BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Chassis
Chassis adalah rangka yang berfungsi sebagai penopang berat kendaraan, mesin serta penumpang. Biasanya chassis terbuat dari kerangka baja yang memegang body dan engine dari sebuah kendaraan [1]. Saat proses manufaktur
body kendaraan dibentuk sesuai dengan struktur chassisnya. Chassis mobil biasanya terbuat dari logam ataupun komposit. Material tersebut harus memiliki kekuatan untuk menopang beban dari kendaraan. Chassis juga berfungsi untuk menjaga agar mobil tetap rigid, kaku dan tidak mengalami bending [2].
Komponen Utama Chassis: 1. Frame
Frame adalah struktur dari beberapa batang yang dihubungkan dengan sambungan (pin ataupun rigid joint) dimana pada frame ini terdapat variasi gaya aksial, gaya lintang dan momen pada batang itu sendiri.
Lain halnya dengan truss yang merupakan struktur yang dibentuk dari batangan – batangan yang pada kedua ujung masing – masing batang dihubungkan oleh pin. Pada truss ini beban terletak di titik sambungan atau joint dimana batang hanya mampu menerima beban aksial ( batang 2 gaya).
2. Dudukan mesin
Dudukan mesin merupakan tempat yang utama dalam peletakan mesin pada suatu kendaraan dan juga harus disesuaikan dengan model kenderaan yang dibuat.
2.2 Jenis – Jenis Chassis
Chassis memilki beberapa jenis diantaranya:
1. Ladder frame
3. Monocoque
4. Backbone chassis
5. Aluminium space frame
2.2.1 Ladder Frame
Ladder Frame adalah dua batangan panjang yang menyokong kendaraan dan menyediakan dukungan yang kuat dari berat beban dan umumnya berdasarkan desain angkut. Bentuk bodi ini merupakan salah satu contoh yang bagus dari tipe
chassis. Dinamakan demikian karena kemiripannya dengan tangga, LadderFrame
adalah yang paling sederhana dan tertua dari semua desain. Ini terdiri hanya dari dua rel simetris, atau balok, dan crossmembers menghubungkan mereka.
Ladder frame merupakan chassis paling awal yang digunakan sekitar tahun 1960-an, namun sampai sekarang masih banyak kendaraan yang menggunakan
chassis jenis ini terutama kendaraan jenis SUV. Bahan material yang paling umum untuk jenis Ladderframe ini adalah material dengan bahan baja ringan [3].
Dua batang memanjang tersebut merupakan bagian yang utama untuk menahan beban longitudinal akibat percepatan dan pengereman. Kemudian batang yang melintang hanya menahan agar chassis tetap dalam keadaan rigid/kaku. Berikut adalah salah satu contoh Ladder Frame modern yang biasa digunakan pada mobil pickup dan SUV dapat dilihat pada gambar 2.1.
Dalam hal lain untuk chassis Ladder Frame ini ada juga penambahan komponen untuk lebih menguatkan chassis yaitu dengan cara penambahan penguatan palang X. Hal ini dimungkinkan untuk merancang kerangka untuk membawa beban torsi di mana tidak ada unsur frame dikenakan saat torsi. Palang X yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini terbuat dari dua balok lurus dan hanya akan memiliki beban lentur diterapkan pada balok.
Jenis frame ini memiliki kekakuan torsi yang baik terbagi di pusat rancangan frameladder. Perlu dicatat bahwa beban lentur maksimum terjadi pada bagian sambungannya oleh karena itu bagian sambungan (joint) menjadi kritis. Menggabungkan sifat dari penguatan palang X dengan ladder frame membantu dalam memperoleh kedua sifat baik beban lentur dan torsi. Dapat dilihat pada gambar 2.2 balok silang di bagian depan dan belakang tidak hanya membantu pada saat terjadi torsi tetapi juga membantu dalam membawa beban lateral dari suspensi titik pemasangan.
Gambar 2.2 LadderFrame dengan palang X 2.2.2 TubularSpaceFrame
kebanyakan aplikasinya di kompetisi balap Formula Sae untuk proyek mobil dan bahkan mobil balap kecil. Sebagai contoh pada gambar 2.3 di bawah ini.
