JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Analisa Tegangan dan Deformed Shape Pada Rangka Sepeda Fixie Andra Berlianto Tedja dan Bambang Daryanto W. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak—Pada proses perancangan sepeda, kekuatan dari rangka merupakan hal yang mutlak yang harus menjadi perhatian utama, karena kekuatan rangka sepeda terkait erat dengan keamanan penggunanya. Penelitian dilakukan dengan membandingkan kontur distribusi tegangan dan deformed shape yang terjadi akibat pembebanan dengan menggunakan metode elemen hingga, terhadap dua model rangka yaitu rangka normal dan rangka modifikasi berupa sambungan antara seat tube dan seat stays yang agak turun. Pembebanan diukur sesuai dengan kondisi pengendaraan normal, yaitu pembebanan akibat posisi duduk dari pengendara yang wajar. Hasil penelitian menunjukkan bahwa model rangka yang digunakan pada penelitian ini dapat menerima beban yang diberikan. Ada pengaruh perubahan posisi sambungan yang dimaksud terhadap distribusi tegangan dan deformed shape pada masing-masing rangka yang diamati. Kata Kunci—metode elemen hingga, rangka sepeda, sepeda fixie, shell element.
Ada beberapa faktor yang harus diperhatikan dalam perancangan sepeda. Selain dari estetika dan ergonomi, faktor kekuatan komponen juga harus diperhatikan, terutama rangka sepeda. Rangka sepeda merupakan komponen utama dan merupakan induk dari semua komponen yang terpasang pada sepeda. Kekuatan dari rangka harus diperhatikan; kegagalan dari rangka sepeda dapat berdampak secara langsung terhadap pengendaranya. Pada dasarnya penelitian yang dilakukan merupakan sebuah analisa desain (geometri) rangka sepeda, dimana dilaksanakan studi tentang pengaruh perubahan geometri rangka sepeda terhadap distribusi tegangan dan deformed shape yang terjadi akibat beban pengendara pada rangka sepeda. Studi yang dilakukan mencakup pengukuran beban dari massa pengendara pada titik kontak antara pengendara dan sepeda seperti batang kemudi, saddle, dan pedal. Hasil pengukuran digunakan sebagai input pembebanan pada perangkat lunak Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan. Masingmasing variasi geometri menerima pembebanan yang sama.
PENDAHULUAN
S
EPEDA merupakan salah satu sarana transportasi yang murah dan praktis, karena harganya yang relatif murah, biaya penggunaannya ekonomis karena tidak memerlukan bahan bakar, serta perawatannya lebih mudah dari kendaraan bermotor. Selain itu pengendara tidak memerlukan lisensi dan skill yang tinggi untuk mengendarai sepeda. Seiring kemajuan teknologi dan pergeseran budaya karena globalisasi, sepeda mengalami pergeseran fungsi dari sarana transportasi menjadi barang pribadi. Hal ini dapat dilihat dari peningkatan jumlah pengguna sepeda setiap tahunnya. Peningkatan ini didasari oleh adanya trend komunitas hobbyist seperti yang beredar di kota-kota besar selama ini. Salah satunya adalah komunitas sepeda fixie (fixed gear bicycle). Sepeda fixie yang sederhana, eye catching meskipun minim fitur, dapat diterima oleh masyarakat luas, terutama anak muda. Sepeda fixie memiliki karakter santai, digunakan di jalanan kota yang cenderung datar, dan dikendarai dengan kecepatan yang tidak terlalu tinggi (sekitar 20 km/jam). Hal ini disebabkan oleh komponen fixed gear, dimana sepeda fixie tidak memiliki variasi kecepatan (tidak ada derailleur) dan sistem pengeremannya tidak memungkinkan apabila digunakan untuk medan yang sulit (downhill, freestyle, dan lain-lain). Karakter ini berbeda dengan tipe sepeda lainnya, seperti sepeda gunung dan BMX.
