ANALISIS DESAIN MODIFIED V-STAY PADA VOLVO FH16 MENGGUNAKAN CATIA V5

Transkripsi

1 ANALISIS DESAIN MODIFIED V-STAY PADA VOLVO FH16 MENGGUNAKAN CATIA V5 Akhmad Faizin, Dipl.Ing.HTL, M.T. Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Malang ABSTRAK Rangkaian V-Stay hasil modifikasi merupakan gabungan dari bottom plate, pin, bearing, dan V-Stay yang dirakit menjadi satu dengan ring dan mur. Bottom plate dan pin dilas dengan tinggi kampuh 30mm. Jenis bearing yang digunakan adalah radial spherical plain bearing yang memiliki missalignment angle sebesar 6 o. Modifikasi ini diperlukan guna memudahkan perawatan dan perbaikan termasuk pelumasan. Hal ini bertujuan untuk memperpanjang umur dari V-Stay tersebut. Guna menjamin keamanan hasil modifikasi desain tersebut, dilakukan analisis kekuatan, yang diawali dengan pembuatan desain komponen V-Stay, bottom plate, pin, kampuh las, bearing, ring dan mur. Selanjutnya dilakukan perakitan. Setelah itu, analisis dilakukan melalui tahapan: pemberian boundary condition, load, connection property, dan computing. Berdasarkan missalignment angel pada bearing, V-Stay diposisikan miring dengan sudut kemiringan 6 o. Selanjutnya dipasang tumpuan pada bagian bawah bottom plate, diberi beban momen, diberi connection property pada constraint yang menghubungkan komponen satu dengan lainnya, dihitung, dan diperiksa hasilnya. Besarnya beban momen yang diberikan pada rakitan V-Stay ini diperoleh berdasarkan data yang ada di lapangan, yaitu saat kendaraan beroperasi di jalanan yang berbelok atau jalanan yang berlubang, hingga housing mengalami fleksibilitas sebesar 35 mm. Untuk itu, data hasil analisis yang perlu diperhatikan lebih dulu adalah displacement pada housing. Dengan melakukan beberapa analisis, akhirnya diperoleh momen puntir sebesar 4360 Nm yang memutar V-Stay pada sumbu horisontal. Melalui pemberian beban momen tersebut dapat digunakan untuk mencari besarnya tegangan yang terjadi pada setiap komponen. Besarnya tegangan yang terjadi ini selanjutnya dibandingkan dengan tegangan yield material yang digunakan untuk mendapatkan safety factor. Hasil analisis pada V-Stay diperoleh tegangan maksimum yang terjadi sebesar 192 N/mm 2, pada bottom plate sebesar 66.5 N/mm 2, pada kampuh las sebesar 262 N/mm 2, pada pin sebesar 2500 N/mm 2, pada ball sebesar 5010 N/mm 2, pada race sebesar N/mm 2. Berdasarkan hasil analisis dan data material yang digunakan, maka dengan beban momen sebesar 4360 Nm, desain V-Stay hasil modifikasi dalam keadaan kritis terhadap kerusakan. Untuk mengatasi hal itu, dapat dilakukan dengan menambahkan bushing yang terbuat dari Teflon (PTFE) sebagai landasan bearing atau mengganti jenis bearing dengan misalignment yang lebih besar. Kata kunci: V-Stay, misalignment angle, fleksibilitas, analisis statis, tegangan von misses 1. PENDAHULUAN Jenis kendaraan yang digunakan untuk mengangkut batubara pada PT Pamapersada Nusantara, Bontang-Kalimantan Timur umumnya berkapasitas angkut sangat besar, sekitar 50 ton. