah daerah aman (gambar 2.14).Untuk menentukan

Factor of safety (FOS) dihitung dengan:

FOS = maxσσ u

Page 36: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

20

Gambar 2.14 Kriteria Kegagalan Berdasarkan Tegangan Normal Maksimum

(Joseph Edward Shigley, 1986)

2.2.4. Perbandingan Kriteria Von Mises, Kriteria Tresca, dan Kriteria Coulomb’s

Perbandingan beberapa teori kegagalan di atas dapat dilihat dalam gambar

2.15. Heksagonal mewakili Kriteria Tresca, elips mewakili Kriteria Von Mises,

dan persegi mewakili Kriteria Coulomb.

Gambar 2.15 Perbandingan Kriteria Von Mises, Kriteria Tresca, dan Kriteria

Coulomb’s (Joseph Edward Shigley, 1986)

Page 37: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

21

Kriteria Coulomb lebih tepat dipakai untuk material yang getas. Kriteria Tresca

dan Von Mises digunakan untu material liat. Kriteria Tresca terlihat lebih

konservatif dibanding Kriteria von Mises. Berdasar pengujian empiris

menunjukan bahwa Kriteria Von Mises paling baik digunakan untuk material liat.

2.3 Analisa Fatik

Jenis pembebanan yang dialami oleh komponen mesin biasanya

pembebanan gabungan antar beban statis dan dinamis. Komponen mesin yang

mengalami tegangan dinamis akan lebih cepat rusak dibandingkan yang

mengalami tegangan statis. Besar tegangan patah akibat tegangan berfluktuasi

jauh lebih rendah dibanding dengan akibat beban statis. Kondisi di mana

komponen mesin mengalami kegagalan bukan karena tidak mampu menahan

beban tetapi karena lelah setelah mengalami sejumlah siklus pembebanan tertentu.

disebut patah lelah.

Penyajian data kelelahan adalah menggunakan kurva S-N, yaitu pemetaan

tegangan (S) terhadap jumlah siklus sampai terjadi kegagalan (N). Gambar 2.16

menunjukan kurva S-N yang diperoleh dari uji lentur putar logam Besi dan bukan

besi. Material baja lunak mempunyai batas lelah ditunjukan dengan kurva yang

mendatar. Baja lunak tidak akan mengalami patah lelah jika beban yang

berfluktuasi berada di bawah batas lelahnya. Paduan aluminium tidak mempunyai

batas lelah.

Perilaku fatik sangat peka terhadap kondisi operasi, fluktuasi tegangan

secara acak, konsentrasi tegangan (termasuk perubahan penampang), kekerasan

Page 38: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

22

permukaan, tegangan sisa dan adanya lingkungan yang bersifat korosif dapat

mempengaruhi batas ketahanan lelah.

Gambar 2.16 Kurva S-N untuk Bahan Baja dan Aluminium

(Dieter, 1988)

Analisa fatik digunakan untuk memperkirakan usia sebuah design jika

terjadi pembebanan yang berfluktuasi. Analisa fatik memperkirakan usia

berdasarkan data kekuatan lelah (SN) kemudian dibandingkan dengan besar

tegangan yang berfluktuasi. Untuk usia seumur hidup maka tegangan maksimal

yang berfluktuasi berada di bawah batas lelahnya.

2.4 Analisa Frekuensi

Sebuah konstruksi akan cenderung bergetar pada frekuensi tertentu, yaitu

pada frekuensi naturalnya. Jika struktur menerima beban dinamik dengan

frekuensi yang sama dengan frekuensi naturalnya, struktur akan mengalami

Page 39: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

23

resonansi. Resonansi menyebabkan displacement dan tegangan yang besar pada

konstruksi.

Frekuensi natural sebuah konstruksi bergetar dengan berbagai bentuk

getaran. Bentuk getaran dibedakan berdasarkan arah deformasinya. Konstruksi

bisa bergetar dengan variasi arah deformasi yang tak terhingga, tapi dalam analisa

model hanya mempunyai frekuensi pribadi sebanyak derajat kebebasan.

