## Analisis Pengaruh Penambahan Stiffener Terhadap Nilai Tegangan Dan Defleksi Pada Rangka Sepeda Motor Listrik Dengan Metode Elemen Hingga
Rilis Eka Perkasa 1) , Utsman Syah Amrullah 1), Bayu Pranoto 1) , Chandra Gunawan 1)
1) Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Malang, Jl. Soekarno-Hatta no. 9 Malang
E-mail correspondence: rilis@polinema.ac.id

## Abstrak
Saat  ini,  sepeda  motor  listrik  telah  banyak  dijadikan  sebagai  pilihan  moda  transportasi alternatif  karena  sepeda  motor  listrik  memiliki  beberapa  kelebihan,  salah  satunya menghasilkan  tingkat  polusi  yang  rendah.  Salah  satu  bagian  utama  dari  sepeda  motor  listrik adalah rangka, yang berfungsi sebagai penyangga beban utama dari sepeda motor listrik dan dudukan  dari  berbagai  komponen  lain.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh penambahan komponen stiffener pada rangka menggunakan simulasi metode elemen hingga. Terdapat dua jenis rancangan yang disimulasikan, yaitu rangka dengan penambahan stiffener dan  rangka  tanpa stiffener sebagai  pembanding.  Kedua  rancangan  rangka  dibuat  dengan menggunakan  profil  persegi  dengan  ketebalan  2.2  mm  dari  bahan  baja  ASTM  A36.  Jenis simulasi yang dipilih adalah simulasi pembebanan statis dengan beban yang terdiri dari beban penumpang  serta  beban  komponen  baterai  dan  sistem  kontrol.  Parameter  yang  hendak diperoleh dari simulasi antara lain tegangan von mises, defleksi total rangka, dan nilai safety factor.  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  rancangan  rangka  dengan  penambahan stiffener mengalami  tegangan  von  mises  maksimum  sebesar  74.67  MPa,  defleksi  total  maksimum sebesar  0.06692  mm,  dan  safety  factor  minimum  sebesar  3.348.  Sementara  itu,  rancangan tanpa  penambahan stiffener mengalami  tegangan  von  mises  maksimum  sebesar  110.3  MPa, defleksi total maksimum sebesar 0.5209 mm, serta nilai safety factor minimum sebesar 2.266.
Kata kunci : rangka sepeda motor, stiffener, ASTM A36, metode elemen hingga

## 1. PENDAHULUAN
Dewasa ini, kendaraan listrik makin banyak  dipilih  sebagai  alternatif  dari kendaraan bermotor sebagai alat transportasi  di  Indonesia.  Salah  satu  jenis kendaraan  listrik  yang  paling  diminati adalah  sepeda  motor  listrik.  Penyebab sepeda  motor  listrik  mulai  diminati  di antaranya  karena  memiliki  komponen mekanik  yang  sederhana,  mudah  dirawat, memiliki  tingkat  kebisingan  yang  rendah, dan yang utama menghasilkan polusi yang rendah [1]. Rendahnya tingkat polusi  yang dihasilkan oleh kendaraan listrik ini sejalan dengan  program  Pemerintahan  Indonesia untuk  menekan  emisi  karbon  sebesar  32% atau  setara  dengan  912  juta  ton  CO2  pada
tahun 2030 [2]. Karena itulah, penggunaan kendaraan  listrik  merupakan  langkah  yang dapat mendukung program pemerintah dan juga kelangsungan lingkungan hidup.
Salah  satu  komponen  terpenting untuk  sepeda  motor  listrik  adalah  rangka. Pada  prinsipnya,  rangka  pada  kendaraan bermotor  adalah  tempat  terpasang  dan terhubungnya  komponen  dan  sistem  lain dari  kendaraan,  seperti  mesin,  sistem penggerak,  suspensi,  dan  lain  sebagainya, termasuk  penumpang  kendaraan  tersebut. Rangka  kendaraan  juga  memiliki  fungsi utama lainnya,  yaitu sebagai bagian utama kendaraan  yang  menerima  beban,  di  mana beban  yang  paling  umum  diterima  oleh rangka  kendaraan  adalah  beban  tekuk  dan
puntir [3]. Umumnya, rangka sepeda motor dibuat  dengan  bentuk  susunan  profil  yang terbuat  dari material logam,  di  mana salah satu  jenis  material  yang  paling  sering digunakan sebagai material rangka kendaraan  adalah  baja.  Pemilihan  jenis struktur  dan  material  ini  ditujukan  agar rangka  memiliki  massa  yang  relatif  kecil, namun  cukup  kuat  menahan  beban  yang diterimanya.  Struktur  rangka  berupa  profil yang  berongga  memiliki  massa  yang  lebih rendah dibandingkan dengan batang logam pejal,  namun  memiliki  kemampuan  yang cukup optimal untuk menahan pembebanan  tekuk  dan  puntir  yang diterima  oleh  rangka  [4].  Di  samping  itu, penambahan  suatu  struktur stiffener pada rangka dapat dilakukan untuk
meningkatkan  kekuatan  dan  kemampuan rangka dalam menahan deformasi [5].