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut digunakan trailer pengangkut jenis Volvo FH 16-SST45 dan SST50. Pada saat beroperasi, kendaraan tersebut sering melewati jalanan yang berbelok ke kiri/kanan atau jalanan yang berlubang. Untuk itu, pada Rear Suspension dari truck Volvo FH 16 dilengkapi dengan 2 (dua) buah V-Stay. Adapun fungsi V-Stay adalah sebagai berikut: 1. Sebagai support guna menjamin agar Axle tidak bergeser kekiri/kanan ketika unit berbelok. 2. Sebagai support agar Axle tetap bisa bergerak naik turun mengikuti kontur jalan ketika unit melewati jalan yang tidak rata. Berdasarkan data yang ada, pada saat truck beroperasi, V-Stay mengalami fleksibilitas sebesar 3.5 cm. Yang dimaksud dengan fleksibilitas adalah pergerakan End Rod miring ke kiri-kanan atau ke depan belakang sebesar 3.5 cm, dengan kata lain perbedaan ketinggian sisi kanan dan sisi kiri sebesar 35 mm. V-Stay yang masih original umurnya relatif rendah. Hal ini disebabkan oleh kerusakan pada housing dan bushing. Kerusakan tersebut tidak bisa di-repair dan harus dilakukan penggantian. Hasil identifikasi di lapangan, diduga penyebabnya adalah: 1. Bushing yang terbuat dari material polyurethane. 2. Pelumasan menggunakan long life lubrication. Guna memperpanjang umur V-Stay, perlu dilakukan desain ulang terhadap V-Stay tersebut. Desain ulang dilakukan khususnya pada housing dan bushing. Gambar 1: Lokasi V-Stay pada Volvo FH 16 Gambar 2: V-Stay sebelum modifikasi

2 Gambar 3: V-Stay setelah modifikasi Guna mengetahui kelayakan hasil desain ulang dari V-Stay, perlu dilakukan analisis. Analisis diperlukan untuk mendapatkan: - Tegangan yang terjadi pada Bottom Plate - Tegangan yang terjadi pada Kampuh Las - Tegangan yang terjadi pada Pin - Tegangan yang terjadi pada Ball - Tegangan yang terjadi pada Race - Tegangan yang terjadi pada V-Stay Selanjutnya tegangan tersebut dibandingkan dengan tegangan luluh (yield strength) dari material yang digunakan. Hasil perbandingan antara tegangan luluh dari material yang digunakan dengan tegangan yang terjadi merupakan faktor keamanan (safety factor). Dalam melakukan analisis perlu diketahui bahwa, V-Stay ini merupakan suatu kumpulan beberapa komponen yang dirakit menjadi satu. Untuk itu, perlu dalam melakukan proses analisis harus menggunakan software bisa melakukan analisis suatu desain rakitan, sehingga dapat memberikan hasil yang lebih baik. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Software CATIA CATIA adalah software dari Dassault Systemes, dimana CAD/CAM/CAE terintegrasi dalam satu database, sehingga banyak memberikan kemudahan dalam melakukan desain dan analisis. Beberapa pertimbangan menggunakan CATIA: - CATIA-Part Design, dapat membantu dalam melakukan desain suatu komponen dalam bentuk solid dengan mudah, cepat, dan akurat (sesuai dengan bentuk dan dimensi yang diinginkan). - CATIA-Analysis, dapat membantu dalam proses analisis menggunakan Finite Element Method terhadap komponen hasil CATIA-Part Design. - Selain dapat digunakan untuk mendesain dan melakukan analisis pada sebuah komponen, software CATIA juga dapat digunakan melakukan analisis suatu desain rakitan. 