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.