Seperti  yang  telah  disebutkan sebelumnya,  rangka  memiliki  satu  fungsi utama  berupa  struktur  penahan  beban. Oleh  karenanya,  analisis  kekuatan  rangka adalah  hal  yang  sangat  penting  dalam rangka memastikan rangka dapat menerima pembebanan saat beroperasi [6]. Salah  satu  metode  yang  efektif  untuk melakukan  analisis  kekuatan  ini  adalah dengan  menggunakan  metode  elemen hingga/finite  element  method  (FEM). Metode  elemen  hingga  sendiri  merupakan alat analisis yang efektif untuk memprediksi respons suatu struktur terhadap  pembebanan  yang  diberikan kepadanya.  Dalam  metode  elemen  hingga, struktur yang hendak dianalisis akan dibagi menjadi elemen-elemen diskrit yang disebut  sebagai  “mesh”.  Selanjutnya,  di tiap  mesh  dilakukan  perhitungan  dengan dasar persamaan kesetimbangan dan matriks  kekakuan  dari  elemen  tersebut. Dari  perhitungan  yang  dijalankan  secara numerik  ini  dapat  dihasilkan  berbagai parameter  yang  penting  untuk  analisis suatu  struktur,  seperti  tegangan,  regangan, deformasi/defleksi, dan lain-lain [7].
Melalui metode elemen hingga, diharapkan rancangan yang mengakomodasi
kemampuan  struktur  dalam  menanggung beban dapat diperoleh dengan baik.
Berangkat  dari  latar  belakang  yang sudah  dijelaskan  sebelumnya,  dibuatlah suatu  rancangan  rangka  sepeda  motor listrik  melalui  perangkat  computer-aided design  (CAD)  dengan  struktur  penyusun profil  baja  persegi.  Tebal  profil  penyusun rangka  yang  digunakan  adalah  sebesar  2.2 mm.  Terdapat  dua  desain  yang  akan dibandingkan  dalam  studi  ini,  yaitu struktur  rangka  dengan  tambahan stiffener yang  melintang  secara  vertikal  pada rangka,  serta  rancangan  rangka  tanpa stiffener sebagai pembanding. Penambahan stiffener dimaksudkan  untuk  mengurangi defleksi  yang  dialami  oleh  rangka  saat mengalami  pembebanan,  terutama  pada bagian  rangka  penyangga  jok  yang diduduki  oleh  penumpang.  Rancangan rangka  ini  selanjutnya  akan  disimulasikan dengan  menggunakan  metode  elemen hingga  untuk  memperoleh  parameter- parameter  tegangan  dan  deformasi  total rangka.  Nilai  faktor  keamanan  dari  kedua jenis  rangka  berdasarkan  beban  yang diterimanya juga dihitung sebagai informasi tambahan di penelitian ini.

## 2. METODE PENELITIAN
Rangka  yang hendak disimulasikan dalam  studi  ini  terbuat  dari  profil  persegi dengan  material  baja  ASTM  A36.  Ukuran penampang  profil  baja  yang  digunakan dapat  dilihat  pada  Gambar  1,  sementara data  material  baja  ASTM  A36  terdapat pada  Tabel  1.  Keseluruhan  data  material inilah yang akan digunakan untuk menjalankan simulasi.
Gambar  1.  Dimensi  penampang  profil persegi dalam mm

## Tabel 1. Spesifikasi material baja ASTM A36
Sifat Nilai Density (massa jenis) 7850 kg/m 3 Young modulus (modulus elastisitas) 200 GPa Shear modulus (modulus geser) 79.3 GPa Poisson’s Ratio 0.26 Yield strength (kekuatan luluh) 250 MPa Tensile strength (kekuatan Tarik) 400 MPa
Terdapat dua  jenis  rancangan rangka  sepeda  motor  listrik.  Rancangan pertama  dirancang  dengan  menggunakan stiffener yang  melintang  secara  vertikal dan  menyangga  dudukan  jok  motor. Selanjutnya  rancangan  ini  akan  dinamai Desain  STR.  Sementara  itu,  rancangan kedua  yang  tidak  ditambahkan stiffener dibuat sebagai pembanding dan selanjutnya  akan  disebut  sebagai  Desain STN.  Kedua  jenis  rancangan  ini  dibuat menggunakan  profil  dan  material  yang sama,  dengan  penambahan  komponen komstir  sebagai  dudukan  kemudi.  Desain STR  dan  STN  dapat  dilihat  pada  Gambar 2.  Dengan  menggunakan  material  baja ASTM  A36,  diperoleh  massa  dari  kedua rancangan  rangka  sesuai  dengan  yang ditunjukkan pada Tabel 2.