2.2 Dimensi Rangkaian Volvo FH 16-SST45 Dimensi dan data kendaraan pada rangkaian Volvo FH 16 dapat dilihat pada Gambar 4. Semua dimensi dalam satuan cm. Gambar 4: Dimensi Rangkaian Volvo FH16 Adapun distribusi bebannya adalah sebagai berikut: VOLVO FH16 SST45 Weight Distribution (kg) Description R1 R2 R3 TOTAL Truck weight Crew st Trailer Frame st Trailer Payload st Trailer Susp 4500 GCW % tage Dimensi Komponen V-Stay yang Baru Pin Housing Bearing Gambar 5: Dimensi Pin Gambar 6: Dimensi Housing Gambar 7: Dimensi Bearing Item GE50ES-2RS B Ball Bore Max. [mm] B Ball Bore Min. [mm] D - Outside Diameter Max. [mm] D - Outside Diameter Min. [mm] W - Ball Width Max. [mm] W - Ball Width Min. [mm] H - Race Width Max. [mm] H - Race Width Min. [mm] O - Ball Shoulder Diameter [mm] 55 C Ball Cmfr. Min. [mm] 0.6 M - Race Cmfr [mm] 1.0 a - Misalignment Angle [degrees] 6 Radial Static Load Capacity [kn] Dimensi Rakitan Gambar 8: Dimensi Rakitan

3 2.3.5 Material yang Digunakan Hampir seluruh komponen yang digunakan terbuat dari material mild steel yaitu SS 400. Material ini equivalen dengan jenis material St 42. Berdasarkan literatur material St 42 memiliki: - Tegangan Ultimate : N/mm 2 - Tegangan Yied : 250 N/mm 2 3. PROSES ANALISIS 3.1 Desain V-Stay Berdasarkan data yang ada, V-Stay didesain ulang menggunakan CATIA-Part Design. Desain diawali dengan membuat komponen-komponennya, yaitu: bottom plate dan pin yang digabung dengan kampuh las, bearing (ball and race), V-Stay, ring, dan mur pengikat. Selanjunya komponen-komponen tersebut dirakit menggunakan CATIA-Assembly Design, sehingga menjadi desain rakitan. Desain rakitan inilah yang akan dianalisis Komponen pada Rakitan 1 Keterangan Gambar: 1. Bottom plate 2. Pin 3. V-Stay Modified 4. Bearing 5. Ring 6. Mur Gambar 10: Beban yang Beberka pada 3.3 Analisis Statis Misalignment Berdasarkan data yang ada, analisis statis pada V-Stay dilakukan dengan asumsi terjadi fleksibilitas sebesar 35 mm, artinya perbedaan ketinggian pada housing yang kiri dan kanan sebesar 35 mm. Gambar 11 menunjukkan kondisi V-Stay saat terjadi kemiringan sebesar 35 mm pada housing dan sudut kemiringan yang terjadi sebesar 16,13 º Keterangan Gambar: 1. Pin 2. Kampuh Las 3. Bottom Plate a) Design Bottom Plat dan Pin No. Uraian Dimensi Material 1. Pin Ø56 x120 MildSteel SS Kampuh Las Tebal 30 mm LB 52 U 3. Bottom Plat Tebal 20 mm MildSteel SS 400 Gambar 11: Housing dengan fleksibilitas 35mm Berdasarkan spesifikasi jenis bearing yang digunakan memiliki misalignment angle sebesar 6 º. Jika bearing ini telah dirakit, sesuai dengan spesifikasi yang ada, maka housing dapat bergerak bebas relatif terhadap pin hingga sudut 6 º. Hal ini, dapat memberikan fleksibilitas housing terhadap pin sebesar 13,2 mm. Gambar 12 menunjukkan kondisi V-Stay saat terjadi kemiringan pada housing dengan sudut kemiringan maksimum sebesar 6º. b) Design V-Stay c) Design Assembly V-Stay Gambar 9: Desain Modified V-Stay Gambar 12: Housing dengan misalignment angle 6 º Beban yang Terjadi Pada saat housing miring lebih dari 6º hingga 16,13º, terjadilah pembebanan pada rangkaian V- Stay, housing, bearing (ball & race), pin, kampuh las, dan bottom plate yang terpasang pada axle. Jika kemiringan yang terjadi mencapai 16,13º (fleksibilitas 35 mm), maka beban tersebut dapat diequivalenkan sebuah momen torsi pada housing dan V-Stay yang menghasilkan deformasi sebesar 35 mm. Dengan menggunakan software CATIA, torsi tersebut dapat disimulasikan Gambar 13.