Gambar 2.3 TubularSpaceFrame
Dalam struktur jenis ini sangat penting untuk memastikan semua bidang sepenuhnya triangulasi sehingga elemen balok dasarnya dimuat dalam ketegangan atau kompresi. Oleh karena sambungan las, beberapa hambatan lentur dan torsi akan terjadi pada sambungannya, dengan mengandalkan pembatasan tersebut akan membuat struktur jauh lebih kaku.
Tubular Space Frame memakai berbagai macam pipa circular (kadang – kadang dipakai bentuk squaretube agar mudah disambung, meskipun begitu bentuk circular memiliki kekuatan begitu besar).
Posisinya yang berbagai arah menghasilkan kekuatan mekanikal untuk melawan gaya dari berbagai arah. Pipa tersebut dilas sehingga terbentuk struktur yang kompleks.
2.2.3 Monocoque
Material yang digunakan adalah baja sedangkan pada chassis lain digunakan campuran material antara baja dengan aluminium sehingga bobotnya lebih ringan. Kelemahan lainnya adalah tidak mungkin untuk pembuatan mobil bersekala kecil karena membutuhkan proses produksi menggunakan robot. Sebagai contoh dapat dilihat pada gambar 2.4. Dimana chassis ini terlihat kesatuan struktur yang senyawa mulai dari bagian depan higga belakang dimana merupakan produk massal untuk kebutuhan tranportasi pada umumnya.
Gambar 2.4 Chassis Monocoque
2.2.4 Backbone
Ini adalah aplikasi langsung dari teori jenis rangka pipa. Ide awalnya adalah dengan membuat struktur depan dan belakangnya yang terhubung dengan sebuah rangka tube yang melintang disepanjang mobil. Tidak seperti transmisi tunel, chassis backbone ini hampir seluruhnya adalah struktur kaku dan dapat menahan semua beban. Ini terdapat beberapa lubang yang kontinu. Karena begitu sempit diindingnya umumnya dibuat tebal. Chassis Backbone memiliki kekakuan dari luas area bagian „backbone‟ itu sendiri. Ukuran luas penampangnya sekitar
[6]. Beberapa jenis chassis mengintegrasikan jenis chassis backbone ini ke struktur utama seperti mobil “Locost”. Bentuk rancang bangun chassis jenis tipe ini adalah tetap dengan mengandalkan backbone tetapi dengan menambahkan srtuktur tambahan untuk lebih mengkakukan backbone itu sendiri sepert balap mobil DP1.
tube kontinu. Semua jenis chassis ini digunakan dalam memproduksi sebuah mobil. Hampir semua motor penggerak belakang dan penggerak depan mengizinkan chassis backbone ini untuk cover dari transmisi dan ruang poros penggerak.
ChassisBackbone Space Frame Hybrid
Balapan DP1 menggunakan space Frame untuk membangun sebuah struktur chassisbackbone. Juga ada ruang mesin dan ruang cockpit. Secara umum ini tidak menyerupai struktural tetapi oleh karena penyatuan alami dari balapan DP1 dan kekakuan chassis backbone yang triangular. Berikut chassis backbone
yang ditunjukkan pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 ChassisBackbone
2.2.5 Aluminium Chassis Frame
Gambar2.6 AluminiumChassisFrame
Demikianlah beberapa jenis daripada chassis, oleh karena itu adapun tipe
chassis mobil Mesin USU yang akan di analisis dengan menggunakan adalah tipe
chassis Tubular Chassis Frame, karena terdapat bentuk batangan hollow sebagai rangkanya dan juga bentuk posisi yang menghasilkan kekuatan mekanikal untuk melawan gaya dari berbagai arah. Batangan hollow ini berbentuk tubesquare dilas sehingga terbentuk struktur yang kokoh.
2.3 Pembebanan pada Chassis Mobil Mesin USU
Gambar 2.7 Chassis mobil Mesin USU
Adapun pada gambar 2.8 merupakan gambar beban yang diterima oleh chassis
mesin USU.