I. URAIAN PENELITIAN Distribusi tegangan dan deformed shape dari rangka sepeda dianalisa dengan metode elemen hingga, menggunakan elemen shell isoparametrik. Elemen tersebut terdiri dari 8 node, yang bisa diasumsikan bahwa masing-masing node memiliki 5 derajat kebebasan, yang terdiri dari 3 d.o.f. translatif (u, v, w) dan 2 d.o.f. rotatif (α, β). Sehingga untuk node i, displacement yang terjadi adalah (1) Regangan yang terjadi di elemen adalah
(2)
dimana matriks displacement.
[B]
menyatakan
hubungan regangan-
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
2
Tegangan yang terjadi di elemen adalah METODOLOGI PENELITIAN (3)
A. Model Rangka Sepeda Dua gambar berikut menyatakan notasi dan daerah pengamatan pada rangka sepeda fixie.
dimana E: modulus elastisitas bahan elemen ν: angka Poisson bahan elemen Displacement pada obyek dapat menyelesaikan persamaan
ditentukan
dengan (4)
dimana (5)
Gambar. 2. Komponen rangka sepeda.
: matriks elastisitas |J| : determinan Jacobi
untuk body force: dimana untuk traksi: dimana
(6) (7)
Tegangan ekuivalen (Von Mises) dihitung menurut (8) dimana σ1, σ2, σ3 adalah tegangan utama yang didapat dengan mencari tiga buah akar dari
dimana σx, σy, σz : komponen tegangan normal τxy, τyz, τxz : komponen tegangan geser
Gambar. 3. Daerah pengamatan pada rangka sepeda.
Pada model rangka normal, orientasi top tube hampir horisontal dengan joint 6 dekat dengan saddle, kira-kira dekat dengan pertemuan ujung top tube dengan seat tube. Pada model rangka modifikasi, orientasi top tube hampir horisontal dengan posisi ujung seat stays yang agak turun sehingga joint 6 berada lebih rendah daripada model rangka normal. Bentuk kedua model rangka dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar. 4. Rangka normal.
Gambar. 1. Elemen shell quadrilateral 8 node.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
Gambar. 5. Rangka modifikasi.
B. Beban Akibat Massa Pengendara Pengukuran langsung dilakukan untuk mendapatkan komponen gaya horisontal dan vertikal yang bekerja pada sepeda, dalam bentuk prosentase massa pengendara. Ada tiga titik utama pada pengukuran ini, yang merupakan titik tumpu pengendara pada sepeda: Batang kemudi dimana gaya yang diberikan oleh tangan pada batang kemudi kiri dan kanan dianggap sama atau simetri Saddle yang merupakan titik tumpu badan pengendara Pedal dimana gaya yang diberikan oleh kaki kiri dan kaki kanan dianggap sama atau simetri. Pengukuran dilakukan dengan memperhatikan posisi atau perilaku dari pengendara yang wajar. Pada sepeda fixie, posisi tersebut adalah posisi duduk normal. Perlengkapan yang digunakan dalam melakukan pengukuran adalah: Satu set meja yang disusun sesuai dengan dimensi dari sepeda yang dianalisa (ketinggian batang kemudi, saddle, dan pedal) Tiga unit timbangan badan Tiga unit timbangan tepung Tiga unit luncuran. Masing-masing alat ukur digunakan untuk mengukur massa pada tiga titik pengamatan seperti yang telah disebutkan. Setiap alat ukur tersebut terdiri dari sebuah timbangan badan, sebuah timbangan tepung, sebuah luncuran, dan sebuah kotak penyangga. Timbangan badan digunakan untuk mengukur komponen gaya vertikal, sedangkan timbangan tepung digunakan untuk mengukur komponen gaya horisontal dengan luncuran digunakan sebagai tumpuan. Berikut adalah gambar yang mengilustrasikan alat ukur yang digunakan dan penyusunannya, untuk pengambilan data distribusi massa pengendara.
3
Gambar. 6. Alat ukur dan penyusunannya.
Gambar. 7. Ilustrasi pengukuran massa pengendara.
Pembebanan yang dilakukan pada penelitian ini hanya pembebanan untuk posisi pengendara duduk normal, karena sepeda fixie merupakan sepeda santai dengan kecepatan rendah dan tidak dilengkapi dengan tuas rem, sehingga tidak untuk dikendarai dalam posisi membalap atau posisi berdiri (pengendara meninggalkan saddle). Pada penelitian ini dianalisa pengaruh variasi desain rangka sepeda terhadap distribusi tegangan dan deformed shape yang terjadi, akibat pembebanan yang diberikan.