4 A B Keterangan: Tumpuan A : Clamp, yaitu tumpuan bottom plate pada axle. Load Momen : Momen, arahnya ke atas, akibat bergesernya chasis ke atas. Gambar 13: Pembebanan pada Rakitan V-Stay Melalui pemberian beban momen pada V-Stay, terjadi deformasi yang besarnya sama dengan perbedaan ketinggian yang terjadi pada housing maupun pada kaki V-Stay (B dan C). Pada End Rod: Dengan adanya misalignment angle (a) dari bearing sebesar 6º, ketinggian sisi housing dapat berbeda hingga 13,2 mm. Jika perbedaan ketinggian pada housing mencapai 35 mm, maka perbedaan sisa (35 13,2 = 21,8 mm) merupakan defleksi akibat beban yang bekerja pada V-Stay. Pada Ujung Kaki V-Stay B dan C: Dengan adanya misalignment angle (a) dari bearing sebesar 6º, ketinggian ujung kaki V-Stay B dan C dapat berbeda hingga 69 mm. Jika perbedaan ketinggian pada housing tersebut mencapai 35 mm, maka perbedaan ketinggian pada kaki V-Stay B dan C mencapai 183,4 mm, sehingga perbedaan ketinggian sisa (183,4 69 = 114,4 mm) merupakan defleksi akibat beban yang bekerja pada V-Stay. Hasil analisis dengan software CATIA didapatkan: Perbedaan Ketinggian (mm) Sudut Defleksi Beban Momen No. Housing Kaki V-Stay Kemiringan Satu Sisi (Nm) (B&C) 1. 13,2 69,0 6 º 10,9 mm ,4 16,13 º 57,2 mm 4360 Defleksi yang terjadi pada Rakitan V-Stay Defleksi yang terjadi pada rakitan V-Stay dengan beban momen sebesar 4360 Nm dapat dilihat pada Gambar 14. C Defleksi maksimum yang terjadi pada ujung B sebesar 57,3 mm ke arah bawah dan pada ujung C sebesar 57,3 mm ke arah atas. Pada kondisi ini, terjadi pembebanan momen yang bekerja pada V- Stay sebesar 4360 Nm berlawanan arah dengan jarum jam. Beban momen ini selanjutnya digunakan untuk menganalisis komponen V-Stay. 4. TEGANGAN YANG TERJADI Berdasarkan data yang ada, analisis dilakukan dengan asumsi bahwa beban yang bekerja pada rakitan V-Stay berupa momen sebesar 4360 Nm. 4.1 Analisis Menggunakan CATIA Dalam melakukan analisis menggunakan software CATIA, langkah yang dilakukan adalah: - Mendesain komponen menggunakan Part Design - Mendesain rakitan melalui Assembly Design dari komponen-komponen menjadi rakitan V-Stay. - Membuka menu analisis, melalui: Start Mechanical Design Analysis & Simulation Generative Structure Analysis Static Analysis - Menentukan tumpuan (Boundary condition) - Memberikan beban (Load) - Memasang Connection Property - Menghitung (Computing) - Melihat hasilnya: Tegangan yang terjadi (Von Mises Stress) Deformasi (Deformation) 4.2 Tegangan pada V-Stay Tegangan yang terjadi pada V-Stay dapat dilihat pada Gambar 15. Jika dilihat dari samping (sumbu x) Jika dilihat dari samping (sumbu x) Jika dilihat dari belakang (sumbu y) A C Gambar 14: Defleksi pada Rakitan V-Stay B Gambar 15: Tegangan pada V-Stay Tegangan maksimum yang terjadi pada V-Stay (warna merah) sebesar 192 N/mm 2 = 19,2 kg/mm 2. Lokasi tegangan maksimum ini terjadi pada daerah sambungan pipa 2 dengan housing. 4.3 Tegangan pada Bottom Plate Tegangan yang terjadi pada Bottom Plate dapat dilihat pada Gambar 16.