Gambar 2.8 Gaya yang diterima chassis
2.4Tegangan
Sebelum membahas tentang tegangan, peninjauan beberapa prinsip penting dari statika dan menunjukkan bagaimana mereka digunakan untuk menentukan beban internal (gaya – gaya dalam).
Kesetimbangan Benda Tegar
1. External load (Gaya – Gaya Luar), yaitu gaya yang disebabkan oleh kontak langsung dari satu benda dengan permukaan benda yang lain. Dalam semua kasus ini kekuatan didistribusikan ke daerah kontak antara benda.
2. Reaksi Pendukung, gaya luar yang terjadi pada dukungan atau titik kontak antara 2 benda disebut reaksi. Untuk masalah dua dimensi yaitu, benda mengalami sistem kekuatan coplanar (gaya-gaya luar), dukungan yang paling sering ditemui ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Jenis –Jenis Reaksi Dukungan
Tipe Koneksi Reaksi Tipe Koneksi Reaksi
Sumber: Hibbler, R. C. 2011.Mechanics of Materials, Eighth Edition [8]. 3. Persamaan Kesetimbangan
𝐹𝑥 =
𝐹𝑦 =
𝑀𝑜 =
...(2-1)
4. Resultan Gaya – Gaya Dalam
Untuk mendapatkan beban internal yang bekerja pada daerah tertentu dalam tubuh, maka perlu untuk melogikakan gaya yang terjadi pada potongan melalui daerah di mana beban internal harus ditentukan. Metode sebagian (pemotongan) digunakan untuk menentukan beban resultan internal yang bekerja pada permukaan benda yang dipotong. Secara umum, resultant ini terdiri dari gaya normal, gaya geser, momen torsi, dan momen lentur.
5. Free-Body Diagram (Diagram Benda Bebas)
Gambar diagram benda bebas dari salah satu segmen yang telah dipotong (gaya dalam) akan menunjukkan resultant gaya normal N, gaya geser V, momen lentur M, dan momen torsi T . Resultant ini biasanya ditempatkan pada titik yang mewakili pusat geometris atau pusat massa bidang dipotong.
2.4.1 Transformasi Tegangan
Kondisi tegangan pada satu titik tertentu dapat diketahui dari orientasi sebuah unsur dari material tersebut. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.9.
Dalam hal lain juga didapat kondisi tegangan di sebuah elemen yang memiliki orientasi dengan sudut . Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.10.
Gambar 2.10 Kondisi tegangan pada bidang x‟-y‟
Transformasi tegangan pada komponen tegangan normal dan tegangan geser dari bidang x, y ke bidang x‟, y‟ dapat diketahui melalui diagram benda bebas elemen tersebut. Maka dalam hal ini segmen dipotong sepanjang bidang miring seperti ditunjukkan pada gambar 2.11.
Gambar 2.11 Bidang menerima tegangan (a) segmen yang dipotong; (b) potongan segmen
Dengan demikian didapat diagram benda bebas seperti ditunjukkan pada gambar 2.12.
Gambar 2.12 diagram benda bebas potongan segmen
Maka dengan menerapkan persamaan kesetimbangan akan didapat variabel dan sebagai berikut.
=
( ) ( ) ( )
( ) =
= ( )
= ( ) ( ) ( )
= ( )
= ( ) ( )
...(2-2)
=
( ) ( ) ( )
( ) =
= ( ) ( )
= ( )
...(2-3)
𝜎𝑥 = (𝜎𝑥 𝜎𝑦) (𝜎𝑥 𝜎𝑦)𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜏𝑥𝑦(𝑠𝑖𝑛 𝜃)
Dan apabila tegangan normal yang bekerja pada sumbu y‟ diperlukan, seperti pada gambar 2-13.
