33
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengantar bab ini adalah deskripsi singkat isi dari bab 4 hasil dan pembahasan pada tugas akhir. Bab 4 hasil dan pembahasan memiliki isi yang meliputi penjelasan dari hasil dan pembahasan penelitian tugas akhir.
4.1 Perancangan Chassis Dengan Aturan SEM 4.1.1 Regulasi Dasar Kendaraan SEM
Kendaraan harus memenuhi SEM 2021 Rules chapter 1 pada kategori prototype harus memiliki minimal roda 3 atau pun 4 roda. Kendaraan SEM harus memiliki tinggi maksimal 1000 mm dan track width minimal 500 mm dengan rasio tinggi kendaraan dibagi dengan lebar lintasan harus ≤ 1,25. Wheelbase kendaraan harus memiliki ukuran 1000 mm dengan lebar dan panjang maksimum kendaraan 1300 mm dan 3500 mm sesuai dengan regulasi SEM 2021 chapter 1 3A - General Article 26 dan 3B – Prototype Class Article 39 (Shell Eco Marathon, 2021).
Chassis prototype mobil Enggang ITK dirancang dengan ukuran track width 800 mm, wheelbase 1800 mm, dan tinggi kendaraan 797 mm. Ukuran dimensi track width, dan wheelbase pada kendaraan prototype ditunjukkan pada Gambar 4.1 dan tinggi kendaraan pada Gambar 4.2 dalam bentuk permodelan CAD.
Gambar 4.1 Dimensi Track Width dan Wheelbase Permodelan CAD
34 Gambar 4.2 Dimensi Tinggi kendaraan Hasil Permodelan CAD
4.1.2 Struktur Chassis dan Ruang Kemudi
Ruang pengendara harus disesuaikan dengan SEM 2021 Rules chapter 1 dengan tujuan keselamatan dari pengendara dari kecelakaan pada saat kendaraan melaju. Pada perancangan chassis kendaraan prototype harus memiliki minimum zona crumple 100 mm. Chassis kendaraan harus dilengkapi dengan roll bar yang efektif dengan ukuran jarak dari helm dengan roll bar 50 mm pada saat pengendara duduk pada posisi duduk normal dan sabuk pengaman terpasang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3 (Shell Eco Marathon, 2021).
Gambar 4.3 Dimensi Ruang Pengendara dan Zona Crumple
35
4.2 Perkiraan Beban Kendaraan
Dalam perancangan kendaraan harus bisa memperkirakan beban dari seluruh yang ada pada kendaraan. Maka dilakukan pengambilan data berat dari masing- masing komponen pada kendaraan. Data tersebut diperoleh dari tim mobil yang mengikuti kompetisi Shell Eco Marathon pada tahun-tahun sebelumnya. Berat pengendara diambil dari berat pengendara mobil listrik Enggang EVO yang telah mengikuti kontes mobil hemat energi (KMHE) 2020. Perkiraan beban yang menopang pada rangka kendaraan listrik SEM-ITK tercantum pada Tabel 4.1 berikut.
Tabel 4.1 Jumlah Pembentukan Pada Chassis
No Komponen Massa (kg) Keterangan
1 Chassis ASTM A36 Aluminum 6061 T6
16,69 5,72
Permodelan CAD dengan massa jenis AISI 4130 = ASTM A36
2 Pengendara 60 Pengendara Mobil Enggang Evo
3 Sistem Kemudi 5 Rack Steering – Set 43 cm ATV-Buggy Mini
4 Motor 4,5 BLDC – 108 48V/1500W
5 Controller 1,5 BLDC Motor Controller (BAC – 0501) 48V/2000W
6 Baterai 9,12 A123 LiFePO4 (15S 8P), 120 Pcs
7 Transmisi 3 Chain And Sprocket SSS 425HD-140L
Total Massa Kendaraan 99,81
Beban total pada kendaraan dari seluruh komponen didapatkan massa 99,81 kg pada chassis yang menggunakan material ASTM A36 dan AISI 4130, sedangkan pada material Aluminum 6061 T6 didapatkan massa 88,84 kg. Setelah itu beban simulasi ditambah agar berat selain komponen pada Tabel 4.2 dapat diperkirakan.
Komponen yang diperkirakan adalah pedal gas, rem tangan, dan master silinder rem, sehingga total beban dibulatkan menjadi 115 kg pada ketiga jenis material.
Untuk spesifikasi lebih detail setiap komponen terdapat pada Lampiran E.
36
4.3 Meshing
Meshing memiliki peran penting dalam simulasi untuk mendapatkan hasil simulasi yang diinginkan. Meshing dilakukan dengan perhitungan komputasi pada setiap software CAE dengan metode yang digunakan adalah metode elemen hingga (finite element method) atau finite element analysis. Hasil meshing dipengaruhi oleh banyaknya node dan elemen saat Meshing, maka ukuran dari elemen yang semakin kecil akan didapatkan tingkat kehalusan meshing yang terbaik. Maka diperlukan validasi meshing yang tepat dan sesuai agar mendapatkan hasil yang diinginkan.
Pada perancangan chassis prototype SEM dilakukan dengan mengatur ukuran elemen sebesar 8,5 mm. Sebelum melakukan penentuan ukuran elemen dilakukan validasi ukuran meshing dengan cara melakukan 10 kali pengulangan dengan ukuran elemen yang berbeda-beda. Hasil Meshing pada perancangan chassis prototype SEM ditunjukkan pada Gambar 4.4 dengan menggunakan standard mesh jacobian point yaitu 4 titik dan type meshing beam mesh. Hasil meshing didapatkan nilai total nodes 1519 dengan jumlah elements 1446.