5 Jika dilihat dari atas Gambar 16: Tegangan pada Bottom Plate Tegangan maksimum yang terjadi pada Bottom Plate (warna merah) sebesar 66,5 N/mm 2 = 6,65 kg/mm 2. Lokasi tegangan maksimum ini terjadi pada daerah tumpuan Sambungan Las (Kampuh). 4.4 Tegangan pada Kampuh Las Tegangan yang terjadi pada Kampuh Las dapat dilihat pada Gambar 17. Gambar 18: Tegangan pada Pin Tegangan maksimum yang terjadi pada Pin (warna merah) sebesar 2500 N/mm 2 = 250 kg/mm 2. Lokasi tegangan maksimum ini terjadi pada daerah tumpuan dari bearing. 4.6 Tegangan pada Bearing a) Tegangan yang terjadi pada Ball dapat dilihat pada Gambar 19. Jika dilihat dari samping Jika dilihat dari atas Gambar 17: Tegangan pada Kampuh Las Tegangan maksimum yang terjadi pada Kampuh Las (warna merah) sebesar 262 N/mm 2 = 26,2 kg/mm 2. Lokasi tegangan maksimum ini terjadi pada daerah tumpuan dari Pin. 4.5 Tegangan pada Pin Tegangan yang terjadi pada Pin dapat pada Gambar 18. Gambar 19: Tegangan pada Ball Tegangan maksimum yang terjadi pada Ball (warna merah) sebesar 5010 N/mm 2 = 501 kg/mm 2. b) Tegangan yang terjadi pada Race dapat pada Gambar 20. Jika dilihat dari samping Jika dilihat dari samping (sumbu x) Gambar 20: Tegangan pada Race Tegangan maksimum yang terjadi pada Race (warna merah) sebesar 19400N/mm 2 =1940kg/mm 2.

6 5. KESIMPULAN Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa: 1- Fleksibilitas housing sebesar 35 mm setara dengan kemiringan sebesar 16,13. Penggunaan spherical bearing, membuat housing dapat bergerak miring dengan bebas relatif terhadap pin hingga sudut 6, sehingga hanya sisa sudut sebesar 10,13 yang merupakan besar sudut deformasi akibat beban yang bekerja pada V- Stay. Deformasi sudut 10,13 ini setara dengan defleksi pada kaki V-Stay sebesar 57,2 mm. 2- Melalui software CATIA dapat dihasilkan besarnya beban, yang mengakibatkan deformasi pada kaki V-Stay sebesar 57,2 mm, yaitu beban momen sebesar 4360 Nm. 3- Pada kondisi miring 6 dan V-Stay diberi beban momen sebesar 4360 Nm, maka: Tegangan yang terjadi pada V-Stay: 192 N/mm N/mm 2 1,3 Tegangan yang terjadi pada Bottom Plate: 66,5 N/mm N/mm 2 3,7 Tegangan yang terjadi pada Kampuh Las: Teg.Von Misses Teg. Yield Material Safety Factor ( ) 262 N/mm N/mm 2 1,5 Tegangan yang terjadi pada Pin: 2500 N/mm N/mm Tegangan yang terjadi pada Ball: 5010 N/mm N/mm Tegangan yang terjadi pada Race: N/mm N/mm Berdasarkan hasil static analysis dan data bahan, maka dengan fleksibilitas sebesar 35 mm, konstruksi V-Stay sementara ini kritis terhadap kerusakan. Hal ini disebabkan oleh tegangan yang terjadi pada V-Stay terlalu besar, sehingga safety factornya 1,3. Apabila dibiarkan, akan berakibat kerusakan pada komponen: pin, spherical bearing, dan komponen lainnya 6. SARAN - Guna mereduksi tegangan yang terjadi, dapat dilakukan dengan menambahkan bushing yang terbuat dari Teflon (PTFE) sebagai landasan bearing atau mengganti jenis bearing dengan misalignmen anglet yang lebih besar. - Melalui penambahan dengan dimensi: D dalam = 50 mm D luar = 90 mm Tinggi = 50 mm Bahan = PTFE Modulus Young = 500 N/mm 2 Teg. Ultimate = 35 N/mm 2 Teg. Yield = 23 N/mm 2 Dapat mereduksi tegangan yang terjadi hingga 25%. REFERENSI 1. Kohler J. (1985) Normen auszug, VSM- Normenbüro, Zürich. 2. Matek W, Muhs D und Wittel H. (1987) Roloff/Matek Maschinenelemente, Fredr. Vieweg & Sohn, Braunschweig, Deutschland, ISBN Niemann G, Budiman Anton Dipl. Ing., Priambodo Bambang (1992) Elemen Mesin I edisi Kedua, Erlangga, Jakarta.