PERANCANGAN DAN ANALISIS TRAILER RACK SEPEDA MOTOR PADA MOBIL
DAIHATSU TAFT DENGAN BANTUAN SOFTWARE AUTODESK INVENTOR
Adi Purwanto1, Toto Rusianto2
Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta e-mail: 1addidaiya47@gmail.com, 2toto@akprind.ac.id.
ABSTRACT
Trailer rack is an additional device mounted on a four-wheeled vehicle to transport a motorcycle mounted on the rear of the car frame. In this design, the Daihatsu Taft off-road vehicle that attracted many outdoor sports fans was chosen as the subject of designing the bracket adapter for the trailer rack. The concept development in the trailer rack design comes from the technical specifications obtained through the Quality Function Deployment (QFD), which is a methodology used by designers to anticipate and determine the priorities of consumers 'needs and desires, as well as combining these consumers' needs and desires in products developed with consumer oriented. The design method, along with the stages in the process of designing the rack trailer in addition to using the QFD method, also refers to the guidelines of the German Engineer Association (Verein Deutsche Ingenieuer/VDI) at the analysis stage to obtain the desired technical specifications. Furthermore, the virtual 3D trailer rack model is made with Computer aids Drafting and Design software (CADD). The design and analysis of the design of the trailer rack focuses on the analysis process using ASTM A-36 material on the rack trailer frame with a motorcycle load weighing ≤ 200 kg. In the simulation of loading using Autodesk Inventor software, the values due to load include: Von misses stress of 107.3 MPa, 1stPrincipal Stress of 111.2 MPa, 3rdprincipal stress of -114.1 MPa, displacement of 0.13 mm, and a safety factor of 2.31 ul.
Keyword; Autodesk Inventor, Daihatsu Taft, CADD, QFD, Trailer Rack, VDI. INTISARI
Trailer rack adalah sebuah perangkat tambahan yang terpasang pada kendaraan beroda empat untuk mengangkut sepeda motor yang dipasang pada bagian belakang rangka mobil. Pada perancangan ini, mobil Daihatsu Taft kendaraan off-road yang banyak diminati penggemar olah raga luar ruang, dipilih sebagai subjek perancangan adapter bracket untuk trailer rack. Pengembangan konsep dalam perancangan trailer rack ini berasal dari spesifikasi teknik yang diperoleh melalui Quality Function Deployment (QFD), yakni suatu metodologi yang digunakan oleh perancang untuk mengantisipasi dan menentukan prioritas kebutuhan dan keinginan konsumen, serta menggabungkan kebutuhan dan keinginan konsumen tersebut dalam produk yang dikembangkan dengan berorientasi pada konsumen. Metode perancangan, beserta tahapan dalam proses perancangan trailer rack selain menggunakan metode QFD, juga mengacu pada panduan Persatuan Insinyur Jerman (Verein Deutsche Ingenieuer/VDI) pada tahap analisis untuk mendapatkan spesifikasi teknik yang diinginkan. Selanjutnya model virtual 3D trailer rack dibuat dengan perangkat lunak Computer aids Drafting and Design atau (CADD). Perancangan dan analisis hasil rancangan trailer rack ini, menitik beratkan pada proses analisis menggunakan bahan ASTM A-36 pada rangka trailer rack dengan beban sepeda motor berbobot ≤ 200 kg. Pada simulasi pembebanan menggunakan software Autodesk Inventor mendapatkan nilai-nilai akibat beban antara lain adalah: Von Misses stress sebesar 107,3 MPa, 1stPrincipal Stress sebesar 111,2 MPa, 3rd principal stress sebesar -114,1 MPa, displacement sebesar 0,13 mm, dan safety factor sebesar 2,31 ul.
Kata Kunci : Autodesk Inventor, Daihatsu Taft, CADD, QFD, Trailer rack, VDI.
1. PENDAHULUAN
Banyak kegiatan-kegiatan olahraga dan hobi menggunakan sarana sepeda motor terselenggara disetiap daerah-daerah tertentu secara rutin. Kegiatan-kegiatan olahraga dan hobi sepeda motor yang sering diselenggarakan adalah road race, motocross, freestyle, serta kontes modifikasi, tekadang tempat dilaksanakan kegiatan-kegiatan tersebut terlalu jauh dari daerah tempat tinggal dan tidak memungkinkan dengan mengendarai sepeda motor tersebut di jalan raya.
Solusi dari masalah tersebut, digunakan trailer rack untuk sepeda motor. Trailer rack adalah sebuah perangkat tambahan yang terpasang pada kendaran beroda empat untuk mengangkut sepeda motor yang dipasang pada bagian belakang rangka mobil. Dengan demikian trailer rack dapat digunakan sebagai solusi bagi para peserta yang ingin mengikuti kegiatan ditempat yang diingikan meskipun tempat tersebut jauh dari tempat tinggal.