Gambar 4.4 Hasil Meshing Pada Chassis Prototype SEM
4.4 Hasil Simulasi Finite Element Pada Chassis Dengan Beban Vertikal Dan Torsional
4.4.1 Beban Vertikal
Pengujian beban vertikal pada chassis bertujuan untuk mengetahui kekuatan chassis dalam menahan beban dari beberapa komponen di atasnya atau yang
37 ditopang oleh chassis. Dengan nilai massa komponen dikalikan dengan nilai percepatan gravitasi 9,81 m/s2. Maka didapatkan nilai beban atau gaya pada setiap batang yang disesuaikan dengan penempatan komponen pada chassis. Dalam meletakkan tumpuan tipe fixed displacement ditempatkan pada tumpuan arm bagian depan dan belakang yang digunakan sebagai penopang dari roda yang ditunjukkan dengan warna hijau, sedangkan beban-beban yang diberikan ditunjukkan dengan warna merah seperti pada Gambar 4.5.
Gambar 4.5 Posisi Beban dan Tumpuan Fixed Displacement Beban Vertikal Dalam simulasi pengujian beban vertikal akan didapatkan nilai tegangan, defleksi, dan faktor keamanan. Hasil simulasi beban vertikal dengan nilai tegangan, defleksi, faktor keamanan ditunjukkan secara berturut-turut pada Gambar 4.6, Gambar 4.7, dan Gambar 4.8 dengan menunjukkan salah satu material Aluminum Alloy 6061-T6.
Gambar 4.6 Hasil Pengujian Simulasi Beban Vertikal Berupa Tegangan Pada Chassis
1
38 Gambar 4.7 Hasil Pengujian Simulasi Beban Vertikal Berupa Defleksi Pada
Chassis
Gambar 4.8 Hasil Pengujian Simulasi Beban Vertikal Berupa Faktor Keamanan Pada Chassis
Hasil simulasi beban vertikal menggunakan variasi material yang digunakan yaitu ASTM A36, AISI 4130, dan Aluminum Alloy 6061-T6 ditunjukkan pada Tabel 4.2 dari setiap variasi material dengan mendapatkan nilai tegangan, defleksi, dan faktor keamanan pada chassis.
2
39 Tabel 4.2 Hasil Pengujian Simulasi Beban Vertikal
Material Hasil Simulasi
Tegangan (N/mm2) Defleksi (mm) Faktor Keamanan
ASTM A36 50,92 1,26 4,90
AISI 4130 50,91 1,23 9,03
Aluminum Alloy
6061-T6 50,89 3,66 5,40
Hasil pengujian simulasi beban vertikal yang ditunjukkan pada Gambar 4.6 adalah hasil simulasi tegangan. Pada Gambar 4.6 ditunjukkan warna merah merupakan tanda bahwa tegangan terbesar terletak di daerah titik 1 pada bagian depan sebelum arm dan knuckle atau penopang dari roda. Tegangan kerja maksimal akibat dari pembebanan vertikal yaitu sebesar 50,92 N/mm2 pada material ASTM A36. Tegangan maksimum terjadi pada daerah titik 1 disebabkan oleh penumpukan tegangan akibat dari reaksi pemberian beban terhadap struktur dengan tumpuan fixed dan beban terpusat pada titik tersebut. Hasil pengujian simulasi beban vertikal didapatkan nilai tegangan yang terdapat pada Tabel 4.2 membuktikan bahwa perbedaan jenis material chassis tidak mempengaruhi secara signifikan terhadap beban vertikal dikarenakan ketebalan pipa hollow pada ketiga material chassis sama. Nilai tegangan maksimum pada hasil simulasi masih di bawah nilai tegangan luluh (yield stress) pada setiap material sehingga, perancangan chassis tidak terjadi kegagalan. Namun nilai tegangan maksimum yang dapat ditahan ketiga jenis material chassis berbeda-beda, sehingga dapat perbedaan dari nilai faktor keamanan.
Berdasarkan hasil pengujian simulasi pada Gambar 4.7 nilai defleksi maksimal dapat lihat dengan warna merah dan warna biru adalah daerah dengan nilai defleksi terkecil. Nilai defleksi terbesar pada daerah tersebut ditunjukkan pada titik 2 dikarenakan pada daerah tersebut searah vertikal dengan beban paling besar yang diberikan pada saat pembebanan vertikal. Nilai defleksi maksimum akibat dari pembebanan vertikal sebesar 3,66 mm seperti pada Tabel 4.2 masih tergolong kecil.
Defleksi dipengaruhi oleh nilai modulus elastisitas dari setiap material sehingga hasil simulasi pada defleksi sangat terpengaruh.
40 Hasil pengujian simulasi beban vertikal didapatkan nilai faktor keamanan yang ditunjukkan pada Gambar 4.8. Faktor keamanan terbesar dapat dilihat dari warna degradasi dari warna biru, hijau, kuning, orange dan merah. Warna merah menunjukkan bahwa daerah tersebut mempunyai nilai faktor keamanan yang paling kecil. Sedangkan warna biru tua adalah daerah yang memiliki nilai yang paling tinggi. Dari hasil simulasi nilai faktor keamanan sangat aman dikarenakan nilai faktor keamanan masih di atas nilai minimum faktor keamanan yaitu 1,25 sedangkan nilai dari hasil simulasi terkecil adalah 4,90 pada material ASTM A36.
Maka selisih dari setiap material adalah ASTM A36 dengan AISI 4130 adalah 4,13, sedangkan ASTM A36 dengan Aluminum Alloy 6061-T6 selisih 0,5. Pada setiap material dapat digunakan pada perancangan chassis mobil Enggang SEM ITK karena di batas nilai minimal faktor keamanan suatu perancangan. Namun perlu dilakukan redesign untuk penelitian selanjutnya karena pada penggunaan material AISI 4130 didapatkan hasil nilai faktor keamanan sangat besar.
