Kajian Awal Kekuatan Rangka Sepeda Motor Hibrid C. Prapti Mahandari, Dita Satyadarma, Firmansyah Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Gunadarma Jln Margonda Raya 100 Depok Jawa Barat 16424 e-mail:coki@staff.gunadarma.ac.id Abstrak Salah satu bagian penting dari sebuah sepeda motor adalah rangka. Rangka berfungsi secara statik sebagai penguat struktur dan tempat menambatkan bermacam-macam komponen sepeda motor. Selain itu secara dinamik berfungsi sebagai pengendali sepeda motor yakni menjaga kestabilan dan kenyamanan. Sebuah rangka sepeda motor hibrid dirancang dengan merubah bentuk sebuah rangka motor. Perubahan bentuk rangka tersebut untuk mencapai fungsi dan untuk menempatkan komponen tambahan motor hibrid yakni Aki dan Motor DC. Perubahan yang dilakukan adalah penambahan lengan ayun dan pemindahan posisi dudukan shockabsorber dengan menambahkan pipa dan plat untuk penguat dudukan. Kajian awal kekuatan struktur rangka sepeda motor hibrid dilakukan dengan perangkat lunak komputer. Kajian ini dilakukan berdasarkan tegangan maksimum dan peralihan ( displacement) maksimum yang timbul pada rancangan. Total gaya yang diterapkan pada rancangan adalah gaya berat dari penumpang, mesin, motor DC dan Aki yakni 1180 N. Berdasarkan simulasi bentuk dan pemilihan material yang optimum maka diperoleh bentuk rancangan rangka sepeda motor hibrid. Tegangan maksimum yang timbul pada rancangan 3,7 x 10 7 N/m2 dan peralihan maksimumnya 0,3 mm. Kata Kunci: rancangan, rangka, hibrid, Pendahuluan Sepeda motor merupakan kendaraan yang paling banyak dipergunakan di Indonesia. Ditinjau dari segi penggunaan bahan bakar meskipun konsumsi tiap unitnya rendah, namun menjadi perlu diperhitungkan apabila jumlah sepeda motornya semakin banyak. Sedangkan penggunaan bahan bakar fosil ingin dikurangi karena cadangannya yang semakin berkurang. Untuk itu penggunaan bahan bakar fosil hendaknya diganti dengan penggunaan sumber energi lain. Salah satu pilihannya adalah sumber energi listrik yang bersumber dari Aki seperti pada kendaraan hibrid. Berdasarkan mobil hibrid yang telah diproduksi maka muncul ide untuk membuat sepeda motor hibrid. Seperti halnya dengan mobil hibrid, sepeda motor hibrid juga menggunakan motor bakar dan motor listrik. Harga sepeda motor hibrid masih teramat mahal dan belum dipasarkan di Indonesia (Anonim, 2006). Proses perancangan motor hibrid diawali dengan perancangan rangkanya. Rangka sepeda motor berfungsi sebagai penyangga komponen, penguat struktur sekaligus pengendali. Perancangan rangka sepeda motor hibrid dilakukan dengan mengacu pada bentuk rangka sebuah sepeda motor. Bentuk ini diubah untuk memungkinkan penambahan komponen penunjang sistem hibrid seperti Aki dan motor listrik. Perubahan bentuk rangka dirancang agar tetap dapat berfungsi dengan baik sebagai penguat struktur dan pengendali Bentuk rangka yang dimodifikasi dibuat terlebih dahulu kemudian diberikan beban. Sebagai kajian awal dilakukan analisa tegangan maksimum dan peralihan maksimum yang timbul akibat pembebanan statis dari pengemudi, aki dan motor. Perubahan bentuk rangka dilakukan beberapa kali sampai diperoleh bentuk yang optimum dari tegangan maksimum yang timbul maupun peralihannya. Selain itu modifikasi juga mempertimbangkan fungsi rangka sebagai tempat dari Aki dan motor listrik. Perkembangan teknologi informasi membuat proses perancangan rangka sepeda motor hibrid ini menjadi lebih cepat dan lebih hemat sumber daya. Hal ini dimungkinkan karena proses perancangan dilakukan dengan mensimulasikannya di komputer. Hasil simulasi telah menunjukkan
