Oleh: Bayu Wijaya 2108100707 Pembimbing: Dr. Ir. Agus Sigit Pramono, DEA
Latar Belakang
Perumusan Masalah Bentuk, ukuran, dan material dari dudukan winch agar aman saat menarik beban. Bentuk, ukuran, dan material dari pengunci agar box tidak terguling saat terjadi manuver di tikungan dan aman saat melewati polisi tidur. Bentuk, ukuran, dan material dari roda yang menjadi tumpuan box yang tepat. Memilih accu yang tepat sebagai sumber listrik dari winch.
Batasan Masalah Berat box saat bermuatan penuh adalah 900 kg dan saat bermuatan kosong adalah 500 kg. Berat terdistribusi secara merata. Ketinggian sesaat akan menerima beban impact antara mobil dengan jalan adalah 10 cm. Tipe analisa yang digunakan dalam FEA software adalah static structural.
Tujuan Penelitian Didapatkan desain dan analisanya yang tepat untuk dudukan winch. Didapatkan desain dan analisanya yang tepat untuk pengunci. Didapatkan desain dan analisanya yang tepat untuk roda box Didapatkan jenis accu yang tepat sebagai sumber listrik winch.
Manfaat Penelitian Penambahan wawasan terkait teknologi otomotif. Membantu dalam pengembangan mobil pick up, khususnya pada mobil GEA.
Penelitan Terdahulu Vladimir Solovyov, Alexandr Cherniavsky melakukan penelitian terkait analisa terhadap drum winch yang dipakai pada kapal untuk menarik jaring. Pemakaian winch ini dapat mengakibatkan deformasi plastik pada bagian drumnya ketika menarik beban sebesar 12,5 ton. Analisa numerik menyatakan bahwa penyebab utamanya adalah berasal dari lipatan tali winch itu sendiri ketika beban yang ditarik sangat berat.
Pertambahan deformasi panjang drum meningkat seiring dengan bertambahnya putaran drum dan akumulasi deformasinya tergantung dari ukuran drum, material, tegangan tali dan kekakuan tali. Diperlukannya pembatasan pada pembebanan agar kemungkinan untuk terjadinya deformasi plastik pada drum winch semakin mengecil.
Mohd Azizi Muhammad Nor, Helmi Rashid, Wan Mohd Fizul Wan Mahyuddin, Mohd Azuan Mohd Alan, Jamaluddin Mahmud melakukan penelitian terkait analisa tegangan pada chassis Low Loader. Pada paper tersebut dimodelkan, disimulasikan pembebanan struktur yang terdiri dari desain I – beam yang digunakan untuk mengangkut beban sebesar 35 ton.
Arif Nugroho Sukasno Putra melakukan modifikasi terhadap chassis dengan penambahan komponen berupa dudukan winch, loading ramps, dan pengunci flat belt cart.
Pada penelitian ini masih terdapat beberapa kekurangan, diantarnya adalah posisi dudukan winch yang terlalu rendah. Hal ini dapat mengakibatkan berkurangnya luasan untuk penempatan muatan dan tali winch dapat mengenai landasan box saat muatas dinaikkan ke atas mobil. Kekurangan yang lain adalah panjang loading ramp yang kurang panjang. Hal ini dapat menyebabkan alas dari flatbelt cart menyentuh loading ramp yang disebabkan oleh besarnya sudut yang terbentuk antara loading ramp dan alas jalan. Dan kekurangan lainnya adalah kurangnya analisa mengenai beban impact saat kendaraan melewati polisi tidur, analisa ini diperlukan karena besarnya kemungkinan hal tersebut untuk terjadi.
Mobil GEA
Winch
Gaya – Gaya yang diterima oleh model Gaya pada dudukan winch Gaya pada loading ramp Gaya pada roda box Gaya pada pengunci roda:
Saat mobil melakukan percepatan dan perlambatan Saat mobil melakukan manuver di tikungan Saat melewati lubang di jalan atau polisi tidur
Gaya yang diterima oleh dudukan winch
Gaya berat dapat dicari dengan persamaan: W=m.g Tegangan tali dapat dicari dengan persamaan: T = ∑ F = m.a
Gaya yang diterima oleh loading ramp saat dilewati barang
T
F=
𝑾 𝒄𝒐𝒔 𝜭 𝟐
Gaya yang diterima oleh roda box F=
𝑊 4
Gaya yang diterima oleh pengunci saat mobil melakukan percepatan dan perlambatan F=m.a
Gaya yang diterima oleh pengunci saat mobil melakukan manuver di tikungan Fs= m .