4.4.2 Beban Torsional
Pengujian beban torsional digunakan untuk mengetahui kekakuan dari chassis dalam menahan beban dari beberapa komponen yang ditopang oleh chassis pada saat berbelok. Nilai beban torsional didapatkan dari persamaan 2.6 berupa gaya (F). Sebelum melakukan pengujian simulasi beban torsional perlu dilakukan perhitungan gaya torsional (FT) yang akan diberikan saat pengujian simulasi yang diketahui sebagai berikut:
mk = 115 kg a = 9,81 m/s2 dimana,
𝐹𝑇 = 𝑚𝑘× 𝑎
𝐹𝑇 = 115 𝑘𝑔 × 9,81 𝑚 𝑠⁄ 2
𝐹𝑇 = 1128,15 𝑁
Setelah didapatkan nilai beban senilai 1128,15 N yang digunakan pada pengujian beban torsional. Jumlah besarnya beban yang diterima adalah total dari seluruh beban komponen yang ditopang oleh chassis pada tumpuan sistem suspensi arm depan kendaraan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.9 dengan warna
41 merah adalah beban yang diberikan. Sedangkan tumpuan Fixed Displacement pada sistem suspensi belakang dan penopang transmisi yang ditunjukkan dengan tanda warna hijau.
Gambar 4.9 Posisi Beban dan Tumpuan Fixed Displacement Beban Torsional
Hasil pengujian simulasi beban torsional bertujuan untuk mendapatkan nilai tegangan, defleksi, dan faktor keamanan dari chassis kendaraan. Hasil pengujian simulasi beban torsional berturut-turut yang ditunjukkan pada Gambar 4.10, Gambar 4.11, dan Gambar 4.12 dengan menunjukkan material Aluminum Alloy 6061-T6.
Gambar 4.10 Hasil Pengujian Simulasi Beban Torsional Berupa Tegangan Pada Chassis
1
42 Gambar 4.11 Hasil Pengujian Simulasi Beban Torsional Berupa Defleksi Pada
Chassis
Gambar 4.12 Hasil Pengujian Simulasi Beban Torsional Berupa Faktor Keamanan Pada Chassis
Hasil simulasi beban torsional menggunakan variasi material yang digunakan yaitu ASTM A36, AISI 4130, dan Aluminum Alloy 6061-T6 ditunjukkan pada Tabel 4.2 dari setiap variasi material dengan mendapatkan nilai tegangan, defleksi, dan faktor keamanan pada chassis yang telah dijabarkan pada tabel.
2
43 Tabel 4.3 Hasil Pengujian Simulasi Beban Torsional
Material Hasil Simulasi
Tegangan (N/mm2) Defleksi (mm) Faktor Keamanan
ASTM A36 123,54 10,90 2,02
AISI 4130 124,22 10,75 3,70
Aluminum Alloy
6061-T6 125,72 32,73 2,18
Hasil pengujian simulasi beban torsional yang ditunjukkan pada Gambar 4.10 yang mendapatkan hasil tegangan yang terjadi akibat dari beban torsional yang diberikan pada chassis. Hasil simulasi yang dapat dilihat pada gambar berupa gradasi warna. Gradasi warna pada titik 1 menunjukkan warna merah pada batang chassis yang menandakan tegangan terbesar (tegangan maksimum) terjadi pada titik 1 tersebut. Sedangkan warna biru pada batang chassis menunjukkan tegangan terkecil pada chassis. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.3 bahwa nilai tegangan tidak ada perbedaan yang signifikan pada ketiga jenis material. Dimana nilai tegangan yang tertinggi didapatkan pada material aluminum alloy 6061-T6 sebesar 125,72 N/mm2. Tetapi dari semua nilai tegangan maksimum yang terjadi pada ketiga jenis material masih di bawah nilai tegangan luluh setiap material. Sehingga perancangan chassis prototype masih tergolong aman dan tidak terjadi kegagalan dari hasil simulasi beban torsional.
Berdasarkan hasil pengujian simulasi beban torsional didapatkan nilai defleksi yang ditunjukkan pada Gambar 4.11. Nilai defleksi maksimal ditunjukkan dengan warna merah pada daerah titik 2, sedangkan warna biru menunjukkan nilai defleksi terkecil pada chassis. Daerah yang memiliki nilai defleksi yang terbesar yang disebabkan oleh beban torsional yang diberikan pada batang arm atau batang chassis yang digunakan sebagai penopang roda. Nilai defleksi dari ketiga jenis material dapat dilihat pada Tabel 4.3 yang masih tergolong kecil untuk variasi material ASTM A36 dan AISI 4130 karena nilai defleksi masih di bawah nilai maksimum defleksi pada chassis. Sedangkan pada material Aluminum Alloy 6061- T6 memiliki nilai defleksi yang tinggi seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.3 dikarenakan modulus elastisitas dari Aluminum Alloy 6061-T6 lebih kecil dari pada
44 material ASTM A36 dan AISI 4130, maka menyebabkan nilai defleksi dari material ini tinggi. Sehingga pada material Aluminum Alloy 6061-T6 perlu dilakukan penambahan tebal dari material.
Dari hasil pengujian simulasi beban torsional yang ditunjukkan pada Gambar 4.12 yang dapat dilihat gradasi warna pada hasil pengujian simulasi pada chassis.
Gradasi warna dapat menunjukkan perbedaan nilai faktor keamanan dari chassis, dimana persebaran warna merah pada chassis adalah faktor keamanan yang terkecil. Sedangkan gradasi warna biru menunjukkan nilai faktor keamanan yang tertinggi. Maka pada perancangan chassis diperlukan untuk mengetahui nilai faktor keamanan dari chassis tergolong aman atau tidak. Nilai faktor keamanan ditunjukkan pada Tabel 4.3 bahwa nilai faktor keamanan pada ketiga jenis material memiliki selisih yang yang tidak signifikan dikarenakan perbedaan nilai tegangan luluh pada setiap material. Namun nilai faktor keamanan dari ketiga jenis material tersebut masih aman untuk digunakan karena masih di atas nilai minimal faktor keamanan yaitu 1,25 dari suatu perancangan. Jadi pada ketiga jenis material ini tidak terjadi kegagalan pada perancangan dengan nilai faktor keamanan terkecil dari salah satu material adalah 2,02 untuk material ASTM A36.