apakah hasil rancangan tersebut dapat diaplikasikan atau tidak sebelum rancangan tersebut diproduksi. Hasil rancangan yang optimum dapat segera diperoleh. Sekarang ini banyak sekali program-progam aplikasi perangkat lunak yang dapat digunakan untuk keperluan tersebut, diantaranya adalah : CATIA, ADAM, Visual Nastran, PRO-E, Mechanical Desktop, Inventor dan lain sebagainya (Cokorda, 2004) Salah satu komponen pada sepeda motor yang dianalisa menggunakan perangkat lunak CATIA adalah dudukan segitiga stang sepeda motor. Tegangan maksimum dan peralihan maksimum yang terjadi akibat pembebanan statis dianalisa kemudian dilakukan modifikasi perancangan untuk menurunkan tegangan maksimum yang terjadi tanpa merubah komposisi material. Modifikasi yang dilakukan adalah mengubah dan memperbesar tulang rangka yang terdapat pada bagian bawah dudukan segitiga yang mengalami tegangan maksimum. Hasilnya tegangan maksimum yang terjadi pada rancangan yang telah dimodifikasi menjadi lebih rendah namun dengan kompensasi penambahan massa (Saidi, 2006). Penerapan perangkat lunak CATIA untuk menganalisa dudukan mesin dan dudukan pengemudi Circular Hovercraft juga telah dilakukan (Kurniawan, 2007). Analisa tegangan maksimum dan peralihan maksimum dilakukan terhadap perubahan arah pembebanan pada dudukan mesin dan dudukan pengemudi Hal ini dilakukan untuk menentukan faktor keamanan dari rancangan yang dimodifikasi dari bentuk dudukan sebelumnya. Metode Penelitian Berdasarkan bentuk rangka sebuah sepeda motor dibuat bentuk alternatif rangka sepeda motor hibrid. Rangka yang baru tersebut kemudian dibuat gambar rancangannya. Gambar rancangan rangka disimulasikan dengan perangkat lunak komputer CATIA V5 untuk memperoleh bentuk yang optimum. Simulasi dilakukan dengan memilih jenis material yang sudah umum dipergunakan untuk bahan rangka sepeda motor. Parameter yang diubah selama simulasi adalah bentuk dan peletakan komponen. Tegangan maksimum dan peralihan maksimum yang diperoleh dari hasil simulasi dibandingkan dengan tegangan luluh material rangka. Setelah beberapa kali simulasi maka diperoleh bentuk rangka yang optimum Hasil dan Pembahasan Rangka sepeda motor yang dijadikan acuan adalah seperti tampak pada gambar 1. Gambar 1. Gambar rangka sepeda motor Untuk dapat menjadi rangka sepeda motor hibrid maka dilakukan perubahan struktur rangka sebagai berikut :.
Perubahan dudukan posisi asli shockbreaker yang awalnya berada disisi kiri rangka motor, setelah dirubah posisi dudukan shockbreaker menjadi ditengah rangka (monoshock). Posisi mesin yang sebelumnya berfungsi juga sebagai lengan ayun ketengah rangka mesin tersebut setelah mengalami perubahan mesin tersebut tidak lagi berfungsi sebagai lengan ayun karena fungsi lengan ayun pada mesin tersebut sudah digantikan dengan lengan ayun yang baru. Penambahan pipa ditengah rangka sebagai penguat dudukan shockbreaker. Penambahan lengan ayun (swing arm) yang baru dan dudukan shockbreaker baru. Pada dudukan shockbreaker ini ditambahkan pipa penyangga yang dihubungkan pada stang yang berfungsi untuk menahan dudukan shockbreaker dari beban yang diterima. Dudukan shock absorber berupa plat seperti tampak pada gambar 2. Sedangkan pipa penyangga yang menghubungkan stang dan dudukan shockbreaker ditampilkan pada gambar 3. Gambar 2. Plat dudukan shockabsorber dan pipa penyangga Gambar 3. Model dari rancangan rangka sepeda motor hibrid Ukuran dimensi rinci secara keseluruhan dari rancangan rangka sepeda motor hibrid ditampilkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Dimensi-dimensi rangka motor hibrid Langkah umum untuk penentuan tegangan dan peralihan pada suatu struktur diawali dengan penggambaran bagiannya atau strukturnya. MATERIAL Desain (Part design) COMPUTE (HASIL ANALISIS) -Proses Solusion/Analisis (Generative Structural Analysis) -Penentuan Clamp -Penentuan Posisi, arah dan besarnya beban Gambar 5. Langkah umum penentuan tegangan