2. TINJAUAN PUSTAKA A. Trailer Rack
Trailer Rack adalah sebuah pe-rangkat yang terpasang pada sebuah kendaran beroda empat untuk mengangkut sepeda motor. Trailer Rack sepeda motor biasanya dapat diletakkan di bagian belakang mobil dengan menopang pada rangka mobil dimana trailer dapat dibongkar pasang.
Gambar 1. Trailer Rack B. Autodesk Inventor
Autodesk Inventor adalah salah satu aplikasi perangkat lunak CADD untuk rekayasa untuk merancang dan menggambar mesin dan konstruksi yang sekarang sudah dikenal oleh para drafter. Software ini didesain khusus untuk perancangan gambar mekanik dengan akurasi tinggi (hingga 5 digit, di belakang koma) dilengkapi fitur 2D drafting, 3D solid modeling, aminasi dan Finite Element Analisys (FEA). Dengan menggunakan perangkat lunak Autodesk Inventor proses perancangan analisis kekuatan hasil rancangan akan lebih cepat.
Proses penggunaan software Autodesk Inventor seperti proses di dalam sebuah pabrik-pabrik yang di dalamnya terdapat beberapa divisi yang memiliki spesifikasi pekerjaan tertentu. Pada Autodesk Inventor divisi-divisi itu disebut dengan template.
Menurut Huda (2012:4) keempat template tersebut adalah:
1. Template dengan eksensi .ipt adalah template yang digunakan untuk membuat komponen (part) 2. Template dengan eksensi .iam adalah template yang digunakan untuk merakit komponen (assembly). 3. Template dengan eksensi .ipn adalah template yang digunakan untuk membuat assembly model terurai (knock
down) tanpa mem-pengaruhi model assembly asli.
4. Template dengan eksensi .idw adalah template yang digunakan untuk merubah komponen (part) maupun model rakitan (assembly) menjadi gambar kerja 2 dimensi.
Gambar 2. Template Autodesk Inventor (Sumber : Huda, 2012: 4) C. Metode Verein Deutcher Ingeneur
Metode untuk perancangan ini telah ditetapkan oleh Persatuan Insinyur Jerman atau Verein Deutcher Ingeneur (VDI), dengan mengeluarkan metode VDI 2222 untuk me-nyelesaikan permasalahan dan mengoptimalkan penggunaan material, teknologi dan keadaan ekonomi. Metode perancangan VDI 2222 dibagi beberapa tahapan sebagai berikut :
D. Penentuan Karakteristik dengan QFD
QFD merupakan cara untuk meningkatkan kualitas barang dengan memahami kebutuhan konsumen kemudian menghubungkan dengan ketentuan teknis untuk menghasilkan barang pada setiap tahap pembuatan barang. Penyebaran fungsi mutu (Quality Function Deployment) adalah alat perencanaan yang digunakan untuk membantu memusatkan perhatian pada kebutuhan konsumen ketika menyusun spesifikasi desain yang kemudian akan menjadi tahap analisa dan merencana yang dapat diterapkan pada metode VDI (Verein Deutcher Ingeneur).
Penentuan karakteristik Quality Function Deployment bertujuan untuk mengetahui selera konsumen terhadap produk., yaitu mengelompok-kan selera konsumen kedalam atribut produk yang disesuaikan karateristik teknik. Dalam QFD menggunakan suatu matriks yang disebut House Of Quality, dimana matriks ini dapat mengelompokkan keinginan konsumen kedalam krakteristik desain. Menurut Ginting (2009 : 143) House Of Quality adalah sebagai berikut :
Gambar 4. House of Quality (Sumber : Ginting, 2009: 143) E. Rumus-rumus Dasar Penunjang Perhitungan
1. Momen Inersia
Momen inersia digunakan pada per-hitungan konstruksi yang memeperhitungkan kekuatan konstruksi tersebut, misalnya: defleksi atau lendutan. Perhitungan momen inersia pada perancangan trailer rack ini menggunakan dua rumus bentuk konstruksi Hollow Square dan Channel Section. Momen inersia tersebut dapat dihitung dengan rumus (Khurmi & Gupta, 2005 :
131-134) :
Gambar 5. Momen Inersia Hollow Square (Sumber : Khurmi & Gupta, 2005 : 131) ∑ Momen Inersia Channel Section
Gambar 6. Momen Inersia Channel Section (Sumber : Khurmi & Gupta, 2005 : 134) 2. Tegangan Lentur
Tegangan lentur dapat dirumuskan sebagai berikut (Khurmi & Gupta, 2005 : 129) :
Keterangan :
= Tegangan lentur (kg/mm2)
M = Momen (kg.mm)
Z = Sction modulus Dalam hal ini, Dalam hal ini
M = F x L Keterangan :
F = Tegangan lentur (kg) L = Lengan gaya (mm
Dalam hal ini, sction modulus hollow square :
Dalam hal ini, sction modulus channel aection
3. Tegangan Geser Torsional
Tegangan geser adalah intesitas gaya yang bekerja sejajar dengan bidang dari luas permukaan.
Persamaan umum tegangan geser pada
seberang titik dengan jarak dari pusat penampang adalah (Robert L.mott, 2004 : 85) :Keterangan : T = torsi
Q = nilai penampang
Dalam hal ini nilai Q pada tegangan geser torsional adalah :
Gambar 7. Profil balok untuk nilai Q (Sumber : Robert L.mott, 2004 : 86) 4. Defleksi Pada Balok
Defleksi adalah perubahan bentuk pada balok arah y akibat adanya pembebanan vertical yang diberikan pada balok, dalam perancangan trailer rack terdiri dari 2 jenis titik pembebanan yang berbeda. Defleksi dapat dirumuskan sebagai berikut (Robert L.mott, 2004 : 638-639):
∑ Defleksi balok
Gambar 8. Defleksi balok (Sumber : Robert L.mott, 2004 : 638)
Pada C di tengah-tengah :
2
= 8
Pada A dan E di ujung pada beban :
∑ Defleksi balok kantilever
Gambar 9. Defleksi balok kantilever (Sumber : Robert L.mott, 2004 : 639) Pada B di beban :
Pada C di ujung
Keterangan :
E = Modulus Elastisitas I = Momen Inersia 5. Bahan Trailer Rack
Pemilihan bahan logam pada dasarnya mengacu kepada sifat-sifat dari bahan, karena bahan logam dipergunakan untuk berbagai macam keperluan dalam kehidupan sehari-hari. Sifat-sifat bahan yang diinginkan yaitu: sifat mekanik (kekuatan, kekerasan, keuletan, keliatan, kekakuan, dan sebagainya), sifat-sifat termal (panas jenis, pemuaian, konduktivitas, dan sebaginya), Pemilihan bahan untuk perancangan trailer rack ini adalah Steel ASTM-A36 yang memiliki sifat (Hutahaean,2014 : 346) :
Berat jenis : 7860 kg/m3
Kekuatan ultimate : 40,7 kg/mm2
Kekuatan luluh : 25,2 kg/mm2
Modulus elastisitas : 20387,35 kg/mm2
3. METODE PERANCANGAN
Metode dan tahapan dalam proses pe-rancangan trailer rack mengacu pada VDI (Verein Deutsche Ingenieuer) atau Persatuan Insinyur Jerman yang dipadukan dengan metode QFD (Quality Function Deployment) pada tahap analisis atau merencana.
Gambar 10. Metode Perancangan trailer rack 1. Analisa Kebutuhan Konsumen
Secara umum pengguna (user) atau konsumen akan memberikan pendapat (the voice of customer) tentang keinginan atribut-atribut tariler rack. Berikut adalah analisis kebutuhan konsumen dilakukan dengan meng-gunakan metode Quality Function Deployment (QFD) tahap-1 dengan mengmeng-gunakan matriks House Of Quality seperti yang dapat dilihat pada Gambar 11.
2. Membuat Konsep Trailer Rack
Konsep yang dibuat untuk trailer rack ada beberapa alternatif, yaitu : Tabel 1. Alternatif sistem penempatan sepeda motor
Tabel 2. Alternatif sistem penahan roda depan
Tabel 3. Alternatif sistem pengait tie down
Tabel 4. Alternatif sistem penahan roda belakang
3. Variasi Konsep
Tabel 6. Variasi konsep
4. Seleksi AFK (Alternatif Fungsi Konstruksi)
Tabel 7. Seleksi alternatif fungsi konstruksi
5. Perancangan Trailer Rack
Proses seleksi AFK (Alternatif Fungsi Konstruksi) mendapatkan AFK 3 memiliki nilai total yang paling unggul sebagai perancangan trailer rack. Berikut adalah bentuk trailer rack secara umum menurut sepesifikasi AFK 3 :
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Perancangan trailer rack menggunkan dua pembahasan pada perancangan trailer rack tersebut, yaitu pembahasan perhitungan secara toritis dan pembahasan menggunakan software autodesk innventor.
1. Perhitungan Rack
Gambar 13. Distribusi gaya rack A. Tegangan Lentur Rack
Dalam hal ini : 1) Momen Rack
M = 100 x 450 = 45000 kg. mm 2) Momen inersia rack :
Gambar 14. Profil rack
3) Sction modulus channel section rack :
B. Defleksi Pada Rack
Gambar 15. Defleksi pada rack
¸ Defleksi Pada C di tengah-tengah :
100 5002 450
8 Pada A dan E di ujung pada beban :
2. Perhitungan Balok 1
Gambar 16. Distribusi gaya balok A. Tegangan Lentur Balok 1
=
Dalam hal ini : 1) Momen balok 1
2) Momen inersia balok 1
Gambar 17. Profil balok 1
2) Sction modulus hollow square balok 1 :
B. Defleksi Balok 1
Gambar 18. Defleksi balok 1
¸
Defleksi pada B : − 3 = Defleksi pada C : 3. Perhitungan Balok 2Gambar 19. Komponen balok 2 A. Tegangan Lentur Balok 2
=
Dalam hal ini : 1) Momen balok 2
M = 100 x 365 = 36500 kg. mm
3) Momen inersia balok 2
Gambar 20. Profil balok 2
12
∑ Tegangan lentur balok 2
B. Defleksi Balok 2
Gambar 21. Defleksi balok 2
¸
Defleksi pada B :¸
Defleksi pada C : 4. Perhitungan Bumper Gambar 22. Bumper1)
Tegangan Geser Torsional Bumper¸ Dalam hal ini torsi adalah:
Gambar 23. Profil bumper
¸
Nilai Q
Sehingga tegangan geser torsional
:
2. Analisis dan Simulasi Trailer Rack 1. Von Mises Stress
Von mises stress merupakan tegangan total akibat pembebanan, struktur dikatakan gagal apabila nilai von mises strees melebihi kekuatan bahan (strength of material). Dari hasil simulasi diketahui tegangan paling
tegangan tersebut terletak pada bagian plat yang sebagai penampang poros. Sedangkan pada rangka Rangka Daihatsu Taft memiliki nilai von Misses strees sebesar 92 MPa. Nilai-nilai von Misses strees yang terbilang tinggi tersebut dapat diabaikan karena nilai tersebut hanya bersifat lokal, tidak secara menyeluruh, dan masih dibawah tegangan luluh material ASTM A-36 yaitu 248 MPa. Nilai-nilai von Misses stress dapat dilihat pada Gambar 24.
Gambar 24. Von mises stress 2. 1st Principal Stress
1st Principal Stress merupakan tegangan tarik total akibat pembebanan, struktur dikatakan gagal apabila nilai 1st Principal Stress melebihi kekuatan bahan. Dari hasil simulasi diketahui tegangan tarik paling tinggi karena pembebanan berada pada Balok 2 dengan nilai 1st Principal Stress 111,2 MPa, nilai tersebut terbilang tinggi tetapi dapat diabaikan karena nilai tersebut hanya bersifat lokal, dan tidak secara menyeluruh, hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 25 dimana disamping nilai 111,2 MPa memiliki nilai 1st Principal Stress yang terbilang rendah
,
yaitu 38,4 MPa.Gambar 25 1st Principal Stress 3. 3rd Principal Stress
3rd principal stress merupakan tegangan tekan total (compressive stress) akibat pem-bebanan. Dari hasil simulasi diketahui tegangan tekan paling tinggi karena pembebanan berada pada penampang balok 2 dengan nilai 3rd principal stress -114,1 MPa.
Gambar 26. 3rd principal stress 4. Displacment
Displacment/defleksi merupakan per-ubahan bentuk akibat adanya beban. Dari hasil simulasi diketahui displacment paling tinggi berada pada ujung rack dengan nilai displacment 4,186 mm. Besarnya displacment pada rack juga dipengaruhi oleh displacment pada balok 1 dan balok 2 serta dipengaruhi oleh bumper. Nilai displacment diawali pada bagian ujung Rangka Daihatsu Taft dengan nilai displacment 0,13 mm. Nilai displacment dengan nominal 4,186 mm terbilang cukup tinggi, tetapi dapat diabaikan karena displacment pada bagian ujung rack tidak mempengaruhi komponen lain.
Gambar 27. Displacment
Apabila dibandingkan dengan per-hitungan displacment secara teoritis akan men-dapatkan nilai yang berbeda hal tersebut disebabkan pada perhitungan teoritis pada bagian bumper dan rangka Daihatsu Taft belum mengalami defleksi berbeda halnya dengan simulasi, pada simulasi didapatkan pada ujung rangka Daihatsu Taft telah mengalami defleksi sebesar 0,13 mm, dan pada bumper telah mengalami defleksi sebesar 0,284 mm. Nilai-nilai tersebut dapat dilihat pada Gambar 27. Besarnya defleksi yang terjadi pada rangka Daihatsu Taft dan Bumper akan mempengaruhi hasil defleski total pada Rack.
5. Safety Factor
Dari hasil simulasi diketahui safety factor paling tinggi dengan nilai safety factor 15 ul, serta safety factor paling rendah berada pada Balok 2 dengan nilai safety factor 2,31 ul. Nilai safety factor tersebut akan berpengaruh pada kekuatan struktur trailer rack. Meskipun nilai safety factor paing rendah adalah 2,31 ul, konstruksi tersebut terbilang dapat digunakan karena letak safety factor 2,31 ul hanya bersifat lokal seperti yang terjadi dengan nilai-nilai tertinggi von mises strees, 1st principal stress, dan 3rd principal stress. Nilai safety factor yang ditargetkan pada perancangan trailer rack ini adalah 5 ul, meskipun tidak semua memiliki nilai diatas 5 ul, perancangan trailer rack dapat dilanjutkan ke tahap selanjutnya, karena nilai safety factor dibawah 5 ul hanya bersifat lokal. Nilai-nilai safety factor tampak pada Gambar 28.
Gambar 28. Safety factor 6. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil perancangan dan perhitungan baik menggunakan teoritis maupun analisis menggunakan software Autodesk Inventor pada trailer rack yang diberikan beban maksimal 200 kg dan menggunakan bahan ASTM A-36 memberikan beberapa point yang dapat ditarik sebagai kesimpulan diantaranya sebagai berikut :
1. Proses perhitungan secara teoritis dapat berbeda dengan simulasi munggunakan software, karena detail tentang ukuran dan bentuk komponen sulit diterapkan dalam perhitungan secara teoritis karena setiap komponen memiliki detail yang kompleks, sedangkan software mampu meng-analisis setiap titik bagian dari komponen.
2. Pada simulasi pembebanan menggunakan Autodesk Inventor mendapatkan reaksi tegang-an akibat beban tertinggi terjadi pada Balok 2 sebesar 111,2 MPa dengan defleksi sebesar 4,186 mm pada komponen rack yang di-sebabkan defleksi komponen rack tersebut dan defleksi yang terjadi pada balok dan sudut puntir bumper, dan trailer rack memiliki faktor keamanan terkecil adalah 2,31 ul yang terletak pada rangka Daihatsu Taft.
3. Secara keseluruhan perancangan trailer rack dapat dikembangkan walupun memiliki tegangan yang melebihi tengangan ijin karena tegangan tersebut hanya bersifat lokal.
7. Saran
Dari perancangan, perhitungan, dan simu-lasi yang telah dilakukan, maka dicoba untuk memberikan saran-saran yang diharapkan mampu meningkatkan kualitas perancangan berbasis soft-ware, saran-saran tersebut adalah :
1. Ketika pemodelan perancangan yang akan di-terapkan pada perhitungan teoritis diharapkan memiliki dimensi dan nilai yang detail baik dalam segi dimensi komponen maupun nilai pembebanan dan letak pembebanan.
2. Optimalisasi desain atau pengembangan se-lanjutnya perlu memperhatikan model adapter bracket yang terhubung pada rangka Daihatsu Taft, karena rangka Daihatsu Taft memiliki nilai tegangan yang cukup tinggi.
3. Proses simulasi perancangan sebaiknya dilaku-kan tidak hanya menggunakan satu software, karena apabila menggunakan berbagai soft-ware dapat dibandingkan hasil antar setiap software sehingga mendapatkan hasil yang akurat.
8. DAFTAR PUSTAKA
1. Ginting, Rosnani, 2009, Perancangan Produk, Graha Ilmu, Yogyakarta
2. Huda, Y. F., 2012, Panduan Mudah Menggambar Komponen Mesin dengan Autodesk Inventor Profesional 2011, Andi, Yogyakarta.
3. Hutahaen, R. Y., 2014, Mekanika Kekuatan Material, Graha Ilmu, Yogyakarta.
4. Khurmi, R. S. & Gupta, J. K., 2005, Machine Design, Fourteenth Edition, Eurasia Publishing House (Pte) Ltd, New Delhi.
5. Mott, R. L., 2004, Elemen-Elemen Mesin dalam Perancangan Mekanis, Edisi 1, Terjemahan oleh Rines, DKK., 2009, Andi, Yogyakarta.