4.5 Hasil Simulasi Finite Element Pada Chassis Terhadap Beban Roll bar
Perancangan chassis prototype SEM memiliki bagian struktur utama yang berfungsi melindungi pengendara dari kecelakaan pada kendaraan. Struktur utama harus memenuhi aturan dari SEM pada Rules 3A – General Article 26 Chassis/Monocoque Solidity di bagian Roll bar and Safety Belts. Sehingga perlu dilakukan simulasi finite element pada bagian struktur utama agar memenuhi aturan pada SEM.
4.5.1 Beban Roll bar Arah Vertikal
Pengujian Beban Roll bar bertujuan untuk mengetahui bahwa komponen struktur utama pada chassis dapat menerima beban secara vertikal pada roll bar yang sesuai dengan aturan pada Shell Eco Marathon 2021 Official Rules Chapter 1 pada Article 26 Chassis/Monocoque Solidity. Nilai beban yang harus diterima oleh
45 roll bar sebesar 700 N ke arah sumbu vertikal atau sumbu -Z pada pipa bagian atas roll bar. Sedangkan untuk penempatan tumpuan fixed displacement pada bagian tumpuan arm bagian depan dan belakang atau penopang roda belakang serta transmisi. Beban pada chassis ditunjukkan dengan warna merah dan untuk fixed displacement dengan warna hijau yang dapat dilihat pada Gambar 4.13.
Gambar 4.13 Posisi Beban dan Tumpuan Fixed Defleksi Beban Roll bar Arah Vertikal
Simulasi pada roll bar dengan arah beban vertikal dilakukan untuk mendapatkan nilai tegangan, defleksi, dan faktor keamanan. Hasil simulasi pengujian Beban Roll bar arah vertikal dengan nilai tegangan, defleksi, dan faktor keamanan ditunjukkan secara berturut-turut pada Gambar 4.14, Gambar 4.15, dan Gambar 4.16 dengan menunjukkan salah satu hasil simulasi dari material Aluminum Alloy 6061-T6.
Gambar 4.14 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Vertikal Berupa Tegangan Pada Chassis
1
46 Gambar 4.15 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Vertikal Berupa
Defleksi Pada Chassis
Gambar 4.16 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Vertikal Berupa Faktor Keamanan Pada Chassis
Pada perancangan struktur pada roll bar menggunakan variasi berupa material yaitu ASTM A36, AISI 4130, dan Aluminum Alloy 6061-T6. Hasil dari pengujian simulasi berupa tegangan, defleksi, dan faktor keamanan yang dijabarkan pada Tabel 4.4 berikut.
2
47 Tabel 4.4 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Vertikal
Material Hasil Simulasi
Tegangan (N/mm2) Defleksi (mm) Faktor Keamanan
ASTM A36 110,05 2,34 2,27
AISI 4130 110,05 2,28 4,18
Aluminum Alloy
6061-T6 110,03 6,80 2,49
Berdasarkan hasil pengujian Beban Roll bar arah vertikal pada struktur utama didapatkan nilai tegangan maksimal yang terjadi pada batang pipa akibat pembebanan ditunjukkan pada Gambar 4.14 yang berwarna merah pada batang vertikal roll bar. Dimana warna merah merupakan tanda bahwa tegangan terbesar terjadi pada daerah titik 1 tersebut disebabkan oleh penumpukan tegangan akibat reaksi dari struktur tumpuan yang menolak struktur yang diberikan beban. Nilai tegangan terbesar dari ketiga jenis material sebesar 110,05 N/mm2 pada material ASTM A36 dan AISI 4130 yang ditunjukkan pada Tabel 4.4. Hasil simulasi mengindikasikan bahwa perbedaan dari jenis material tidak mempengaruhi nilai tegangan dikarenakan ketebalan pipa pada ketiga jenis material sama. Namun dapat disimpulkan bahwa tegangan maksimum yang dapat diterima oleh ketiga jenis material tersebut berbeda sehingga terdapat perbedaan nilai faktor keamanan.
Berdasarkan hasil simulasi pengujian Beban Roll bar arah vertikal mendapatkan nilai defleksi pada roll bar yang ditunjukkan pada Gambar 4.15 dengan memperlihatkan gradasi warna pada batang pipa di chassis. Warna merah pada batang chassis di struktur roll bar bagian atas menandakan tingkat nilai defleksi yang besar yang terjadi pada titik 2. Defleksi terjadi pada daerah tersebut terjadi karena daerah tersebut termasuk dari daerah pusat pemberian beban. Pada Tabel 4.4 menunjukkan bahwa nilai defleksi terbesar pada material Aluminum Alloy 6061-T6 sebesar 6,80 mm, sedangkan defleksi terkecil pada material AISI 4130 sebesar 2,28 mm. Nilai defleksi terpengaruh dari besarnya nilai modulus elastisitas dari setiap material yang berbeda-beda.
Faktor keamanan pada struktur roll bar ditunjukkan pada Gambar 4.16 dengan memperlihatkan tanda pada gradasi warna dari warna merah hingga biru.