(a)
(b)
Gambar 2. (a) Desain STR dan (b) Desain STN
Tabel 2. Massa total kedua rancangan rangka sepeda motor listrik Rancangan Massa Desain STR 14.65 kg Desain STN 11.55 kg
Simulasi  kedua  jenis  rancangan  rangka dilakukan  dengan  menggunakan  jenis analisis  pembebanan static dengan  beban yang  diberikan  sebesar  2000  N  yang terdistribusi merata pada rangka penyangga jok sebagai muatan penumpang, dan beban sebesar 150 N yang terdistribusi  merata  pada  rangka  bagian bawah  yang  mewakili  berat  komponen baterai  dan  sistem  kontrol  sepeda  motor listrik.  Tumpuan  yang  diberikan  berupa tumpuan jepit ( fixed support ) pada pangkal bagian bawah komstir dan pada satu poros shockbreaker , dikarenakan rancangan rangka ini dibuat dengan desain monoshock yang  menggunakan  satu  buah shockbreaker .  Posisi  dari  beban  dan tumpuan  pada  kedua  rancangan  ini  dapat dilihat  pada  Gambar  3,  di  mana  Beban  A mewakili  beban  penumpang,  Beban  B mewakili  beban  komponen  baterai  dan sistem  kontrol,  Tumpuan  A  mewakili tumpuan  pada  komstir,  dan  Tumpuan  B mewakili tumpuan pada poros shockbreaker .
Gambar 3. Contoh  posisi  Beban A,  Beban B,  Tumpuan  A,  dan  Tumpuan  B  pada Desain STR
Solusi  yang  diperoleh  dari  proses simulasi  antara  lain  tegangan  von  mises, total  defleksi/displacement,  serta  faktor keamanan/safety  factor.  Tegangan  von mises  merepresentasikan  resultan  nilai- nilai tegangan  yang bekerja pada struktur., total  defleksi  merepresentasikan  besarnya deformasi yang terjadi pada struktur akibat pembebanan, sementara
faktor keamanan/safety  factor  dihitung  dengan membandingkan  antara  kekuatan  luluh bahan  rangka  dengan  tegangan  von  mises yang terjadi pada rangka akibat pembebanan  dan  dapat  dihitung  pada Persamaan (1) [8].
………………………………….(1)
di mana η adalah faktor keamanan, σ y adalah tegangan luluh material struktur, dan σ A adalah tegangan yang diperbolehkan  dialami  oleh  suatu  struktur, dalam  hal  ini  adalah  tegangan von  mises hasil  dari  simulasi.  Faktor  keamanan mengindikasikan  seberapa  jauh  struktur yang  dianalisis  dari  mengalami  deformasi plastis,  yang  dapat  merugikan  struktur. Nilai  faktor  keamanan  di  bawah  1 mengindikasikan  bagian  struktur  tersebut sudah  mulai  mengalami  deformasi  plastis [9].  Oleh  karena  itu,  suatu  struktur diharuskan memiliki nilai faktor keamanan minimum  yang  setinggi  mungkin  dengan memperhatikan batasan-batasan lain seperti  ukuran  struktur,  sehingga  struktur tersebut  tidak  terlalu  berat  dan  dapat dioperasikan secara normal.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Terdapat tiga parameter hasil simulasi  yang  diambil  dalam  analisis  ini, antara  lain  tegangan von  mises , total displacement , dan safety factor . 3.1 Tegangan Von Mises
Distribusi tegangan von mises pada Desain  STR  dan  STN  akibat  pembebanan yang  diberikan  melalui  simulasi  dapat dilihat pada Gambar 4.
(a)
(b)
Gambar 4. Distribusi tegangan von mises pada (a) Desain STR dan (b) Desain STN
Dari  ilustrasi  di  atas  terlihat  bahwa Desain  STR  mengalami  tegangan von mises maksimum  sebesar  7.467  x  10 7 N/m 2 , atau setara dengan 74.67 MPa, pada bagian  dudukan shockbreaker .  Nilai  ini lebih  rendah  apabila  dibandingkan  dengan Desain  STN  sebagai  pembanding,  yang memiliki nilai tegangan von mises maksimum sebesar 1.103 x 10 8 N/m 2 yang setara dengan 110.3 MPa pada bagian siku depan dudukan jok.
