DESAIN DAN ANALISIS VELG MOBIL BERBASIS ALUMINIUM ALLOY SKRIPSI

(1)

DESAIN DAN ANALISIS VELG MOBIL BERBASIS

ALUMINIUM ALLOY

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

HARRI RUSADI DALIMUNTHE NIM. 090401045

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

(2)

DESAIN DAN ANALISIS VELG MOBIL BERBASIS ALUMINIUM ALLOY

Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke-677 Tanggal 30 Januari 2014

Disetujui oleh:

Pembimbing

Prof.Dr.Ir.Bustami Syam, MSME NIP. 19570011985031005

(3)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 2119/ TS / 2013 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL : 15 Juli 2013

MEDAN PARAF :

TUGAS SARJANA

NAMA : Harri Rusadi Dalimunthe

NIM : 090401045

MATA PELAJARAN : Teknologi Pembentukan

SPESIFIKASI : Lakukan Re-desain dan analisa struktur pada velg mobil bekas aluminium alloy. Lakukan pengujian secara mekanik untuk mendapatkan hasil agar dapat melakukan simulasi komputer secara numerik. Berikan rekomendasi hasil Re-desain velg mobil berbasis aluminium alloy dari hasil analisis.

DIBERIKAN TANGGAL : 15 Juli 2013 SELESAI TANGGAL :

MEDAN, 15 Juli 2013 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,

Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME NIP. 196412241992111001 NIP. 195710011985031005

(4)

DESAIN DAN ANALISA STRUKTUR VELG MOBIL BEKAS BERBASIS LOGAM ALUMINIUM ALLOY

Diketahui / Disahkan Disetujui

Ketua Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik – USU

Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME NIP. 19641224199211101 NIP. 195710011985031005

(5)

(6)

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan semesta alam. Tiada daya dan kekuatan selain dari-Nya. Shalawat dan salam kepada Rasulullah Muhammad SAW. Alhamdulillah, atas izin-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi yang dipilih diambil dari mata kuliah Teknologi Pembentukan, yaitu “DESAIN DAN ANALISIS VELG MOBIL BERBASIS ALUMINIUM ALLOY”.

Dalam penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bantuan, motivasi, pengetahuan, dan lain-lain dalam penyelesaian skripsi ini. Penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur, serta bimbingan dan arahan dari Bapak Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME sebagai Dosen Pembimbing.

Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Kedua orang tua tercinta, Ayahanda Dr. Rusdan Dalimunthe, Msc dan Ibunda Diana Siregar, Ssi, Apt, adik-adik tersayang (Rivai Dalimunthe dan Rinaldo Dalimunthe) atas doa, kasih sayang, pengorbanan, tanggung jawab yang selalu menyertai penulis, dan memberikan penulis semangat yang luar biasa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Prof.Dr.Ir.Bustami Syam, MSME sebagai Dosen Pembimbing Skripsi yang banyak memberi arahan, bimbingan, motivasi, nasehat, dan pelajaran yang sangat berharga selama proses penyelesaian Skripsi ini.

3. Bapak Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri dan Ir.Syahril Gultom, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU. Bapak Ir.Tugiman, MT selaku Koordinator Skripsi.

4. Seluruh Staf Pengajar DTM FT USU yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi selesai, dan seluruh pegawai administrasi DTM FT USU, juga kepada staf Fakultas Teknik.

(7)

5. Teman satu tim (Guruh Andryan Syahputra) yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini.

6. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin stambuk 2009, khususnya (Ramadhan Daulay, Tri Septian Marsah dan Indro Pramono) yang banyak memberi motivasi kepada penulis dalam menyusun skripsi ini.

7. Abang, adik-adik dan keluarga besar penulis yang banyak memberi dukungan kepada penulis untuk menyelesaikan kuliah dan hingga tugas skripsi ini selesai.

Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan sebagai pengembangan ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila terdapat kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang tidak tepat dalam skripsi ini sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi seluruh kalangan yang membacanya. Amin Ya Rabbal Alamin.