48 Warna merah menunjukkan daerah struktur roll bar vertikal di sambungan pipa memiliki nilai faktor keamanan yang paling kecil. Sedangkan warna biru menunjukkan bahwa nilai faktor keamanan pada suatu chassis memiliki nilai yang tertinggi. Seperti yang terdapat pada Tabel 4.4 yang menunjukkan nilai faktor keamanan yang terkecil dari ketiga jenis material adalah material ASTM A36 yaitu sebesar 2,27 dan nilai faktor keamanan terbesar pada material AISI 4130 4,18.
Namun pada perancangan chassis dengan pengujian simulasi Beban Roll bar arah vertikal dari ketiga jenis material tergolong aman dikarenakan nilai faktor keamanan di atas nilai batas minimum dari suatu perancangan adalah 1,25, sedangkan pada hasil simulasi tidak ada yang menunjukkan nilai faktor keamanan di bawah 1,25. Namun nilai faktor keamanan di atas 2,00 pada semua material.
Sehingga perancangan chassis prototype tergolong ama.
4.5.2 Beban Roll bar Arah Horizontal
Pengujian Beban Roll bar bertujuan untuk mengetahui bahwa komponen struktur utama pada chassis dapat menerima beban arah horizontal pada roll bar yang sesuai dengan aturan pada Shell Eco Marathon 2021 Official Rules Chapter 1 pada Article 26 Chassis/Monocoque Solidity. Nilai beban yang harus diterima oleh roll bar sebesar -700 N ke arah sumbu vertikal atau sumbu -X pada pipa dari arah depan roll bar. Sedangkan untuk penempatan tumpuan Fixed Displacement pada bagian tumpuan arm bagian depan dan belakang atau penopang roda belakang serta transmisi. Beban pada chassis ditunjukkan dengan warna merah dan untuk Fixed Displacement dengan warna hijau yang dapat dilihat pada Gambar 4.17.
Gambar 4.17 Posisi Beban dan Tumpuan Fixed Displacement Beban Roll bar Arah Horizontal
49 Pengujian simulasi pada roll bar dilakukan untuk mendapatkan nilai tegangan, defleksi, dan faktor keamanan pada chassis dengan beban arah horizontal pada roll bar. Hasil pengujian simulasi terhadap tegangan, defleksi, dan faktor keamanan ditunjukkan secara berturut-turut pada Gambar 4.18, Gambar 4.19, dan Gambar 4.20 dengan menunjukkan hasil simulasi salah satu dari ketiga jenis material yaitu Aluminum Alloy 6061-T6.
Gambar 4.18 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Horizontal Berupa Tegangan Pada Chassis
Gambar 4.19 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Horizontal Berupa Defleksi Pada Chassis
2 1
50 Gambar 4.20 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Horizontal Berupa
Faktor Keamanan Pada Chassis
Tabel 4.5 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Horizontal
Material Hasil Simulasi
Tegangan (N/mm2) Defleksi (mm) Faktor Keamanan
ASTM A36 146,17 4,06 1,71
AISI 4130 145,79 3,99 3,15
Aluminum Alloy
6061-T6 145,79 11,88 1,88
Berdasarkan hasil pengujian simulasi beban pada roll bar dengan arah horizontal didapatkan nilai tegangan maksimal yang ditunjukkan pada Gambar 4.18 dengan nilai sebesar 145,79 N/mm2. Dimana digambar dapat dilihat gradasi warna pada chassis yang menunjukkan dimana letak tegangan maksimum yang ada ditunjukkan dengan warna merah atau pada titik 1 di Gambar 4.18 yang terjadi pada sambungan antar roll bar dengan struktur pendukung dari roll bar. Tegangan yang terjadi pada daerah titik tersebut akibat dari reaksi struktur tumpuan yang melawan struktur yang diberikan beban dengan arah perpendicular. Nilai dari hasil simulasi berupa tegangan dapat dilihat pada Tabel 4.5, dimana nilai tegangan paling besar diantar ketiga jenis material adalah ASTM A36 yaitu sebesar 146,17 N/mm2. Perbedaan nilai tegangan pada ketiga jenis material tidak dipengaruhi dari
51 perbedaan jenis material chassis dikarenakan ketebalan pipa pada ketiga jenis material sama.
Hasil pengujian simulasi Beban Roll bar arah horizontal didapatkan nilai defleksi pada chassis yang ditunjukkan pada Gambar 4.19 dengan memperlihatkan gradasi warna pada gambar tersebut. Tingkat defleksi terbesar ditunjukkan pada warna merah di batang pipa roll bar yang bagian atas dapat dilihat pada daerah titik 2. Defleksi terbesar terjadi akibat di daerah tersebut merupakan pusat dari pembebanan. Nilai defleksi dapat dilihat pada Tabel 4.5 yang menunjukkan bahwa defleksi terbesar dari ketiga jenis material adalah 11,88 mm pada material Aluminum Alloy 6061-T6. Sedangkan untuk nilai pada material ASTM A36 dan AISI 4130 memiliki nilai defleksi tidak terlalu jauh berbeda yaitu 4,06 mm dan 3,99 mm. Namun nilai defleksi dari ketiga jenis material masih tergolong aman untuk nilai defleksi pada penggunaan chassis. Nilai defleksi dipengaruhi oleh nilai modulus elastisitas dari setiap material.
Berdasarkan nilai faktor keamanan pada hasil pengujian simulasi Beban Roll bar arah horizontal ditunjukkan pada Gambar 4.20 yang digambarkan dengan degradasi warna pada chassis saat simulasi. Nilai terkecil pada faktor keamanan ditunjukkan pada warna merah yang memiliki nilai keamanan terkecil untuk chassis, sedangkan untuk faktor keamanan terbesar ditunjukkan pada warna biru di chassis. Nilai faktor keamanan ditunjukkan pada Tabel 4.5 dengan material AISI 4130 memiliki nilai faktor keamanan terbesar diantar ketiga jenis material. Namun pada ketiga jenis material masih dalam batas aman dalam suatu perancangan dikarenakan masih di atas nilai 1,25 sebagai nilai minimal faktor keamanan dari perancangan. Sehingga perancangan chassis dikatakan aman dan tidak terjadi kegagalan.