Frekuensi natural dan arah deformasinya bergantung pada geometri,

properti material, pembebanan, dan kondisi batasnya. Beban kompresif

menurunkan frekuensi natural dan beban tarik meningkatkan frekuensi natural..

Analisa frekuensi dilakukan untuk mengetahui frekuensi natural struktur

yang sedang didesain. Jika frekuensi natural diketahui dan frekuensi beban

dinamik diketahui, maka resonansi dapat dihindari.

2.5 Metode Elemen Hingga

Sebuah model memiliki jumlah elemen yang tak terhingga, jadi akan sulit

untuk mengetahui posisi di mana sebenarnya terjadi tegangan maksimal. Metode

Elemen Hingga atau Finite Element Method (FEM) digunakan untuk

menyederhanakan permasalahan ini. Pendekatan yang dilakukan adalah dengan

membagi model menjadi bagian-bagian kecil yang disebut elemen dengan jumlah

terhingga sehingga analisa dapat dilakukan. Pada setiap elemen terdapat titik-titik

nodal (lihat gambar 2.18). Tiap nodal mempunyai kebebasan untuk bergerak pada

arah X, Y, dan Z. Solidwork akan membantu melakukan penghitungan pada setiap

Page 40: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

24

titik nodal sesuai dengan perintah, misalnya penghitungan tegangan, regangan,

dan displacement.

(a)

(b)

Gambar 2.17 a : Model Sebelum di-mesh; b : Model Dibagi Menjadi Element

yang Sangat Banyak (Solidwork Tutorial 2007)

Gambar 2.18 Elemen Tetrahedral; Titik-titik merah adalah nodal. Rusuk-rusuk

elemen bisa berbentuk kurva atau lurus (Solidwork Tutorial 2007)

2.6 Faktor Keamanan yang Dibutuhkan

Semua aspek dalam desain mempunyai derajat ketidakpastian, maka

faktor keamanan digunakan untuk mengoreksi desain dari ketidakpastian.

Ketidakpastian tersebut secara sederhana meliputi 5 hal yaitu property material,

tegangan, geometri, analisa kegagalan, dan reliabilitas yang diminta. Cara yang

Page 41: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

25

mudah untuk menentukan FOS adalah dengan mengalikan nilai FOS dari setiap

jenis ketidakpastian

FOS = FOSMaterial x FOStegangan x FOSgeometri x FOSkegagalan x FOSreabilitas....(2.7.1)

(Ulman David d.k.k, 1997)

Factor keamanan (FOS) diperlukan untuk menjamin keandalan dari suatu

rancangan. Berikut ini adalah pedoman dalam menentukan faktor keamanan:

Kontribusi dari material

o FOSMaterial = 1 jika property material diketahui dengan pasti atau

telah diketahui dengan melakukan eksperiman

o FOSMaterial = 1,1 jika properti material diketahui dari handbook atau

produsen material.

o FOSMaterial = 1,2-1,4 jika property material diketahui dengan tidak pasti.

Kontribusi dari tegangan

o FOStegangan = 1 – 1,1 jika beban diketahui sebagai static atau berfluktuasi.

Jika tidak dimungkinkan overload atau shockload

Jika sudah digunakan metode analisa tegangan yang

akurat

o FOStegangan = 1,2 – 1,3 jika overload diperkirakan 20 – 50 %

o FOStegangan = 1,4 – 1,7 jika beban tidak diketahui dengan pasti atau metode

analisa kurang akurat

Page 42: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

26

Kontribusi dari geometri

o FOSgeometri = 1 jika toleransi manufacturing ketat

o FOSgeometri = 1 jika toleransi manufacturing rata-rata

o FOSgeometri = 1,1 – 1,2 jika toleransi manufacturing longgar

Kontribusi dari analisa kegagalan

o FOSkegagalan = 1,0 – 1,1jika analisa kegagalan yang digunakan

memperhitungkan status tegangan seperti tegangan

statik uniaksial atau multiaksial.

o FOSkegagalan = 1,2 jika analisa kegagalan yang digunakan

dikembangkan dengan sederhana.

o FOSkegagalan = 1,3 – 1,5 jika analisa kegagalan tidak dikembangkan

dengan baik.