Medan, Oktober 2013 Penulis,

NIM : 090401045 Harri Rusadi Dalimunthe

(8)

ABSTRAK

Velg pada mobil adalah kerangka dari sebuah roda yang menahan gaya dan tegangan akibat dari berat kendaraan dan impak atau pukulan dari permukaan jalan. Pukulan dari permukaan jalan tersebut dapat mengakibatkan terjadinya tegangan dan deformasi pada velg. Velg paduan aluminium mempunyai daerah yang dinamakan area kritis terletak di daerah hub, spoke, dan flange. Salah satu kekuatan velg dalam menerima tegangan dipengaruhi oleh jumlah spoke. Untuk mengatasi permasalahan tersebut dibutuhkan suatu analisis jumlah spoke pada velg mobil. Penelitian ini melakukan analisis pengaruh jumlah spoke 10, 12, 14 dan jumlah spoke 10, 12, 14 disertai penambahan ketebalan pada daerah flange sebesar 3 mm pada velg mobil. Velg dimodel dengan menggunakan AutoCAD dan disimulasi menggunakan software ANSYS 14.0 Workbench yang berbasis

Finite Element Method (FEM) untuk dibandingkan dengan velg standar dan

mencari desain yang paling baik. Pada penelitian ini, berhasil ditemukan bahwa velg mobil dengan jumlah spoke 10 disertai penambahan ketebalan pada daerah

flange sebesar 3 mm adalah desain yang paling baik dan optimal dibandingkan

dengan desain lainnya. Tegangan maksimum yang terjadi sebesar 52,148 MPa dan deformasi maksimum yang terjadi sebesar 0,5393 mm.

(9)

ABSTRACT

Wheels on the car is the frame of a wheel that holds the style and stress as a result of the weight of the vehicle and the impact or blows from the road surface. The blow from the road surface can result in voltage and deformation on wheels. Aluminum alloy wheels have a region called the critical area is located in the hub, spoke, and flange. One of the strengths wheels in receiving stress is affected by the number of spokes. To overcome these problems required an analysis of the number of spokes in the wheels of the car. This study was to analyze the influence of the number of spokes 10, 12, 14 and the number of spokes 10, 12, 14 with the addition of the thickness of the flange area of 3 mm on a car wheel. Wheels modeled using AutoCAD and simulated using ANSYS 14.0 Workbench software based on Finite Element Method ( FEM ) for comparison with the standard wheels and look for the best design. In this study, results found that the number of spoke alloy wheels 10 with the addition of the area of the flange thickness of 3 mm is the most excellent design and optimal compared with other designs. The maximum stress that occurs at 52.148 MPa and maximum deformation occurs at 0.5393 mm .

(10)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i ABSTRAK ... iii ABSTRACT ... iv DAFTAR ISI ... v DAFTAR GAMBAR ... ix DAFTAR TABEL ... xi

DAFTAR NOTASI ... xii

BAB 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 2 1.3 Tujuan Penelitian ... 2 1.4 Batasan Masalah ... 3 1.5 Manfaat Penelitian ... 3 1.6 Sistematika Penulisan ... 4

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Aluminium... 5

2.2 Proses Pembuatan Aluminium ... 6

2.3 Mikrostruktur Aluminium ... 7

2.4 Sifat-Sifat Aluminium ... 8

2.4.1 Sifat Fisik Aluminium ... 9

2.4.2 Sifat Mekanik Aluminium ... 9

2.4.2.1 Kekuatan Tarik ... 9

2.4.2.2 Kekerasan ... 10

2.4.2.3 Ductility (Liat) ... 10

2.4.2.4 Modulus Elastisitas ... 11

2.4.2.5 Recyclability (kemampuan untuk di daur ulang) ... 11

2.4.2.6 Reflectivity (kemampuan untuk pemantulan) ... 11

2.5 Aplikasi Aluminium Pada Velg Mobil ... 11

2.6 Spesifikasi Velg Mobil ... 12

(11)