4.5.3 Beban Roll bar Arah Perpendicular
Pengujian Beban Roll bar bertujuan untuk mengetahui bahwa komponen struktur utama pada chassis dapat menerima beban arah perpendicular pada roll bar yang sesuai dengan aturan pada Shell Eco Marathon 2021 Official Rules Chapter 1 pada Article 26 Chassis/Monocoque Solidity. Nilai beban yang harus diterima oleh roll bar sebesar 700 N ke arah sumbu vertikal atau sumbu -Y arah
52 positif dan negatif pada pipa atau dari bagian samping sisi roll bar yang vertikal di kanan dan kiri. Sedangkan untuk penempatan tumpuan Fixed Displacement pada bagian tumpuan arm bagian depan dan belakang atau penopang roda belakang serta transmisi. Beban pada chassis ditunjukkan dengan warna merah dan untuk Fixed Displacement dengan warna hijau yang dapat dilihat pada Gambar 4.21.
Gambar 4.21 Posisi Beban dan Tumpuan Fixed Displacement Beban Roll bar Arah Perpendicular
Simulasi pada struktur roll bar dengan arah pembebanan perpendicular dilakukan dengan untuk mendapatkan nilai tegangan, defleksi, dan faktor keamanan pada chassis. Maka hasil simulasi berupa tegangan, defleksi dan faktor keamanan ditunjukkan secara berturut – turut pada Gambar 4.22, Gambar 4.23, dan Gambar 4.24 dengan material Aluminum Alloy 6061-T6.
Gambar 4.22 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Perpendicular Berupa Tegangan Pada Chassis
1
53 Gambar 4.23 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Perpendicular
Berupa Defleksi Pada Chassis
Gambar 4.24 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Perpendicular Berupa Faktor Keamanan Pada Chassis
2
54 Tabel 4.4 Hasil Pengujian Simulasi Beban Roll bar Arah Perpendicular
Material Hasil Simulasi
Tegangan (N/mm2) Defleksi (mm) Faktor Keamanan
ASTM A36 43,26 0,29 5,77
AISI 4130 43,28 0,29 10,62
Aluminum Alloy
6061-T6 43,32 0,86 6,34
Menurut hasil pengujian simulasi pada roll bar dengan arah beban perpendicular seperti pada Gambar 4.22 yang menunjukkan nilai tegangan maksimum pada chassis sebesar 43,32 N/mm2 di material Aluminum Alloy 6061- T6. Pada hasil simulasi dapat dilihat gradasi warna, dimana warna merah menunjukkan bahwa tegangan terbesar terjadi pada daerah di titik 1 bagian sambungan atau pertemuan antar roll bar dengan flooring base pada chassis.
Tegangan terbesar terjadi pada daerah tersebut dikarenakan terjadi penumpukan tegangan akibat dari perlawanan atau pun reaksi dari struktur tumpuan dengan struktur yang diberikan pembebanan. Nilai dari tegangan dari ketiga jenis material tersebut dapat dilihat pada Tabel 4.6 yang tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan pada hasil tegangan yang terjadi akibat pembebanan dikarenakan ketebalan dari pipa pada chassis sama. Tegangan maksimum yang dapat ditahan dari ketiga jenis material berbeda-beda sehingga menimbulkan perbedaan pada faktor keamanan.
Dari hasil pengujian simulasi perancangan struktur roll bar dengan pembebanan arah perpendicular ditunjukkan pada Gambar 4.23 dengan penyebaran gradasi warna pada chassis. Tingkat defleksi terbesar pada chassis ditunjukkan warna merah pada daerah di titik 2 pada bagian tengah pipa di struktur roll bar pada daerah tersebut terjadi defleksi terbesar akibat bagian tengah pipa menjadi daerah pusat pembebanan. Nilai defleksi ditunjukkan pada Tabel 4.6 yang memiliki nilai di bawah nilai 1 mm yang tergolong sangat kecil. Tetapi pada ketiga jenis material memiliki nilai yang aman untuk perancangan chassis.
Berdasarkan hasil pengujian simulasi didapatkan nilai faktor keamanan untu pembebanan roll bar arah perpendicular seperti yang ditunjukkan pada Gambar
55 4.24 menampilkan bahwa penyebaran degradasi warna menandakan kalau menunjukkan warna merah pada chassis memiliki nilai faktor keamanan terkecil.
Faktor keamanan terkecil disebabkan oleh tegangan yang paling besar pada daerah tersebut. Pada Tabel 4.6 pada ketiga jenis material menunjukkan nilai faktor keamanan yang terbesar diantar ketiga jenis material tersebut adalah material AISI 4130. Jadi pada ketiga jenis material masih sangat aman untuk dilakukan perancangan dikarenakan nilai faktor keamanan di atas batas minimal suatu perancangan yaitu 1,25, maka chassis dikatakan tidak terjadi kegagalan. Namun perlu dilakukan redesign untuk penelitian selanjutnya karena pada penggunaan material AISI 4130 didapatkan hasil nilai faktor keamanan sangat besar.
4.6 Kekakuan Torsional Pada Chassis
Berdasarkan hasil pengujian simulasi beban torsional didapatkan nilai defleksi pada material ASTM A36 sebesar 10,908 mm, pada material AISI 4130 dengan nilai 10,758 mm, sedangkan Aluminum Alloy 6061-T6 sebesar 32,730 mm.