Gambar 2.13 Diagram benda bebas bidang x‟-y‟
maka dapat ditentukan dengan mensubstitusi = kedalam persamaan 2-7, maka:
...(2-4)
2.4.2 Tegangan utama (principal stress)
Untuk menentukan tegangan normal maksimum dan minimum yaitu dengan mendiferensialkan persamaan 2-2 terhadap sama dengan nol. Maka:
=
(( ) ( ) ( ))
=
( )
( ) =
( ) = ( )
=
( )
...(2-5)
𝜎𝑦 = (𝜎𝑥 𝜎𝑦) (𝜎𝑥 𝜎𝑦)𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝜏𝑥𝑦(𝑠𝑖𝑛 𝜃)
𝑡𝑎𝑛 𝜃 =(𝜎 𝜏𝑥𝑦
Maka didapat segitiga trigonometri seperti pada gambar 2.14.
Gambar 2.14 Segitiga trignometri tegangan utama Dengan mensubstitusikan nilai trigonometri ke persamaan 2-2, maka:
=( ) ( ) ( )
Untuk mendapatkan tegangan geser maksimum yaitu dengan mendiferensialkan persamaan 2-3 terhadap sama dengan nol. Maka:
...(2-7) Maka didapat segitiga trigonometri seperti pada gambar 2.15.
Gambar 2.15 Segitiga trignometri tegangan geser Dengan mensubstitusikan nilai trigonometri ke persamaan 2-3, maka:
...(2-8)
2.5 Regangan
2.5.1 Transformasi Regangan
Elemen yang mengalami suatu regangan pada suatu bidang x-y seperti ditunjukkan pada gambar 2.16.
Gambar 2.16 Regangan pada elemen (a) Regangan normal, ; (b) Regangan geser,
𝑡𝑎𝑛 𝜃 =
𝜎𝑥 𝜎𝑦
𝜏𝑥𝑦
𝜃
(𝜎𝑥 𝜎𝑦)
𝜏𝑥𝑦
√( (𝜎𝑥 𝜎𝑦)) 𝜏
𝑥𝑦
𝜏max𝑖𝑛𝑝𝑙𝑎𝑛𝑒= √( (𝜎𝑥 𝜎𝑦)) 𝜏𝑥𝑦
Persamaan transformasi regangan pada regangan normal pada arah adalah: ...(2-9)
Untuk regangan geser yang berorientasi pada sudut adalah:
...(2-10) 2.5.2 Regangan Utama
Seperti halnya sama dengan pencarian tegangan utama dalam menentukan regangan normal maksimum dan minimum yaitu dengan mendiferensialkan persamaan 2-9 terhadap sama dengan nol. Maka:
(( ) ( ) ( ))
Maka didapat segitiga trigonometri seperti pada gambar 2.17.
Gambar 2.17 Segitiga trignometri regangan utama Dengan mensubstitusikan nilai trigonometri ke persamaan 2-9, maka:
2.5.3 Regangan Geser Maksimum
Untuk mendapatkan regangan geser maksimum pada arah yaitu dengan mendiferensialkan persamaan 2-10 terhadap sama dengan nol. Maka:
...(2-13)
Ragangan geser maksimum didapat:
...(2-14)
2.6 Hukum Hooke
Diagram tegangan-regangan di kebanyakan material engineering memperlihatkan hubungan yang linear antara tegangan dan regangan di wilayah elastis. Dengan demikian peningkatan tegangan menyebabkan kesebandingan peningkatan regangan. Fakta inilah yang ditemukan oleh Robert Hooke 1676 dalam penerapan pegas dan dikenal dengan hukum Hooke.
...(2-15)
Dimana : = Tegangan (N/m2)
E = Modulus elastisitas atau modulus young (N/m2) = Regangan yang terjadi (m/m)
2.7 Momen Inersia
Momen inersia suatu luasan adalah perkalian antara luasan dengan jarak kuadrat dari titik berat luasan terhadap garis. Adapun penampang daripada rangka utama chassis ini adalah berbentuk hollow segi empat, dan untuk rollbarnya berbentuk hollow lingkaran.
𝜎=𝐸𝜖
𝛾max𝑖𝑛𝑝𝑙𝑎𝑛𝑒
=√((𝜖𝑥 𝜖𝑦)) (𝛾 )𝑥𝑦
2.7.1 Momen Inersia Penampang Hollow Segiempat
Untuk luas penampang dari rangka utama yang merupakan besi hollow
persegi dapat dilihat pada gambar 2.18.