2.6.2 Offset ... 13

2.6.3 Centre Bore ... 14

2.6.4 Rim Marking ... 14

2.7 Velg Baja dan Velg Aluminium ... 15

2.7.1 Kualitas Velg Aluminium ... 16

2.7.2 Kategori Velg Aluminium ... 16

2.8 Paduan Aluminium ... 18

2.8.1 Pengaruh Unsur-Unsur Pemadu Pada Paduan Aluminium ... 21

2.8.2 Macam-Macam Paduan Aluminium ... 23

2.8.2.1 Paduan Al-Si ... 23

2.8.2.2 Paduan Al-Cu dan Al-Cu-Mg ... 26

2.8.2.3 Paduan Al-Mn... 26

2.8.2.4 Paduan Al-Mg... 26

2.8.2.5 Paduan Al-Mg-Si ... 26

2.8.2.6 Paduan Al-Mn-Zn ... 27

2.9 Proses Pembuatan Velg ... 27

2.9.1 Tipe One-piece Cast Wheels ... 27

2.9.1.1 Gravity Casting... 27

2.9.1.2 Low Pressure Casting ... 28

2.9.1.3 Spun-Rim, Flow- Forming atau Rim Rolling Technology ... 29

2.9.1.4 Forging ... 29

2.9.2 Tipe Multi-Piece Wheels ... 30

2.10 Tegangan ... 31

2.11 Regangan ... 32

2.12 Simulasi Numerik ... 32

2.12.1 ANSYS ... 33

2.12.2 Cara kerja ANSYS ... 33

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ... 35

3.1 Waktu dan Tempat ... 35

3.2 Bahan, Peralatan, dan Metode ... 35

3.2.1 Persiapan Bahan ... 35

(12)

3.2.3 Metode ... 36

3.2.3.1 Pembuatan gambar velg standar menggunakan AutoCAD ... 36

3.2.3.2 Pembuatan gambar velg modifikasi menggunakan AutoCAD ... 36

3.2.3.3 Material Yang Dipilih Untuk Velg………….………37

3.3 Analisa Simulasi Numerik ... 37

3.3.1 Tampilan Pembuka Ansys 14.0 ... 38

3.3.2 Mendefinisikan Sistem Analisa ... 38

3.3.3 Mendefinisikan Material Properties ... 39

3.3.4 Tampilan Gambar Velg ... 40

3.3.5 Proses Meshing ... 41

3.3.6 Proses Static Structural ... 41

3.3.7 Proses Solution ... 43

3.3.8 Modifikasi Velg ... 43

3.4 Diagram Alir Penelitian ... 48

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 49

4.1 Simulasi Komputer Untuk Velg Standar ... 49

4.1.1 Simulasi Hasil Total Deformation ... 49

4.1.2 Simulasi Hasil Equivalent Stress ... 50

4.2 Simulasi Komputer Untuk Velg Modifikasi Dengan Spoke 10 ... 51

4.5 Simulasi Komputer Untuk Velg Modifikasi Dengan Spoke 10 Serta Penambahan Tebal Daerah Flange ... 57

(13)

4.6 Simulasi Komputer Untuk Velg Modifikasi Dengan Spoke 12 Serta

Penambahan Tebal Daerah Flange ... 59

4.7 Simulasi Komputer Untuk Velg Modifikasi Dengan Spoke 14 Serta Penambahan Tebal Daerah Flange ... 61

4.8 Tabulasi dan Grafik Hasil Simulasi ... 63

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 67

5.1 Kesimpulan ... 67

5.2 Saran ... 68

(14)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Proses Bayer ... 6

Gambar 2.2 Struktur mikro dari aluminium murni ... 7

Gambar 2.3 Struktur mikro dari paduan aluminium-silikon ... 8

Gambar 2.4 Konstruksi velg mobil ... 12

Gambar 2.5 PCD velg mobil ... 13

Gambar 2.6 Offset velg mobil ... 14

Gambar 2.7 Ukuran velg mobil ... 15

Gambar 2.8 (a) Velg baja (b) Velg aluminium ... 15

Gambar 2.9 Diagram fasa Al-Si ... 24

Gambar 2.10 Struktur mikro paduan hypoeutectic, eutectic, dan hypereutectic ... 25