Kontribusi dari reabilitas

o FOSreabilitas = 1,1 jika reabilitas dari sebuah komponen tidak

perlu tinggi, kurang dari 90%.

o FOSreabilitas = 1,1-1,3 jika reabilitas adalah rata-rata antara 92-98%

o FOSreabilitas = 1,4-1,6 jika reabilitas dari sebuah komponen harus tinggi,

katakan, lebih dari 99%.

Properti material dalam analisa ini diketahui dari handbook; diperkirakan

terjadi overload; toleransi manufacturing adalah rata-rata; analisa kegagalan yang

Page 43: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

27

digunakan memperhitungkan status tegangan seperti tegangan statik uniaksial atau

multiaksial; reabilitas adalah rata-rata antara 92-98% maka:

FOSMaterial = 1,1

FOStegangan = 1,2

FOSgeometri = 1

FOSkegagalan = 1

FOSreabilitas = 1,1

Harga faktor keamanan yang dibutuhkan (FOSbutuh) dihitung dengan persamaan

(2.7.1)

FOSbutuh = 1,1 x 1,2 x 1 x 1 x 1,1

= 1,4

2.7 Material

2.7.1. Properti Material

Properti Material yang harus diketahui untuk pengujian adalah:

a. Modulus elastisitas

Modulus elastisitas merupakan perbandingan antara tegangan dan

regangan, dituliskan.

ετ

=E

Keterangan :

E = Modulus Elastisitas

τ = Tegangan

=ε regangan

Page 44: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

28

b. Modulus geser

Modulus geser merupakan perbandingan antara tegangan geser dan

regangan geser. Modulus geser G dirumuskan dengan:

G = γτ

Keterangan :

G = Modulus geser

τ = tegangan geser

γ = regangan geser

c. Densitas massa

Densitas massa suatu material adalah banyaknya massa dalam satuan

volume, dihitung dengan menggunakan rumus:

vm

Keterangan :

ρ = Densitas

m = Massa

v = Volume

d. Perbandingan Poisson

Perbandingan poison v adalah perbandingan antara regangan lateral

absolut dan regangan aksial absolut.

Page 45: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

29

aksialregangan lateralregangan

=v

Gambar 2.19 Penyusutan dan Pemuaian Lateral karena Efek Poisson (Popov, 1996)

e. Kekuatan tarik

Kekuatan tarik adalah tegangan tarik maksimum yang dapat ditahan

suatu bahan sampai bahan tersebut putus.

f. Kekuatan luluh

Kekuatan luluh adalah besarnya tegangan tarik ketika bahan mulai

mengalami deformasi plastis.

g. Kekuatan lelah

Kekuatan lelah adalah kemampuan bahan untuk menerima sejumlah

siklus pembebanan.

Page 46: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

30

2.7.2. Baja lunak (MS)

Berdasarkan kandungan karbonnya, baja dapat dikelompokan menjadi 3 :

• baja karbon rendah (0,05%-0,3%)

• baja karbon menengah (0,3%-0,5%)

• baja karbon tinggi (0,5%-1,7%)

Baja lunak mengandung 0,16 % - 0,29 % karbon (Labertus Andrianto,

2007), termasuk dalam jenis baja karbon rendah. Baja lunak sering digunakan

untuk baja konstruksi karena sifat mampu mesin, mampu bentuk, dan mempu las

yang baik. Pembuatan swing arm melibatkan proses pengerjaan mesin,

pembentukan, dan pengelasan sehingga, baja MS dipilih sebagai bahan konstruksi

swing arm.

Baja lunak memiliki Modulus elastisitas 210 GPa, modulus geser 76 GPa,

densitas 7707 kg/m3 (Arcie Higdon d.k.k, 1976). Nilai tegangan luluh 440 MPa

dan tegangan tarik 506 MPa (Labertus Andrianto, 2007). Nilai perbandingan

poisson 0,303 (Lingaiah, 2003). Properti mekanis baja MS material swing arm

supaya lebih jelas disajikan dalam tabel 3.1. Kekuatan lelah baja lunak disajikan

dalam tabel 2.1 dan diperlihatkan dalam kurva SN gambar 2.20.