𝑣2 𝑟
Rumus Kecepatan Maksimum Gerak Benda pada Tikungan Tipe 1 Tikungan Datar dan Kasar Kecepatan maksimum yang diperbolehkan: Vmaks = 𝑔 . 𝑟 . 𝜇𝑠
Tipe 2 Tikungan Miring dan Licin Kecepatan maksimum yang diperbolehkan: Vmaks =
𝑔 . 𝑟 . tan 𝜃
Tipe 3 Tikungan Miring dan Kasar Kecepatan maksimum yang diperbolehkan: Vmaks =
𝑔 .𝑟 .
𝜇𝑠:tan 𝜃 1; 𝜇𝑠 tan 𝜃
Jika pengunci mampu menerima gaya sentrifugal, maka pengunci akan menerima gaya lanjutan yang arahnya keatas.
Fs x k = F x l
Beban impact yang diterima saat melewati lubang jalan atau polisi tidur 𝑃𝑚𝑎𝑥 =
48 𝐸𝐼 ∆𝑚𝑎𝑥 𝐿3
𝛥𝑚𝑎𝑥 = ∆𝑠𝑡 1 +
1+2
∆𝑠𝑡
START
Studi Literatur
Data kendaraan
Diagram Alir Pengerjaan Tugas Akhir
Pemodelan komponen menggunakan CAD software Perhitungan daya accu dan gaya – gaya yang diterima oleh model Mentransfer model dari CAD software ke FEA software Simulasi menggunakan FEA software Plotting hasil simulasi
Analisa hasil simulasi
Kesimpulan hasil simulasi
FINISH
Studi Literatur Pada tahapan yang pertama ini, peneliti mencari informasi mengenai penelitian – penelitian sebelumnya yang membahas terkait aplikasi winch, modifikasi chassis dan mounting box beroda pada mobil.
Pemodelan
Perhitungan Daya Accu
Dari table spesifikasi winch duke du - 2000, dapat diketahui bahwa ketika winch menarik beban sebesar 500 kg, maka dibutuhkan arus sebesar 73,3 Ampere. P=V.I P = 12 volt . 73,3 ampere P = 879,6 volt ampere = 879,6 watt
Dengan daya winch sebesar 879,6 watt, maka accu yang dibutuhkan harus memiliki daya minimal sebesar itu pula. I=P/V I = 879,6 / 12 I = 73,3 Ampere
Gaya yang diterima dudukan winch saat menarik box
Saat box masih di bawah
tan ϴ = ϴ
1307:705 ;1307 2230:2115,6:1000
=
705 5345,6
= 7,5o
Gaya karena berat dari winch: W = mwinch . g = 6,3 kg . 9,8 m/s2 = 61,74 N
= 0,131
Gaya karena tegangan tali winch: ∑Fy = 0 -W + 2 . N1 + 2 . N2 + T sin ϴ= 0 - m . g + 4 . N + T sin ϴ = 0 4 . N = 500 kg . 9,8 m/s2 – T sin 7,5o 4 . N = 4900 – 0,13 T N = 1225 – 0,0325 T ∑Fx = m . a T cos ϴ - 2 . Fr1 – 2. Fr2 = m . a T cos ϴ = 2 . Fr1 + 2. Fr2 + m . a T cos ϴ = 4 . Fr + m . a T cos ϴ = 4 . (μr . N) + m . a T cos7,5o = 4 . (0,19 . (1225 – 0.0325 T)) + 500 . 0,035 0,99 T = 948,5 – 0,0247 T T = 934,75 N
F1 = F2 = F3 = F4 = F F = T . cos ϴ / 4 F = (934,75 . cos 7,5o) / 4 F = 231,68 N
∑Fy = T . sin ϴ - 2 . F5 – 2 . F6 = 0 2 . F6 = 934,75 . sin 7,5 – 2 . F5 F6 = 61 – F5 ∑MA = 0 2 . F6 . 0,045 – T . sin ϴ . 0,090 + 2 . F5 . 0,135 = 0 2 . (61 – F5) . 0,045 – (934,75 . sin 7,5) . 0,09 + 2 . F5 . 0,135 = 0 5,49 – 0,09 F5 – 10,98 + 0,27 F5 = 0 0,18 F5 = 5,49 F5 = 30,5 N F6 = 61 – F5 F6 = 61 – 30,5 F6 = 30,5 N