Gambar 2.11 Velg mobil tipe one-piece cast wheels ... 28

Gambar 2.12 Velg BBS RC ... 29

Gambar 2.13 Proses pembuatan velg sistem forging ... 30

Gambar 2.14 Velg mobil tipe multi-piece wheels ... 31

Gambar 2.15 Material yang disusun dengan node ... 33

Gambar 3.1 Velg mobil Toyota Corolla Altis jenis paduan aluminium A413.0 ... 35

Gambar 3.2 Ukuran velg standar ... 36

Gambar 3.3 Tampilan awal Ansys 14.0 workbench ... 38

Gambar 3.4 Tampilan sistem analisa ... 38

Gambar 3.5 Tampilan Engineering data ... 39

Gambar 3.6 Tampilan material properties... 40

Gambar 3.7 Tampilan pembuatan velg dari AutoCAD 3D... 40

Gambar 3.8 Tampilan gambar velg hasil meshing ... 41

Gambar 3.9 Tampilan gambar velg hasil fixed support ... 42

Gambar 3.10 Tampilan velg yang dikenai beban... 42

Gambar 3.11 Tampilan proses solution ... 43

Gambar 3.12 Tampilan gambar velg dengan spoke 10 ... 44

Gambar 3.13 Tampilan gambar velg dengan spoke 12 ... 44

(15)

Gambar 3.15 Tampilan gambar velg dengan spoke 10 serta penambahan ketebalan

pada daerah flange 3 mm ... 45

Gambar 3.16 Tampilan gambar velg dengan spoke 12 serta penambahan ketebalan pada daerah flange 3 mm ... 46

Gambar 3.17 Tampilan gambar velg dengan spoke 14 serta penambahan ketebalan pada daerah flange 3 mm ... 47

Gambar 3.18 Diagram Alir Penelitian ... 48

Gambar 4.1 Distribusi Total Deformation velg standar ... 49

Gambar 4.2 Distribusi Equivalent Stress velg standar ... 50

Gambar 4.3 Distribusi Total Deformation velg modifikasi dengan spoke 10... 51

Gambar 4.4 Distribusi Equivalent Stress velg modifikasi dengan spoke 10... 52

Gambar 4.9 Distribusi Total Deformation velg modifikasi spoke 10 dengan penambahan tebal daerah flange 3 mm ... 57

Gambar 4.10 Distribusi Equivalent Stress velg modifikasi spoke 10 dengan penambahan tebal daerah flange 3 mm ... 58

Gambar 4.15 Grafik tegangan maksimum vs jumlah spoke untuk velg tanpa penambahan ketebalan daerah flange... 64

Gambar 4.16 Grafik tegangan maksimum vs jumlah spoke untuk velg dengan penambahan ketebalan daerah flange 3 mm ... 64

(16)

Gambar 4.17 Grafik deformasi maksimum vs jumlah spoke untuk velg tanpa

penambahan ketebalan daerah flange... 65 Gambar 4.18 Grafik deformasi maksimum vs jumlah spoke untuk velg dengan penambahan ketebalan daerah flange 3 mm ... 65

(17)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Sifat fisik Aluminium... 9

Tabel 2.2 Daftar seri paduan aluminium tempa ... 20

Tabel 2.3 Daftar seri paduan aluminium tuang ... 21

Tabel 2.4 Kandungan Si berpengaruh terhadap temperatur titik beku paduan aluminium ... 25

Tabel 3.1 Karakteristik material velg paduan aluminium A413.0 ... 37

Tabel 4.1 Velg dengan tanpa penambahan ketebalan pada daerah flange ... 63

(18)

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

σ Tegangan MPa A Luas penampang mm2 F Gaya Newton ε Regangan ΔL Perpanjangan mm L0 Panjang mula-mula mm ρ Densitas g/cm3

σy Tegangan mulur MPa

σu Tegangan tarik MPa

σf Tegangan patah MPa

E Modulus Young Gpa