Tabel 2.1 Properti Mekanis Material Swing Arm

Nama properti nilai satuan Modulus elastisitas 2.10E+11 N/m2

Perbandingan Poisson 0.303 Modulus geser 7.6E+10 N/m2

Densitas 7707 kg/m3

Kekuatan tarik 5.06E+08 N/m2

Kekuatan luluh 4.40E+08 N/m2

Page 47: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

31

Tabel 2.2 Uji Kelelahan Baja Karbon Rendah Hasil Fabrikasi (William, 2007)

No D (mm) W (kg) σ (kg/mm2) N (jumlah siklus) 1 7,95 19 38,54 12.4802 8,1 17 32,59 33.8803 7,95 15 30,42 52.1604 8 14 27,86 168.8535 7,9 13 26,87 221.7236 8 12 23,88 322.9007 7,9 11 22,74 421.6648 7,9 10,85 22,42 872.9419 8 10,75 21,39 1.382.53210 7,9 10,5 21,29 2.216.477

Gambar 2.20 Kurva S-N untuk Baja Karbon Rendah Hasil Fabrikasi

2.8 Fungsi Swing Arm

Mengetahui fungsi benda yang akan dianalisa akan mempermudah kita

untuk menentukan kondisi batas, jenis pembebanan, dan jenis analisa yang

dibutuhkan.

Page 48: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

32

Swing arm berfungsi untuk menjaga posisi sumbu roda belakang (Z)

tegak-lurus terhadap sumbu longitudinal bodi motor (X). Swing arm hanya

bergerak rotasi pada sumbu Z serta gerakan translasi relative terhadap bodi motor

hanya ke arah sumbu X dan Y, jika terjadi pembebanan. Swing arm menjadi

tempat pemasangan roda belakang dan shock absorber. Gaya-gaya yang bekerja

pada roda diteruskan ke bodi motor dan sebaliknya gaya-gaya yang bekerja pada

bodi motor diteruskan ke roda karena adanya swing arm..Beberapa asesori lain

seperti tutup rantai, karet rantai, dan stopper standar juga terpasang pada swing

arm .

Y

Gambar 2.21 Swing Arm Bebas Bergerak Rotasi pada Sumbu Z

Z

X

Page 49: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

BAB IV

HASIL PENGUJIAN

Bab ini berisikan hasil pengujian yang disajikan dalam bentuk gambar dan

tabel. Setiap gambar dan tabel akan disertai penjelasan.

Mesh dibuat dengan ukuran paling halus. Kualitas mesh yang digunakan

dalam semua pengujian pada bab ini adalah kualitas terbaik sesuai kemampuan

komputer, tujuannya untuk mengetahui karakteristik swing arm seakurat mungkin.

Gambar 4.1 Mesh dengan Elemen Size 3,25 mm

4.1 Hasil Pengujian Statik

4.1.1 Pengujian Statik dengan Pembebanan Gaya Vertikal

Gambar 4.1.1 Penyebaran Tegangan Von Mises pada Pengujian Statik dengan Pembebanan Gaya Vertikal; nilai maksimal terjadi pada Flens Shock

46

Page 50: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

47

Gambar 4.1.2 Penyebaran FOS pada Pengujian Statik dengan Pembebanan

Gaya Vertikal; FOS pada elemen berwarna merah bernilai kurang dari 5

4.1.2 Pengujian Statik dengan Pembebanan dari Gaya Percepatan

Gambar 4.1.3 Penyebaran tegangan Von Mises pada Pengujian Statik dengan

Page 51: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

48

Pembebanan dari Gaya Percepatan; nilai maksimum terjadi pada lobang as roda

Gambar 4.1.4 Penyebaran FOS pada Pengujian Statik dengan Pembebanan dari Gaya Percepatan; nilai terrendahnya adalah 2,043 terjadi elemen yang ditunjukan dalam gambar

4.1.3 Pengujian Statik dengan Pembebanan dari Gaya Perlambatan

Gambar 4.1.5 Penyebaran Tegangan Von Mises pada Pengujian Statik dengan Pembebanan dari Gaya Perlambatan;

Page 52: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

49

Gambar 4.1.6 Penyebaran FOS pada Pengujian Statik dengan Pembebanan dari Gaya Perlambatan

4.1.4 Pengujian Statik dengan Pembebanan dari Gaya Lateral

Gambar 4.1.7 Penyebaran Tegangan Von Mises pada Pengujian Statik dengan Pembebanan dari Gaya Lateral; nilai tertinggi (ditunjukan dengan callout) terjadi pada komponen swing arm pipe

Page 53: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

50

Gambar 4.1.8 Penyebaran FOS pada Pengujian Statik dengan Pembebanan dari

Gaya Lateral; elemen berwarna merah bernilai di bawah 5

1.12E+082.10E+08

1.62E+08

1.60E+09

0.00E+00

2.00E+08

4.00E+08

6.00E+08

8.00E+08

1.00E+09

1.20E+09

1.40E+09

1.60E+09

1.80E+09

Vertical Percepatan Perlambatan Lateral

Jenis Pembebanan

Tega

ngan

Von

Mis

es (N

/m2)

Tegangan luluh

Gambar 4.1.9 Grafik Perbandingan Tegangan Von Mises

Page 54: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

51

Tabel 4.1 Hasil Pengujian Static

Jenis pembebanan Tegangan Von Mises (N/m2)

FOS

Vertical 1.12482e+008 3.9

Horizontal (percepatan) 2.09831e+008 2.1

Horizontal (perlambatan) 1.62419e+008 2.7

Lateral 1.60187e+009 0.27

Tegangan Maksimal Von Mises terjadi paling besar pada pembebanan

lateral yaitu 1.60187e+009 N/m2 , sedangkan batas luluh material adalah

4,40e+08N/m2. Tegangan von Mises pada pembebanan lateral telah melampaui

batas luluhnya.

3.9

2.1

2.7

0.27

0

1.4

2.8

4.2

Vertical Percepatan Perlambatan Lateral

Jenis Pembebanan

FOS

Gambar 4.1.10 Grafik Perbandingan FOS

Grafik FOS dari gambar 4.1.2 memperlihatkan bahwa FOS pada

pembebanan vertikal, percepatan, dan perlambatan berada di atas FOS yang

Page 55: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

52

dibutuhkan yaitu 1,4. FOS pada pengujian beban lateral nilainya paling kecil.

Konstruksi akan rawan terhadap jenis pembanan lateral. Beban lateral sampai

seekstrim dalam pengujian sangat jarang terjadi, sehingga FOS = 0.74 pada

pembebanan lateral dinilai tidak menjadi masalah untuk ukuran sepeda motor

pada umumnya.

4.2 Hasil Pengujian Frekuensi

Tabel 4.2 Hasil Pengujian Frekuensi

Mode shape Jenis pembebanan Frekuensi natural (Hz) 1 702.75 2 815.48 3 884.03 4 1063.5 5

beban vertical

1636.4

702.75815.48

884.03

1063.5

1636.4

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

1 2 3 4 5

Mode Shape

Frek

uens

i (Hz

)

Page 56: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

53

Gambar 4.2.1 Grafik Perbandingan Frekuensi Natural pada beberapa mode shape Konstruksi swing arm dikhawatirkan akan mengalami resonansi ketika

menerima beban dinamis dari putaran mesin. Frekuensi natural terendah swing

arm diperlihatkan di gambar 4.2.1 adalah 702,75 Hz. Arah deformasinya

ditunjukan di gambar 4.2.2. Resonansi akan terjadi ketika putaran mesin mencapai

702,75 Hz setara dengan (729,46 x 60) RPM = 43767,6 RPM atau kelipatannya.

