10
Analisa Tegangan Pada Poros Roda Menggunakan
Metode Elemen Hingga
Nana Supriyana1, Nur Biyanto2,
1,2 Program Studi Teknik Mesin, STT Wiworotomo Purwokerto email: [email protected], [email protected]2
Abstrak
Permasalahan poros roda yang sering mengalami kegagalan patah menarik penulis untuk menganalisa tegangan yang terjadi pada komponen poros dengan menggunakan pengujian bahan, pemrograman simulasi perangkat lunak ansys 12.0 dan perhitungan manual dengan metode elemen hingga secara teoritis, kegagalan poros roda yang mengalami patah karena poros sering mendapatkan beban yang melebihi kekuatannya. metodologi penelitian yang dilakukan adalah maelakukan proses pengujian tarik dan pengujian rotary bending, melakukan simulasi dengan software ansys dan melakukan perhitungan secara manual dengan metode elemen hingga. Penelitian bertujuan untuk menganalisa tegangan dan melakukan perbandingan kalkulasi antara simulasi ansys dan hasil perhitungan metode elemen hingga, seberapa besar hasil dari perbandingan tersebut. Dengan perbandingan yang telah didapatkan, penulis mengetahui seberapa besar perbandingan kalkulasi yang dilakukan, sehingga penulis dapat menganalisis kejadian-kejadian yang menyebabkan poros as bisa patah. Kesimpulan yang didapat dari kegiatan penelitian ini adalah dari mendapatkan hasil yang berbeda hal ini dimungkinkan hasil dari simulasi ansys jauh lebih teliti, karena di dalam pengidentifikasian simulasi ansys membahas setiap titik pada elemen yang dihitung, sedangkan perhitungan elemen hingga secara teoritis hanya menghitung pada titik-titik yang ditentukan.
Kata kunci: Kegagalan, Poros, Metode Elemen Hingga
Abstract
Problems axle which often results in failure broken attract authors to analyze the stress occurs in the component axis by using materials testing, programming software simulation of ANSYS 12.0 and manual calculations with the finite element method theoretically, the failure of the axle that had broken due to the shaft often get a load exceeding its strength. the methodology of the research is maelakukan tensile testing process and testing of rotary bending, perform simulations with ANSYS software and perform calculations manually by the finite element method. The study aims to analyze the voltage and perform a comparison calculation between ANSYS simulation and finite element method calculation results, how large the results of these comparisons. By comparison that has been obtained, the author knows how big the comparison calculation is done, so I can analyze the events that cause the axle shaft can be broken. The conclusion of this research activity is of getting a different result it is possible the results of the simulation ANSYS much more carefully, because in the identification of simulation ANSYS discuss each point on the elements that are tallied, and the calculation of finite element theoretically only count the dots which is determined.
Keywords: Failure, Shaft, Finite Element Method
1. Pendahuluan
Kenyamanan dan keamanan berkendaraan menjadi salah satu poin penting yang selalu dipertimbangkan oleh pemakai kendaraan. Salah satu komponen penting suatu kendaraan adalah poros roda yang berfungsi untuk menggerakan roda kendaraan. Berbagai macam kegagalan yang dialami sebuah poros salah satunya adalah terjadi patah pada bagian tertentu, ini merupakan sebuah tantangan dalam menganalisa penyebab kegagalan tersebut. Pemanfaatan teknologi dalam merancang suatu komponen mesin, salah satunya adalah penggunaan Metode Elemen Hingga dan simulasi perangkat lunak[1]. Software Ansys salah satu perangkat lunak yang sering digunakan untuk menghitung atau menganalisa komponen pada kendaraan, karena output dari kedua perhitungan adalah untuk mendapatkan nilai lebih