(a) (b)
Gambar  5.  Titik  dengan  konsentrasi tegangan  tertinggi  pada  (a)  Desain  STR dan (b) Desain STN

## 3.2 Nilai Defleksi Total
Ketika  mengalami  pembebanan, struktur  rangka  mengalami  deformasi  atau perubahan  bentuk,  di  mana  pada  studi  ini, seberapa  besar  deformasi  yang  terjadi ditunjukkan  melalui  parameter  Nilai  Total Defleksi  (total  displacement).  Dari  hasil simulasi,  diperoleh  bahwa  defleksi  total maksimum  yang dialami oleh Desain  STR adalah  sebesar  0.06692  mm  pada  bagian belakang  dudukan  jok.  Sementara  itu, dengan  pembebanan  yang  sama,  Desain STN  mengalami  defleksi  total  maksimum sebesar  0.5209  mm  pada  bagian  tengah dudukan  jok.  Distribusi  nilai  total  dari kedua  rancangan  dapat  dilihat  pada Gambar 6.
(a)
(b)
Gambar  6.  Distribusi  nilai  defleksi  total pada (a) Desain STR dan (b) Desain STN 3.3 Safety Factor Nilai safety factor sangat dipengaruhi  oleh  nilai  tegangan  yang dialami oleh rangka, karena pada kasus ini safety factor sendiri merupakan perbandingan kekuatan luluh bahan rangka dengan  nilai  tegangan  yang  dialami  oleh rangka.  Diusahakan  diperoleh  nilai safety factor minimum  sebesar  mungkin  yang mengindikasikan  nilai  tegangan  yang dialami  masih  jauh  dari  nilai  kekuatan luluhnya,  yang menandakan bahwa rangka tersebut  lebih aman dari deformasi plastis. Sesuai dengan pernyataan tersebut, diperoleh nilai safety factor minimum pada Desain STR  yang lebih besar,  yaitu 3.348, dibandingkan  pada  Desain  STN  sebesar 2.266.
(a) (b)
Gambar 7. Nilai safety factor pada (a)
Desain STR dan (b) Desain STN

## 3.4 Pembahasan
Hasil  yang  diperoleh  dari  simulasi pembebanan statis terhadap kedua rancangan  rangka  sepeda  motor  listrik dijabarkan pada Tabel 3.
Tabel 3 Parameter-parameter hasil simulasi pembebanan statis pada kedua rangka
Parameter Desain Rangka STR STN Tegangan von mises maksimum 74.67 MPa 110.3 MPa Defleksi total maksimum 0.06692 mm 0.5209 mm Safety factor minimum 3.348 2.266
Dari  hasil  di  atas,  diketahui  bahwa penambahan stiffener pada  rancangan rangka  sepeda  motor  listrik  berpengaruh terhadap  ketiga  parameter  di  atas.  Untuk tegangan von mises maksimum, penambahan stiffener menurunkan  nilai tegangan  pada  dudukan  jok,  sehingga seperti  pada  hasil  simulasi  Desain  STR, nilai  tegangan  maksimum  terjadi  pada dudukan shockbreaker , yang mana
nilainya  lebih  kecil  apabila  dibandingkan dengan  tegangan von  mises maksimum pada Desain STN pada dudukan jok (74.67
MPa dibandingkan dengan 110.3 MPa). Sesuai  dengan  fungsi  utamanya, stiffener berfungsi untuk menahan terjadinya  deformasi  pada  rangka  sepeda motor  listrik.  Hal  ini  sejalan  dengan  hasil simulasi  pada  studi,  di  mana  pada  Desain STR,  defleksi  total  maksimum  dapat dikurangi  hingga  pada  nilai  0.06692  mm pada  bagian  belakang  dudukan  jok.  Nilai ini  jauh  lebih  kecil  apabila  dibandingkan dengan  Desain  STN  yang  tidak  memiliki stiffener ,  di  mana  nilai  defleksi  total maksimum  yang  terjadi  adalah  sebesar 0.5209  mm  pada  bagian  tengah  dudukan jok.  Mengenai  lokasi  nilai  defleksi  total maksimum,  pemberian stiffener pada Desain STR membantu menahan terjadinya deformasi pada struktur dudukan  jok  bagian  tengah,  sehingga  nilai defleksi  maksimum  tidak  terjadi  pada bagian ini, melainkan pada bagian belakang  dudukan  jok  dengan  nilai  yang relatif lebih kecil.