Material dipilih berdasarkan rentang kekuatan yang direncanakan maupun faktor keamanan serta ketersediaan dana. Proses analisa dilanjutkan dengan penentuan bagian yang tetap atau penentuan Clampnya. Pembebanan dapat dilakukan dengan menetapkan posisi, arah dan besarnya beban. Langkah-langkah umum ini ditampilkan pada skema Gambar 5. Pada analisis statis suatu struktur selalu terdapat bagian yang dianggap kaku (fix), bagian tersebut menjadi pemegang (clamp) dari struktur. Bagian yang dianggap fix dapat berupa permukaan yang rata atau terikat dengan komponen lain. Penempatan posisi clamp sangat menentukan hasil analisa. Penentuan Clamp pada rancangan adalah pada dudukan shockabsorber dan pada tiang stang bagian bawah seperti diperlihatkan pada Gambar 6. Gambar 6. Penentuan Clamp pada rancangan Pembebanan pada rancangan dilakukan secara terpusat, dengan memberikan total gaya berdasarkan gaya karena beban pengemudi, mesin, aki dan motor listrik ditampilkan pada Gambar 7. Total besarnya gaya adalah 1180 N. Gambar 7. Pembebanan pada rancangan Tegangan Von Mises (Jensen, 1983) yang terjadi akibat beban yang diberikan pada rangka motor hybrid ditampilkan pada Gambar 8. Hasil tegangan (von mises stress) maksimum ditunjukkan Von Mises Stress Maksimum
dengan warna merah sebesar 3.71 x 10 7 N/m 2 dan tegangan (von mises stress) minimum ditunjukkan dengan warna biru sebesar 239 N/m 2. Maka berdasarkan perbandingan tegangan luluh dari material baja jenis AISI 5140 sebesar 2,95 x 10 8 N/m 2 dapat dipastikan struktur rangka tersebut mampu menahan beban yang diberikan atau dalam kondisi aman. Sedangkan peralihan yang terjadi akibat beban keseluruhan ditunjukkan pada Gambar 9 Displacement Maximum Gambar 9. Peralihan yang terjadi setelah diberi beban keseluruhan (terpusat) Ditinjau dari faktor keamanan pada material yang digunakan struktur rangka motor hybrid haruslah lebih besar daripada 1,0. Faktor keamanan yang digunakan pada rangka motor hybrid dihitung berdasarkan perbandingan tegangan luluh material baja jenis AISI 5140 dengan tegangan Von Mises maksimum seperti Persamaan 1 (Gere, 1996): 8 2 S y 2.95x10 N / m 4.2 (1) 7 2 7x10 N / m e dimana: S y = Tegangan luluh sebesar 2,95 x 10 8 N/m 2 σ e = Tegangan Von mises maksimum sebesar 7,01 x 10 7 N/m 2
Kesimpulan T E K N O S I M 2007 Modifikasi rancangan rangka sepeda motor hibrid dilakukan dengan mempertimbangkan penambahan komponen namun tidak mengurangi fungsi rangka sebagai pengendali. Perubahan struktur rangka adalah merubah posisi dudukan shockabsorber dari sisi kiri ke tengah rangka. Menambahkan lengan ayun dan pipa ditengah rangka sebagai penguat dudukan shockbreaker. Tegangan maksimum dan peralihan maksimum dari bentuk optimum rangka yang diperoleh setelah melakukan simulasi dengan perangkat lunak masih dalam daerah aman dengan faktor keamanan sekitar 4. Simulasi dapat dilakukan dengan perubahan gaya pembebanan yang disesuaikan dengan kondisi rancangan. Daftar Pustaka Anonim, 2006, Motor hibrid, 15 Maret 2007 http://www.g2glive.com/?m=news.detail&id=1255 Cokorda P.M, 2004, Modeling and Simulation in Mechanical Engineering; A General Overview, Proceedings Collaboration Workshop on Energy, Environment and New Trend in Mechanical Engineering, Unibraw-Keio University, 131-148 Gere, J.M, Thimoshenko, S.P, 1996 Mekanika Bahan edisi kedua, Penerbit Erlangga, Jakarta Jensen, A and Chenoweth, Applied Strength of Material, fourth edition, McGraw-Hill, Singapore Kurniawan, A 2007, Rancang Bangun Ulang dan Analisis Statik Dudukan Mesin (Engine Mounting) dan Dudukan Pengemudi Circular Hovercraft menggunakan Software berbasis Metode Elemen Hingga ( CATIA V5), Skripsi Jurusan Teknik Mesin Universitas Gunadarma, 1-86 Saidi R, Cokorda P.M, 2006, Tegangan Maksimum Dudukan Stang Sepeda Motor; Analisis dan Modifikasi Perancangan, Proceeding KOMMIT, 214-219
T E K N O S I M 2007 Nama Penulis
T E K N O S I M 2007 Nama Penulis