11
dari suatu perancangan, sehingga rencana dalam rancangan dapat tercapai. Dalam penelitian ini dilakukan untuk menganilasa kekuatan material Poros roda belakang kendaran dengan menggunakan pengujian bahan, simulasi Ansys dan perhitungan Metode Elemen Hingga[2]. 2. Metodologi Penelitian
Penelitian mengenai kegagalan pada komponen permesinan dengan analisa Tegangan Pada Poros AS Roda Belakang Truk Toyota Rino dengan Bahan ST 60 Menggunakan Sofware Ansys, penelitian dilakukan karena poros as roda belakang pada mobil banyak mengalami perubahan struktur logamnya dengan menganalisis tegangan efektif yang terjadi pada poros roda menggunakan perangkat lunak Ansys 5.4 dan dengan menggunakan perhitungan manual metode elemen hingga[3][4]. Tujuannya adalah untuk mendapatkan hasil perbandingan dari perhitungan keduanya seperti yang disebut di atas, sama atau tidakkah hasil yang diperoleh kedua analisa perhitungan. Mendapatkan hasil dengan melakukan perbandingan kedua hasil perhitungan dengan kesimpulan perhitungan menggunakan
software Ansys lebih baik jika dibandingkan dengan perhitungan manual[5]. Hal ini
disebabkan karena pada Software Ansys setiap titik pada material dihitung dengan teliti agar dapat diidentifikasi dengan baik. Penelitian yang dilakukan untuk menganalisa tegangan pada poros roda kendaraan roda empat memerlukan beberapa peralatan yaitu satu set perangkat komputer dengan spesifikasi prosesor i3 dan Ram 4 Gb, Alat uji tarik bahan, Alat uji rotary bending, Satu unit poros roda merk Mitsubishi L300, Satu set tool box. Peaksanaan penelitian analisa tegangan pada poros roda dilakukan dengan langkah sebagai berikut:
a. Persiapan bahan pengujian.
b. Pengujian Tarik dan Rotary Bending. c. Perhitungan Metode Elemen Hingga. d. Simulasi Ansys.
e. Pembahasan. 3. Hasil Dan Pembahasan
3.1 Pengujian tarik
Proses pengujian tarik dilakukan dengan beban terpasang 10 ton pada spesimen yang sesuai dengan bahan baku poros roda. Data yang dihasilkan berupa kekuatan maksimal yang dapat diterima oleh spesimen seperti tercantum dalam Tabel 1.
Tabel 1. Kalkulasi dari grafik hasil pengujian tarik.
No. Ø (mm) Lo (mm) Li (mm) % max. Pmax. (ton)
1 8 85 93.41 48.8 4.88
2 8 85 91.02 43.2 4.32
3 8 85 92.73 45.2 4.52
∆Pmax. 4.57333
Perhitungan untuk mendapatkan Pmax. adalah sebagai berikut: P = 𝑝𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑎𝑙 100 x 10 ton. (1) P = 48.8 100 x 10 ton P = 0.488 x 10 ton P = 4.88 ton
12
3.2 Pengujian rotary bending
Pengujian rotary bending dilakukan dengan beban terpasang 25 kg. hasil pengujian
rotary bending tercantum pada Tabel 2.
Tabel 2. Hasil pengujian rotary bending dengan beban terpasang 25 kg.
Spesimen d (m) P (N) siklus σ (N/m)
1 0,008 250 59800 12562,5
2 0,008 250 44700 12562,5
3 0,008 250 61100 12562,5
3.3 Pembuatan simulasi ansys
Pengujian diawali dengan membangun model menggunakan software ansys dan mendapatkan hasil defleksi maksimum sebesar 0,003329 KN, tegangan minimum 133,519 KN, tegangan maximum 137,504 KN seperti tercantum pada Gambar 1 dan 2.
Gambar1. Bentuk General Postproc X hasil program ansys
Gambar 2. Bentuk General Postproc Y hasil program ansys.
3.4 Perhitungan Metode Elemen Hingga
Proses perhitungan menggunakan metode elemen hingga dengan cara menggambarkan terlebih dahulu dimensi benda yang akan dihitung seperti terlihat pada Gambar 3.