Gambar 4.2.2 Deformasi pada Mode Shape 1

4.3 Hasil Pengujian Fatik

Tabel 4.3: Hasil Pengujian Lelah

Jenis pembebanan Jumlah siklus aman FOS

Beban vertical 2.21648e+006 3,137

Page 57: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

54

Berdasarkan data kekuatan lelah yang diperoleh, desain swing arm masih

aman dari kemungkinan patah lelah sampai 2,219 x 106 siklus pembebanan. FOS

terendah konstruksi adalah 3,137 , siklus amannya berada jauh di atas 2,219x106.

Gambar 4.3.1 Life Plot Hasil Pengujian Fatik

Gambar 4.3.2 Penyebaran FOS pada Pengujian Fatik; Elemen yang ditunjukan mempunyai faktor koreksi di bawah 5

Page 58: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

1. Faktor keamanan pada pengujian statik untuk pembebanan vertikal dan

horisontal sudah memenuhi nilai yang dibutuhkan yaitu di atas 1,4.

2. Faktor keamanan pada pembebanan lateral adalah 0,27. Nilai ini

berada di bawah angka keamanan yang dibutuhkan.

3. Frekuensi pribadi terendah konstruksi swing arm adalah 702,75 Hz.

Kemungkinan terjadi resonansi sangat kecil.

4. Swing arm aman terhadap pembebanan berulang sampai 2.216.480

siklus, masih mempunyai faktor keamanan 3,1

5.2 Saran

1. Konstruksi swing arm sangat rawan terhadap pembebanan lateral,

maka sepeda motor harus digunakakan dengan cara berkendara yang

benar.

2. Faktor keamanan pada pepmbebanan lateral dapat diperbesar dengan

menambah ketebalan dan lebar swing arm pipe dan lebar

3. Data mengenai kekuatan lelah material harus diperoleh secara lengkap

dari pengujian spesimen, sehingga usia konstruksi dapat diperkirakan.

55

Page 59: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

DAFTAR PUSTAKA

Andrianto, Labertus., 2007, Tugas Akhir : Sifat Fisis dan Mekanis Material Swing

Arm Sepeda Motor, Teknik Mesin USD.

David .G, U., 1997, The Mechanical Design Proces, edisi kedua, The McGraw-

Hill., New York

Ferdinand, P.B., 2002, The Mechanic’s of Materials, McGraw-Hill, New York

Lingaiah, K., 2003, Machine Design Databook.,edisi kedua.,McGraw-Hill, New

York

Popov, E.P., 1996., Mekanika Teknik, Edisi Kedua, , Penerbit Erlangga, Jakarta

Reimpell, J;Helmut S., 1996, The Automotive Chassis, Edisi Ketiga, Arnold.,

London

Shigley, J E; Mitchel, L. P., 1986, Perencanaan Teknik Mesin, jilid I, Edisi

Keempat, Penerbit Erlangga, Jakarta

Surdia, T., 1999, Pengetahuan Bahan Teknik, cetakan keempat, P.T. Pradnya

Paramita, Jakarta

Wiliam., 2007, Tugas Akhir : Pengaruh Normalisasi dan Quenching Terhadap

Sifat Fisis dan Mekanis Baja Karbon Rendah, Teknik Mesin USD.

56

Page 60: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

LAMPIRAN

Page 61: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

Gambar 1. Deformasi pada Mode Shape 2

Gambar 2. Deformasi pada Mode Shape 3

Page 62: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

Gambar 3. Deformasi pada Mode Shape 4

Gambar 4. Deformasi pada Mode Shape 5

Page 63: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

Gambar 5. Mengukur reaksi pada roda depan

Gambar 6. Menimbang bobot roda

Page 64: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

Gambar 7. Mengukur sudut pemasangan shockbraker

Gambar 8. Mengukur Dimensi Pipa Kotak

Page 65: ANALISA SWING ARM MENGGUNAKAN PROGRAM APLIKASI CAE

Gambar 9. Produk PT. MAK Sepeda Motor 125 cc

Gambar 10. Komponen Swing Arm Sebelum Dilas