Setelah diketahui nilai defleksi (X) dari chassis pada setiap jenis material nya, maka akan digunakan dalam perhitungan kekakuan torsional (K) chassis. Sebelum dilakukan perhitungan kekakuan torsional chassis harus mencari nilai torsi (T) dan nilai derajat defleksi (Ɵ) pada setiap material. Dalam mencari nilai torsi menggunakan Persamaan 2.7 (Kolhe dan Joijode, 2016) dengan gaya torsional (FT) dari hasil perhitungan beban torsional dan track width kendaraan (tr) dari dimensi chassis prototype yang dirancang. Perhitungan torsi (T) dengan menggunakan Persamaan 2.7 yang diketahui sebagai berikut:
FT = 1128,15 N
t
r = 800 mm maka dapat dihitung,T = 1128,15 𝑁 ×0,8 𝑚
2
T = 451,26 Nm
Dalam mencari nilai derajat defleksi (Ɵ) pada chassis dihitung berdasarkan masing-masing material karena nilai defleksi yang berbeda-beda. Nilai defleksi didapatkan pada hasil simulasi beban torsional. Perhitungan nilai derajat defleksi pada chassis menggunakan Persamaan 2.8 Sebagai berikut:
56 1. Derajat Defleksi ASTM A36
X1 = 10,91 mm tr = 800 mm maka,
𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1× 10,91 𝑚𝑚 0,5 × 800 𝑚𝑚 𝜃 = 1,558°
2. Derajat Defleksi AISI 4130 X2 = 10,758 mm tr = 800 mm maka,
𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1× 10,758 𝑚𝑚 0,5 × 800 𝑚𝑚 𝜃 = 1,489°
3. Derajat Defleksi Aluminum Alloy 6061-T6 X3 = 32,73 mm
tr = 800 mm maka,
𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1× 32,73 𝑚𝑚 0,5 × 800 𝑚𝑚 𝜃 = 4,676°
Sehingga nilai kekakuan torsional pada chassis di setiap material berbeda- beda karena nilai derajat defleksi yang berbeda. Kekakuan torsional dihitung dengan Persamaan 2.9 Dengan menggunakan nilai derajat defleksi sesuai dengan material nya berikut ini perhitungan nilai kekakuan torsional (K) berikut:
1. Kekakuan Torsional dengan material ASTM A36 Ɵ = 1,558°
T = 451,26 Nm maka,
57 𝐾 =415,26 𝑁𝑚
1,558°
𝐾 = 289,64 𝑁𝑚/𝑑𝑒𝑔𝑟𝑒𝑒
2. Kekakuan torsional dengan material AISI 4130 Ɵ = 1,489°
T = 451,26 Nm Maka,
𝐾 =415,26 𝑁𝑚 1,489°
𝐾 = 303,062 𝑁𝑚/𝑑𝑒𝑔𝑟𝑒𝑒
3. Kekakuan Torsional dengan material Aluminum Alloy 6061-T6 Ɵ = 4,676°
T = 451,26 Nm maka,
𝐾 =415,26 𝑁𝑚 4,676°
𝐾 = 96,505 𝑁𝑚/𝑑𝑒𝑔𝑟𝑒𝑒
Berdasarkan data global yang telah ditetapkan bahwa nilai kekakuan torsional pada chassis harus di atas 2169,3 Nm/degree(Kolhe and Joijode, 2016). Maka dari itu nilai kekakuan torsional pada ketiga material ini masih di bawah standar yang telah ditetapkan. Jadi perlu dilakukan redesign pada chassis mengenai ketebalan dan struktur yang ada untuk memperkuat hasil pengujian nilai kekakuan torsional.
4.7 Grafik Hasil Pengujian Simulasi
Setelah data hasil pengujian simulasi didapatkan berupa tegangan, defleksi, dan faktor keamanan dengan menggunakan metode FEA. Dari data yang telah diperoleh akan diolah kembali ke dalam bentuk grafik untuk mengetahui variasi material mempengaruhi nilai dari tegangan, defleksi, dan faktor keamanan. Pada grafik hasil data tegangan yang ditunjukkan pada Gambar 4.25 akan menjadi gambaran bahwa pengaruh variasi material terhadap tegangan. Grafik hasil tegangan terhadap material akan ditunjukkan berikut ini.
58 Gambar 4.25 Grafik Hasil Simulasi Tegangan Terhadap Variasi Material
Hasil pengujian simulasi berupa tegangan dengan tiga variasi material dapat dilihat pada Gambar 4.25 dengan menunjukkan grafik hasil simulasi tegangan yang terjadi pada setiap material dengan pembebanan yang telah ditentukan yaitu beban vertikal, beban torsional, Beban Roll bar arah vertikal, Beban Roll bar arah horizontal, dan Beban Roll bar arah perpendicular dengan tiga variasi material adalah ASTM A36, AISI 4130, dan Aluminum Alloy 6061-T6. Dapat dilihat pada grafik bahwa nilai seluruh tegangan hasil simulasi masih di bawah nilai tegangan luluh (yield strength). Nilai tegangan hasil simulasi pada setiap material dengan setiap pembebanan tidak jauh berbeda dikarenakan kemampuan chassis yang mampu menahan pembebanan yang diberikan. Namun tegangan terbesar terjadi pada material ASTM A36 dengan pembebanan roll bar arah horizontal pada nilai tegangan sebesar 146,17 N/mm2 dan masih dalam batas kemampuan tegangan luluh material ASTM A36 sebesar 250 N/mm2. Dari hasil grafik didapatkan bahwa nilai tegangan dipengaruhi dari struktur pada chassis, tegangan luluh pada material, dan beban yang diberikan pada chassis. Sehingga mempengaruhi nilai hasil simulasi tegangan yang bekerja.