Dari perhitungan yang telah dilakukan, dapat dilakukan perencanaan pada baut. Jenis baut yang akan digunakan adalah baut hexagon. Material yang akan digunakan adalah AISI 1010 HR, perhitungannya adalah sebagai berikut: Diketahui: Syp = 42000 Psi = 280 MPa Ak =2 𝜏 = 231,68 N σ = 30,5 N Maka, diameter luar baut adalah 𝑑𝑜 ≥
4𝜏 𝑆𝑠𝑦𝑝 𝜋 𝐴𝑘
4 . 231,68 0,58 . 280 . 106 3,14 2
𝑑𝑜 ≥
𝑑𝑜 ≥ 0,0019 𝑚 𝑑𝑜 ≥ 1,9 𝑚𝑚 Dan diameter dalam baut adalah 𝑑𝑖 ≥
𝑑𝑖 ≥
4𝜎 𝑆𝑦𝑝 𝜋 𝐴𝑘
4 . 30,5 280 . 106 3,14 2
𝑑𝑖 ≥ 0,00052 𝑚 𝑑𝑖 ≥ 0,5 𝑚𝑚 Maka dipilih baut M10 dengan diameter luar 10 mm untuk mengikat antara winch dengan plat dudukan winch.
Saat box berada di atas loading ramp 𝐹 = 𝑊𝑐𝑜𝑠𝛼 𝐹 = 𝑚 × 𝑔 × 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑚 𝐹 = 500𝑘𝑔 × 9.8 2 × 𝑐𝑜𝑠 18,40 𝑠 F = 4654,2 N Loading Ramp adalah berpasangan, jadi gaya yang sebenarnya diterima oleh loading ramp adalah: 𝐹 Framp = 2 4654,2𝑁 F𝑟𝑎𝑚𝑝 = 2 F𝑟𝑎𝑚𝑝 = 2327,1𝑁
Gaya yang diterima oleh pengunci roda
Saat mobil mengalami percepatan atau perlambatan
Mobil dari diam sampai Vmaks (percepatan) Vt = Vo + at m 23,6 = 0 + a 10s s
a = 2,36
∑𝐹 = 𝑚𝑎 𝐹 − 𝑓𝑠 = 𝑚𝑎 𝐹 = 𝑚𝑎 + 𝑓𝑠 𝐹 = 𝑚𝑎 + µ𝑠𝑁 𝐹 = 𝑚𝑏𝑎𝑟𝑎𝑛𝑔 𝑎𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚 + µ𝑠 𝑚𝑏𝑎𝑟𝑎𝑛𝑔 𝑔 Vmaks dari pick up = 85 km/jam = 23,6 m/s t dari mobil diam sampai Vmaks = 10 s t dari Vmaks sampai mobil diam = 5 s µs= 0.4
m s2
m
m
F = 900kg . 2,36 2 + 0.4 . 900kg . 9.8 2 s s F = 5655,6 N Mobil dari Vmaks sampai diam (pengereman) Vt = V0 + at m 0 = 23,6 + a × 5s s
a = −4,72
m s2
aperlambatan = 4,72 m
m s2
m
F = 900kg . 4,72 2 + 0.4 . 900kg . 9.8 2 s s F = 7776 N F yang digunakan adalah F terbesar yaitu 7776 N dengan arah horizontal. Jumlah pengunci ada 4 buah, jadi F yang diterima oleh masingmasing pengunci sebesar 1994 N.
Saat mobil berada ditikungan
Tikungan datar dan kasar vmaks = 𝑔 . 𝑟 . 𝜇𝑠 𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠 = 𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠 = 𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠 =
g µs r m Ө k l
= 9,81 m/s2 = 0,4 = 17 m = 900 kg = 370 = 590 mm = 1430 mm
𝑣2 𝑟
𝑚
9,81 𝑠2 . 17𝑚 . 0,4 𝑚2 66,7 𝑠2 𝑚 8,1 𝑠
𝐹𝑠 = 900𝑘𝑔
vmaks =
𝑔 . 𝑟 . tan 𝜃
𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠 =
9,81 𝑠2 . 17𝑚 . tan 37
𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠 =
125,6
𝑚
𝑚 𝑠
Tikungan miring dan kasar 𝜇𝑠:tan 𝜃 1; 𝜇𝑠 tan 𝜃
𝑔 .𝑟 .
𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠 =
9,81 𝑠2 . 17𝑚
𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠 = 15,8
𝑚
17𝑚
Gaya sentrifugal terjadi pada keempat pengunci, jadi setiap pengunci menerima gaya sentrifugal sebesar 3304,05 N
𝑚2 𝑠2
vmaks =
𝑚 2 𝑠
15,8
𝐹𝑠 = 13216,2 𝑁
Tikungan miring dan licin
𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠 = 11,2
𝐹𝑠 = 𝑚
0,4:𝑡𝑎𝑛370 1;0,4 .𝑡𝑎𝑛370
𝑚 𝑠
V yang digunakan adalah vmaks terbesar yaitu 15,8 m/s.
Jika pengunci mampu menahan gaya Fs, maka barang akan cenderung untuk terguling. Barang akan terguling akibat momen sebesar Fs x k yang setara dengan F x l. Jadi jika kempat pengunci mampu menahan Fs, 2 pengunci akan menerima gaya F yang arahnya keatas dengan besar: Fs x k = F x l 𝐹=
𝐹=
𝐹𝑠×𝑘 𝑙 13216,2𝑁×590𝑚𝑚
1430𝑚𝑚
𝐹 = 5452,8 𝑁
Gaya tersebut terjadi pada 2 pengunci, sehingga masingmasing pengunci menerima gaya sebesar 2726,4 N.
Gaya impact yang diterima oleh pengunci roda Saat mobil menerima beban impact akibat lubang di jalan atau pun polisi tidur, maka pengunci roda box akan menerima gaya impact. Berikut ini perhitungannya: Diketahui: m = 900 kg / 4 = 225 kg h = 0,01 m E = 205 GPa r = 0,009 m L = 0,060 m Gaya impact maksimum dapat dicari dengan menggunakan rumus: 48 𝐸𝐼 ∆𝑚𝑎𝑥 𝐿3 48 𝐸𝐼 = ∆𝑠𝑡 1 + 𝐿3
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑚𝑎𝑥
𝑃𝑚𝑎𝑥
1+2
48 𝐸𝐼 𝑊 𝐿3 = 1+ 𝐿3 48 𝐸𝐼
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 225 . 9,8 1 +
∆𝑠𝑡
1+2
1+2
48 𝐸𝐼 𝑊 𝐿3 3,14 4 4 . 0,009 225 . 9,8 (0,060)3
0,1 . 48 . 205 . 109 .
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 34447,4 𝑁 Maka setiap pengunci roda akan menerima gaya impact sebesar: Pmax = 34447,4 N
Gaya yang diterima oleh Roda Box Beban box ditumpu oleh 4 roda yang berada di bawah box, masing – masing roda menumpu berat yang sama besar. Jadi gaya yang diterima oleh roda box adalah sebagai berikut:
F=
𝑊 4
= (900 kg . 9,81 m/s2) / 4 = 2207,25N
START
Import model dari CAD software
Diagram Alir Simulasi FEA Software
Material properties
Meshing model
Pemberian pembebanan
Simulasi static struktural
Modifikasi desain model
tidak Hasil analisa
Aman Plotting hasil
End
Meshing Model
Dudukan winch
Loading ramp
Pengunci roda
Roda Box
Proses Pembebanan
Dudukan winch
Loading ramp
Pengunci roda Saat mobil mengalami perlambatan
Saat mobil mengalami gaya sentrifugal akibat tikungan
Saat mobil cenderung memiliki gaya ke atas akibat menahan gaya sentrifugal
Saat menerima beban impact
Roda Box
PEMBAHASAN
Dudukan winch
Total Deformasi
Loading Ramp
Saat Menerima Gaya ke Atas Akibat Gaya Sentrifugal
Pengunci Roda Saat Mobil Mengalami Perlambatan
Saat Pengunci Roda Menerima Gaya Sentrifugal
Saat Menerima Beban Impact
Roda Box
Uji Kegagalan Model dengan Metode Von-Mises Teori kegagalan von-mises menyatakan bahwa struktur akan dinyatakan masih dalam keadaan aman jika nilai tegangan equivalen masih dibawah nilai tegangan maksimum yang masih diijinkan oleh struktur tersebut.