Gambar. 8. Notasi pembebanan.
Untuk berat pengendara sebesar 65 kg, beban yang harus diterima oleh rangka sepeda fixie (dengan mengacu pada Gambar 8) adalah
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
4
Tabel 1. Besar pembebanan (Newton) Tangan
Badan
Kaki
F1X
F1Y
F2X
F2Y
F3X
F3Y
3,923%
11,321%
4,135%
54,402%
1,796%
11,321%
25,006
72,162
26,359
346,779
11,446
72,162
Adapun boundary conditions yang diberlakukan pada rangka sepeda fixie berupa Pada ujung fork depan: y = 0, z = 0, θx = 0, θy = 0 Pada drop outs: x = 0, y = 0, z = 0, θx = 0, θy = 0 HASIL PENELITIAN Dari hasil perhitungan yang dilakukan dengan perangkat lunak, diperoleh distribusi tegangan ekuivalen (Von Mises), dan deformed shape (diwakili oleh distribusi displacement akibat sum of displacement vector). Kontur distribusi tegangan ekuivalen dan deformed shape untuk masing-masing rangka normal dan rangka modifikasi ditampilkan pada Gambar 9 – 12.
Gambar. 11. Kontur tegangan ekuivalen untuk rangka modifikasi.
Gambar. 12. Kontur displacement untuk rangka modifikasi.
Tegangan Maksimum (N/mm2)
Gambar. 9. Kontur tegangan ekuivalen untuk rangka normal.
Jika diperbandingkan antara rangka normal dengan rangka modifikasi, dimana kedua model rangka memiliki orientasi top tube yang hampir horisontal, maka turunnya posisi seat stays akan meningkatkan nilai tegangan ekuivalen pada sebagian besar daerah pengamatan. Untuk orientasi top tube yang hampir horisontal, rangka normal lebih baik daripada rangka modifikasi. 120
100 80 60
Normal
40
Modifikasi
20 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
Daerah Pengamatan Gambar. 13. Grafik tegangan Von Mises maksimum yang terjadi di daerah pengamatan. Gambar. 10. Kontur displacement untuk rangka normal.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
KESIMPULAN Dengan σyield = 480 MPa, grafik tegangan yang terjadi menunjukkan bahwa model rangka normal maupun model rangka modifikasi dapat menerima beban yang ada (aman), yang dalam hal ini beban tersebut terwujud dalam berat pengendara. Tegangan yang tinggi tercatat pada rangka modifikasi di daerah pengamatan 3 dan 6. Hasil penelitian menunjukkan bahwa posisi joint 6 berpengaruh terhadap respon tegangan dan displacement yang terjadi, akibat pembebanan yang sama. Sehubungan dengan yang dilakukan pada penelitian ini, untuk selanjutnya disampaikan saran sebagai berikut: Penelitian tentang tegangan yang terjadi pada rangka yang menerima beban impact Penelitian tentang tegangan yang terjadi untuk modifikasi desain yang lain (tipe rangka, penampang batang, lengkungan, dan sebagainya) Penelitian tentang tegangan yang terjadi untuk posisi pengendara yang meninggalkan saddle (berdiri). DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Popov, E.P., Mechanics of Materials, 2nd edition – SI version, PrenticeHall International Inc.: Singapore, 1978. Grandin Jr., Hartley, Fundamental of the Finite Element Method, Macmillan Publishing Company: New York, 1986. Weaver Jr., William, and Johnston, Paul R., Elemen Hingga untuk Analisis Struktur, edisi terjemahan, PT. Eresco: Bandung, 1993. Zahavi, E, The Finite Element Method in Machine Design, Prentice-Hall International Inc.: Singapore, 1992. Lessard, LB, Nemes, JA, and Lizotte, PL, “Utilization of FEA in the design of composite bicycle frames”, Composites, 1995;26(1):72-4. Liu, TJC, and Huang CW, “Fiber direction and stacking sequence design for bicycle frame made of carbon/epoxy composite laminate”, Material and Design 31, Elsevier: 2009.
5