Pada grafik hasil data simulasi faktor keamanan pada chassis yang ditunjukkan pada Gambar 4.26 akan menjadi gambaran bahwa pengaruh variasi
0 20 40 60 80 100 120 140 160
AA 6061-T6 AISI 4130 ASTM A36
Tegangan (N/mm2)
Material
Hubungan variasi Material terhadap Tegangan
Vertikal Torsional Roll Bar Vertikal Roll Bar Horizontal Roll Bar Perpendicular
59 material terhadap nilai faktor keamanan pada chassis. Grafik hasil faktor keamanan terhadap material akan ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Gambar 4.26 Grafik Hasil Simulasi Faktor Keamanan Terhadap Variasi Material
Hasil pengujian simulasi berupa faktor keamanan dengan tiga variasi material dapat dilihat pada Gambar 4.26 dengan menunjukkan grafik hasil simulasi faktor kemampuan yang terjadi pada setiap material dengan pembebanan yang telah ditentukan yaitu beban vertikal, beban torsional, Beban Roll bar arah vertikal, Beban Roll bar arah horizontal, dan Beban Roll bar arah perpendicular dengan tiga variasi material adalah ASTM A36, AISI 4130, dan Aluminum Alloy 6061-T6.
Grafik hasil seperti di atas menunjukkan hasil data faktor kemampuan masih di atas batas minimal faktor kemampuan yaitu 1,25 untuk suatu perancangan. Dimana nilai faktor kemampuan terkecil terdapat pada material ASTM A36 dengan nilai sebesar 1,71 pada pembebanan roll bar dengan arah horizontal akibat dari pengaruh tegangan luluh pada setiap material sehingga menyebabkan nilai pengaruh faktor kemampuan dari chassis, sedangkan untuk faktor kemampuan terbesar pada material AISI 4130 yaitu sebesar 10,62. Maka dapat diambil kesimpulan untuk faktor kemampuan pada chassis prototype SEM masih sangat aman dan tidak terjadi kegagalan pada perancangan chassis. Namun perlu dilakukan redesign untuk penelitian selanjutnya karena pada penggunaan material AISI 4130 didapatkan hasil nilai faktor kemampuan sangat besar. Maka dapat diambil kesimpulan bahwa
0 2 4 6 8 10 12
AA 6061-T6 AISI 4130 ASTM A36
Faktor Keamanan
Material
Hubungan variasi Material terhadap Faktor Keamanan
Vertikal Torsional Roll Bar Vertikal Roll Bar Horizontal Roll Bar Perpendicular
60 penggunaan material aluminum alloy 6061-T6 lebih baik untuk perancangan dari chassis Enggang EVO 4.1.
Pada grafik hasil data simulasi kekakuan torsional pada chassis yang ditunjukkan pada Gambar 4.28 akan menjadi gambaran bahwa pengaruh variasi material terhadap kekakuan torsional pada chassis. Grafik hasil defleksi terhadap material akan ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Gambar 4.27 Grafik Hasil Perhitungan Kekakuan Torsional Terhadap Variasi Material
Dari hasil simulasi pengujian pada pembebanan torsional pada chassis didapatkan nilai defleksi. Nilai defleksi digunakan untuk mendapatkan nilai kekakuan pada setiap material. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.28 didapatkan nilai kekakuan torsional terbesar berada pada material AISI 4130 dengan nilai 303,062 Nm/degree, sedangkan nilai terkecil pada material Aluminum Alloy 6061-T6 dengan nilai 96,505 Nm/degree. Namun nilai dari seluruh data kekakuan torsional pada ketiga jenis material masih di bawah nilai minimum atau standar dari kekakuan torsional sebesar 2169,3 Nm/degree. Jadi pada ketiga jenis material ini masih sangat jauh nilai kekakuan torsional nya dari nilai standar dikarenakan pengaruh dari beban torsional dan track width yang telah diberikan dan ditentukan, sehingga hasil nilai kekakuan torsional pada chassis sangat dipengaruhi.
96,505
303,062
289,64
0 50 100 150 200 250 300 350
Aluminum Alloy 6061-T6 AISI 4130 ASTM A36
Kekakuan Torsional
Material
Kekakuan Torsional Terhadap Variasi Material
61 Maka diperlukan pembahan struktur dan ketebalan dari pipa agar mendapatkan nilai kekakuan torsional sesuai dengan standar.
4.8 Pemilihan Material Chassis
Pemilihan variasi dilakukan pada ketiga jenis material dengan pertimbangan material banyak digunakan pada penelitian sebelumnya. Dengan mempertimbangkan faktor kemampuan dari hasil pengujian simulasi pada chassis.
Faktor kemampuan pada hasil perancangan chassis lebih dari 1,25 untuk semua material dinyatakan bahwa hasil perancangan aman dan tidak terjadi kegagalan.
Dari hasil keseluruhan bahwa nilai faktor kemampuan tertinggi pada material AISI 4130, namun dikarenakan pada kegiatan SEM membutuhkan berat kendaraan yang ringan sehingga dapat menghemat konsumsi baterai. Jadi untuk perancangan chassis prototype SEM ITK dipilih material Aluminum Alloy 6061-T6 karena memiliki nilai faktor kemampuan di atas 1,25 dan memiliki density material yang lebih kecil dari AISI 4130 dan ASTM A36 yaitu sebesar 2700 kg/m3. Maka untuk penggunaan material AISI 4130 belum dapat jadi pertimbangan karena nilai rata- rata faktor kemampuan dari semua pengujian beban sangat tinggi yang dapat diambil kesimpulan untuk penelitian selanjutnya yang menggunakan material AISI 4130 perlu dilakukan redesign pada chassis. Perbedaan dari tegangan luluh yang dapat ditahan oleh material ASTM A36, AISI 4130, dan Aluminum Alloy 6061-T6.
Pada material ASTM A36 sebesar 250 MPa, AISI 4130 sebesar 440 MPa, dan Aluminum Alloy 6061-T6 sebesar 276 MPa. Maka dapat diputuskan bahwa chassis prototype SEM ITK menggunakan material Aluminum Alloy 6061-T6.