𝜎𝑒𝑞
𝑆𝑦𝑝 ≤ 𝑁
Dengan menggunakan nilai safety factor sebesar 1,5 maka:
𝜎𝑒𝑞
𝑆𝑦𝑝 ≤ 1,5
Dudukan Winch
𝑆𝑦𝑝 𝜎𝑒𝑞 ≤ 𝑁 370 𝑀𝑃𝑎 74,101 𝑀𝑃𝑎 ≠ 1,5 74,101 𝑀𝑃𝑎 < 246,67 𝑀𝑃𝑎 (AMAN)
Loading Ramp
𝑆𝑦𝑝 𝜎𝑒𝑞 ≤ 𝑁 370 𝑀𝑃𝑎 189,18 𝑀𝑃𝑎 ≠ 1,5 189,18𝑀𝑃𝑎 < 246,67 𝑀𝑃𝑎 (AMAN)
Pengunci Roda Saat mobil mengalami perlambatan
𝑆𝑦𝑝 𝜎𝑒𝑞 ≤ 𝑁 710 𝑀𝑃𝑎 41,258 𝑀𝑃𝑎 ≠ 1,5 41,258𝑀𝑃𝑎 < 473,3 𝑀𝑃𝑎 (AMAN)
Saat pengunci roda menerima gaya sentrifugal
𝑆𝑦𝑝 𝜎𝑒𝑞 ≤ 𝑁 710 𝑀𝑃𝑎 248,67 𝑀𝑃𝑎 ≠ 1,5 248,67𝑀𝑃𝑎 < 473,3 𝑀𝑃𝑎 (AMAN)
Saat menerima gaya ke atas akibat gaya sentrifugal
𝑆𝑦𝑝 𝜎𝑒𝑞 ≤ 𝑁 710 𝑀𝑃𝑎 23,832 𝑀𝑃𝑎 ≠ 1,5 23,832𝑀𝑃𝑎 < 473,3 𝑀𝑃𝑎 (AMAN)
Saat pengunci roda menerima gaya impact
𝑆𝑦𝑝 𝑁 710 𝑀𝑃𝑎 300,97 𝑀𝑃𝑎 ≠ 1,5 300,97𝑀𝑃𝑎 < 473,3 𝑀𝑃𝑎 (AMAN) 𝜎𝑒𝑞 ≤
Roda Box
𝑆𝑦𝑝 𝜎𝑒𝑞 ≤ 𝑁 280 𝑀𝑃𝑎 74,821 𝑀𝑃𝑎 ≠ 1,5 74,821𝑀𝑃𝑎 < 186,67 𝑀𝑃𝑎 (AMAN)
Hasil simulasi terhadap model – model tersebut dapat dibuat menjadi tabel sebagai berikut Model
Dudukan winch Baut winch Loading ramp
Pengunci roda
Roda box
𝑆𝑦𝑝 𝜎𝑒
σe
Syp
Kondisi(N=1 ,5)
74,101 MPa
370 MPa
Aman
4,9
0,7 MPa
280 MPa
Aman
400
Menumpu box
189,18 MPa
370 MPa
Aman
1,9
Perlambatan Mobil
41,258 Mpa
Aman
17,2
Gaya sentrifugal
248,67 MPa
Aman
2,8
Gaya ke atas akibat gaya sentrifugal
23,832 MPa
Aman
29,7
Gaya impact
300,97 MPa
Aman
2,3
Menumpu box
74,821 MPa
Aman
3,7
Beban
Penarikan box Menumpu winch
𝑟=
710 MPa
280 MPa
Kesimpulan Dudukan winch saat menarik beban seberat 500 kg memiliki angka rasio keamanan sebesar 4,9. 2. Loading ramp saat dilewati oleh beban seberat 500 kg memiliki angka rasio keamanan sebesar 1,9. 3. Pengunci roda menerima beban paling besar saat menerima beban impact. Berikut ini kondisi yang dimiliki oleh pengunci roda: a. Saat terjadi perlambatan memiliki angka rasio keamanan sebesar 17,2. b. Saat menerima gaya sentrifugal memiliki angka rasio keamanan sebesar 2,8. c. Saat menerima gaya ke atas akibat adanya gaya sentrifugal memiliki angka rasio keamanan sebesar 29,7. d. Saat menerima gaya impact memiliki angka rasio keamanan sebesar 2,3. 4. Roda box saat menumpu beban box sebesar 900 kg memiliki angka rasio keamanan sebesar 3,7.
1.
Terima Kasih Mohon kritik dan sarannya