Gambar 2.18 Penampang rangka utama
Dengan adanya dimensi dari penampang rangka utama maka dapat dicari momen inersia luas penampang rangka utama. Untuk luas penampang persegi panjang rumus inersia luas penampangnya adalah:
...(2-16) Maka dari persamaan 2-16, dapat dicari momen inersia luas penampang rangka utama:
...(2-17) 2.7.2 Momen Inersia Penampang Hollow Lingkaran
Untuk luas penampang dari rollbar yang merupakan besi hollow lingkaran dapat dilihat pada gambar 2.19.
Dengan adanya dimensi dari penampang rollbar maka dapat dicari momen inersia luas penampang rollbar. Untuk luas penampang lingkaran rumus inersia luas penampangnya adalah:
...(2-18)
Maka dari persamaan 2-23, dapat dicari momen inersia luas penampang rollbar :
...(2-19) 2.8 Defleksi
Ketika suatu batang dibebani dengan gaya atau momen, defleksi terjadi pada batang. Sebelum mencari defleksi pada batanng perlu diketahui tegangan normal dan tegangan geser. Untuk menentukan besarnya tegangan-tegangan ini pada suatu bagian atau titik tersebut dan menentukan besarnya resultan pada tumpuan dapat menggunakan persamaan-persamaan kesetimbangan.
Gambar 2.20 merupakan contoh analisis 1 dimensi arah x untuk menentukan gaya, momen, dan defleksi pada batang yang ditumpu yang mengalami beban merata.
Gambar 2.20 Batang yang ditumpu dan diberi beban merata Maka dari gambar 2.20 di atas didapat:
1. Diagram benda bebas kesetimbangan gaya - gaya luar dan momen dapat dilihat pada gambar 2.21.
𝐼= 𝜋𝑟44
Gambar 2.21 Diagram benda bebas gaya luar
Maka dari gambar 2.21 di atas didapat gaya – gaya yang bekerja sebagai berikut:
∑ =
( ) ( ) =
= ( )
=
∑
=
∑ =
=
=
=
𝐵𝑦
𝐴𝑦
𝐴𝑦
L
𝑤𝑝= 𝑤𝐿
𝑣𝑚𝑎𝑥
𝜃𝑚𝑎𝑥
𝐴
2. Diagram benda bebas gaya – gaya dalam di sepanjang dapat dilihat pada gambar 2.22.
Gambar 2.22 Diagram benda bebas gaya – gaya dalam Maka dari gambar 2.22 di atas didapat:
∑
=
=
∑ =
=
=
= ( )
∑ =
( ) ( ) =
= ( ) ( )
= ( ) 𝐴𝑦
𝑀𝑥
𝑁𝑥
𝑥
𝑉𝑥
𝐴𝑥
Untuk kondisi batas dengan = , maka gaya geser = ( ) bernilai nol dan didapat momen maksimum:
= ( )
= ( ) ( ( ))
...(2-20) Gambar 2.23 adalah diagram momen dan gaya geser yang terjadi pada batang yang diberi beban merata [9].
Gambar 2.23 Diagram momen dan gaya geser
Untuk kebanyakan batang yang mengalami defleksi maka persamaan untuk mencari kurva kemiringan adalah :
=
=4 3
= 3
4 4
Nilai variabel dan dapat diketahui dengan kondisi batas = pada =
= 4 3
=48 3
3
= 4 3
Maka didapat persamaan kemiringan kurva
=4 3 4 3
...(2-21)
Nilai variabel dan dapat diketahui dengan kondisi batas = pada =
= 3
4 4
= 3
4 4 4 3 =
Maka didapat persamaan defleksi kurva
= 3
4 4 4 3
...(2-22)
𝜃 =𝐸𝐼(4𝑤𝐿𝑥 𝑤𝑥3
4𝑤𝐿3)
𝑣 =𝐸𝐼( 𝑤𝐿𝑥3
Maka untuk rangka utama yang menerima beban seperti ditunjukkan pada gambar 2.24.