DMX = 0.003329 kN SMN = -133.519 kN.m SMX = 137. 504 kN.m DMX = 0.003229 kN SMN = -43.519 kN/m SMX = 23.969 kN/m
13
Gambar 3. Bentuk dan dimensi dari poros as roda belakang L300
Rumus persamaan umum yang digunakan dalam perhitungan metode elemen hingga adalah sebagai berikut :
[ ke ] = 𝐸 .𝐼 𝐿3 [ 12 6𝐿 6𝐿 4𝐿2 −12 6𝐿 − 6𝐿 2𝐿2 −12 −6𝐿 6𝐿 2𝐿2 12 −6𝐿 −6𝐿 4𝐿2 ] (2)
Perhitungan mencari harga E adalah sebagai berikut: E = 𝐹∗𝐿𝑜 𝐴∗ ∆𝐿 (3) E = (50,24∗10454,67∗0,085−6)∗0,0074 E = 38,6469 0,00000037 E = 104451081,08 N/ m2. = 104,45 x 106N/m2. Perhitungan mencari harga I pada batang 1 adalah sebagai berikut:
I = 1 4 r 4 (4) = 1 4 * (0,0225 m) 4. = 0,000000064 m4. = 6,4 x 10-8 m4.
Hasil perhitungan untuk harga I pada batang yang lain dapat dilihat pada Tabel 3: Tabel 3. Harga I untuk setiap batang.
Nama Batang 1 Batang 2 Batang 3 Batang 4 Batang 5
I (m4) 6,4 x 10-8 2,3 x 10-8 1,63 x 10-8 1,56 x 10-8 1,2 x 10-8
Langkah berikut adalah perhitungan mencari harga kekakuan lokal elemen pada batang 1 (elemen 1) seperti ditunjukan pada Gambar 4:
Diket: E = 104,45 x 106N/m2.
I = dapat dilihat pada Tabel 3.
14
Pengglobalan metrik:Gambar 5. Model struktur
Perkalian metrik:
15
Tabel 4. Hasil pengglobalan matrik
Dari perhitungan perkalian diatas, didapatkan nilai sebagai berikut: V4 = -27,419 m.
Ɵ3 = 696,662 rad. V3 = -17,5 m. Ɵ2 = 70,82 rad. V2 = 0,963 m.
Selanjutnya melakukan perhitungan gaya dan momen pada elemen batang: a. Perhitungan untuk elemen 1:
16
b. Perhitungan untuk elemen 2:c. Perhitungan untuk elemen 3:
d. Perhitungan untuk elemen 4:
Untuk perhitungan elemen 5 dan 6 tidak dihitung, karena komponen perkalian bernilai 0.
Stress dan Moment pada batang yang mendapatkan beban seperti terlihat pada Gambar 6,
7 dan 8. Pada batang 3:
Gambar 6. Elemen 3 dan Elemen 4 secara terpisah Penggabungan elemen yang mendapatkan beban pada batang 3:
17
Langkah berikut adalah melakukan Perhitungan ;ƩS = 125941,9 + (-31806) – 25000 = 69135,9 N/m.
Perhitungan ƩM = 5167066,8 – 673959
= 4493107,8 N.m. 4. Kesimpulan
Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :
a. Output dari perhitungan berupa momen lentur dan tegangan (aksial, lentur). b. Dari simulasi ansys beban maksimal yang dapat diterima adalah 23.696 kN/m.
c. Dari perhitungan Metode Elemen Hingga momen maksimal terdapat pada elemen no. 1 dengan nilai 5693057 N.m kearah bawah.
d. Hasil perhitungan dan analisa pada elemen yang paling baik adalah menggunakan
Software Ansys.
5. DAFTAR PUSTAKA
[1] Hidajat, R. Lullus Lambang, 2005. Teori dan Penerapan Metode Elemen Hingga, UNS Press:Surakarta.
[2] Dieter, George E,. (George Ellwood), 1928-Mechanical Metallurgy. – SI Metric ed. [3] Agus Sulistio, Dwi. 2006 “Analisa Tegangan Pada Poros AS Roda Belakang Truk
Toyota Rino dengan Bahan ST 60 Menggunakan Sofware Ansys”, Universitas
Muhamadiyah Malang, Malang.
[4] Ferdinand L. singer, 1980. Kekuatan bahan. Penerbit : Erlangga, Jakarta.
[5] Geng, Jianping and friends, 2008. Application of the Finite Element Method in Implant
Dentistry. Zhejiang University Press, Hangzhou.