Pada  studi  ini,  nilai safety  factor yang membandingkan nilai  tegangan luluh bahan  dengan  nilai  tegangan  sebenarnya yang  dialami  oleh  struktur  menandakan seberapa  aman  struktur  tersebut  dari deformasi  plastis.  Dengan  menetapkan nilai  kekuatan  luluh  baja  ASTM  A36 sebesar 250 MPa, diperolehlah nilai safety factor pada  Desain  STR  yang  lebih  besar, yaitu  3.348,  dibandingkan  pada  Desain STN,  yaitu  senilai  2.266.  Kedua  nilai  ini sebenarnya  masih  di  atas  ambang  aman untuk safety factor struktur yang mengalami pembebanan statis, yaitu sebesar 2.0 [10]. Namun secara umum dari keseluruhan hasil di atas dapat disimpulkan  bahwa  penambahan stiffener dengan  konfigurasi  seperti  Desain  STR dapat  mengurangi  tegangan  serta  defleksi pada  rangka  sepeda  motor  listrik  secara signifikan.
4. Kesimpulan dan Saran
Analisis  nilai-nilai  tegangan von mises , defleksi total, dan safety factor pada
kedua  rancangan  rangka  sepeda  motor listrik  melalui  simulasi  dengan  metode elemen  hingga  telah  dilakukan.  Dari  hasil simulasi,  diperoleh  bahwa  penambahan stiffener pada  rangka  sepeda  motor  listrik dengan  konfigurasi  vertikal  menyangga dudukan  jok  dapat  menurunkan  nilai tegangan von  mises dan  defleksi  total maksimum secara signifikan. Pengurangan tegangan von mises pada struktur selanjutnya  berdampak  pada  peningkatan nilai safety factor secara signifikan.

## Referensi
[1] Amrullah,  U.  S.,  Perkasa,  R.  E., Fakhruddin,  M.,  2023, Prototype Design  Of  E-Bmx  2000  Watt  Electric Motorcycle ,  Journal  of  Engineering
Design  and  Technology,  Vol.  23,  No.
1, 55-61
[2] https://migas.esdm.go.id/post/read/tek an-emisi-karbon-indonesia-naikkan- target-e-ndc-jadi-32-persen
“Tekan Emisi  Karbon,  Indonesia  Naikkan
Target  E-NDC  Jadi  32  Persen”, diakses  pada  tanggal  14  April  2023
pukul 14.02 WIB
[3] Saga, M., Blatnicky, M., Vasko, M. et al. , 2020, Experimental Determination of  the  Manson-Coffin  Curves  for  an Original Unconventional Vehicle
Frame , Materials, Vol. 13
[4] Hibbeler,  R.  C.,  2018 Mechanics  of Materials  in  SI  Units, Tenth  Edition, Pearson
[5] Irshad,  K.,  Krishna,  M.,  V.,  2014, Analysis  of  Chassis  With  &  Without Stiffener  using  FEM ,  International
Journal  of  Mechanical  Engineering and Robotics Research, Vol. 3, No. 2
[6] Setiawan,  R.,  Sugiyanto,  D.,  Daryus, A.,  2022, Analisis  Simulasi  Kekuatan dan  Pembuatan  Rangka  Kendaraan Sepeda Motor Listrik , Jurnal Konversi
Energi dan Manufaktur, Vol. 8, No. 1,
58-66
[7] Hadipratomo, W., 2005, Dasar-Dasar
Metode Elemen Hingga , PT. Danamartha Sejahtera Utama (anggota IKAPI), Bandung [8] Mustaqiem,  A.  D.,  Nurato,  2020, AnalisisPerbandingan Faktor Keamanan Rangka Scooter Menggunakan Perangkat Lunak Solidworks 2015 , Jurnal Teknik Mesin, Vol. 9, No. 3 164-172 [9] Wibawa,  L.  A.  N.,  2020, Studi Numerik  Pengaruh  Radius  Fillet  dan Ketebalan  Cap  terhadap  Tegangan
Von  Mises  dan  Faktor  Keamanan Silinder Berdinding Tipis untuk
Tabung Motor Roket , Jurnal Rekayasa Mesin Vol. 15, No. 1, 1-9
[10]  Setyono, B., Mrihenaningtyas, Hamid, A.,  2016, Perancangan  dan  Analisis Kekuatan Frame  Sepeda  Hibrid “Trisona”  Menggunakan  Software Autodesk  Inventor ,  Jurnal  IPTEK, Vol. 20, No. 2, 37-46