Gambar 2.24 Pembebanan pada rangka utama
Dimana mengalami pembebanan merata dengan reaksi pendukung fixed support A dan B pada gambar 2.25. Maka untuk analisisnya adalah
Gambar 2.25Pembebanan merata batang
1. Diagram benda bebas kesetimbangan gaya - gaya luar dan momen dapat dilihat pada gambar 2.26.
Gambar 2.26 Diagram benda bebas kesetimbangan gaya - gaya luar
A
B
𝑣𝑚𝑎𝑥
L
𝐴𝑦
𝐴𝑥
𝐵𝑦
𝑤𝑝 = 𝑤𝐿
𝐵𝑥
𝑀𝐵=𝑀
𝑀𝐴=𝑀
𝑣𝑚𝑎𝑥
Dengan pembebanan dan bentuk yang simetris pada batang maka =
Gambar 2.27 Diagram benda bebas gaya – gaya dalam
Maka dari gambar 2.27 di atas didapat:
Batang mengalami deflekdi maka untuk mencari kurva kemiringan adalah:
Nilai variabel M, , dan dapat diketahui dengan kondisi batas:
Maka didapatkan persamaan kurva kemiringan:
2.9 Perangkat Lunak Analisis Elemen Hingga
Elemen hingga adalah idealisasi matematika terhadap suatu sistem dengan membagi objek menjadi elemen-elemen diskrit yang kecil dengan bentuk yang simpel. Metode elemen hingga adalah teknik yang sangat dominan pada structural mechanics. Ada banyak perangkat lunak analisis elemen hingga yang digunakan di industri saat ini dari beraneka disiplin ilmu teknik termasuk mechanical engineering. Dan solusi yang tepat untuk masalah-masalah itu adalah “CAD/ CAE”. CAD (Computer Aided Design) atau Merancang Berbantuan Komputer adalah proses perancangan model yang cepat dan akurat, sedangkan CAE (Computer Aided Engineering) atau Rancang-Bangun Berbantuan Komputer adalah proses analisis dan simulasi tegangan yang mudah dan efektif.
2.9.1 Ansys
ANSYS adalah suatu perangkat lunak komputer umum yang mampu menyelesaikan persoalan-persoalan elemen hingga dari pemodelan hingga analisis. Ansys ini digunakan untuk mensimulasikan semua disiplin ilmu fisika baik statis maupun dinamis, analisis struktural (kedua-duanya linier dan nonliner), perpindahan panas, dinamika fluida, dan elektromagnetik untuk para engineer [10].
ANSYS dapat mengimpor data CAD dan juga memungkinkan untuk membangun geometri dengan kemampuan yang "preprocessing". Demikian pula dalam preprocessor yang sama, elemen hingga model (jaring alias) yang diperlukan untuk perhitungan dihasilkan. Setelah mendefinisikan beban dan melakukan analisis, hasil dapat dilihat sebagai numerik dan grafis.
2.9.2 Cara Kerja Ansys
adanya module goemetry berupa chassis mobil Mesin USU yang telah diimpor dari file solidwork di Ansys workbench, maka chassis ini akan dideskritisasi untuk mendapatkan bagian – bagian mesh yang lebih kecil yang dihubungkan oleh node.
Gambar 2.28 Material yang disusun dengan node
Hasil yang diperoleh dari ANSYS ini berupa pendekatan dengan menggunakan analisa numerik. Ketelitiannya sangat bergantung pada cara memecah model tersebut dan menggabungkannya.
Secara umum, suatu solusi elemen hingga dapat dipecahkan dengan mengikuti 3 tahap ini. Ini merupakan panduan umum yang dapat digunakan untuk menghitung analisis elemen hingga.
Ada 3 langkah utama dalam analisis Ansys yaitu: 1. Model generation:
a. Penyederhanaan, idealisasi. b. Menentukan bahan/sifat material. c. Menghasilkan model elemen hingga.
2. Solusi:
a. Tentukan kondisi batas.
b. Menjalankan analisisnya untuk mendapatkan solusi.
3.Hasil ulasan:
