ANALISA KEGAGALAN PEGAS DAUN ( LEAF SPRING ) PADA TOYOTA KIJANG KAPSUL 7K-EI TAHUN 2000
Taufiq Hidayat 1
Program Studi Diploma III Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muria Kudus Gondangmanis, Bae, PO. BOX 53, Kudus, Telp: 0291-438229, Fax: 0291-437198 E-mail: muria@umk.ac.id , Website: http://www.umk.ac.id

## ABSTRAK
Pegas  daun  merupakan  salah  satu  pegas  yang  paling  banyak  digunakan  pada  kendaraan  minibus termasuk Toyota Kijang Kapsul 7K-EI tahun 2000.Dalam suspensi kendaraan, saat roda bertemu dengan  halangan,  pegas  membuat  roda  mampu  melewati  halangan  dengan  adanya  pergerakan naik-turun pada roda dan kemudian menyebabkan roda kembali seperti posisi semula. Pada Toyota Kijang  Kapsul  7K-EI  tahun  2000,  pegas  daun  bagian  belakang  kanan  nomor  3  mengalami  patah (crack). Paper ini berupa kajian analisa gaya yang terjadi pada pegas daun pada mobil Kijang seri K,  yang  diawali  dari  beban  yang  terjadi,  sampai  pada  patahnya  pegas  daun.  Metode  yang dilakukan adalah pengambilan sampel  untuk diuji kekerasannya, pengamatan bentuk patahannya, perhitungan  tegangan  dan  defleksi  yang  terjadi,  yang  kemudian  di  analisa  penyebab  patahnya pegas  daun  tersebut.  Dari  hasil  analisa  kegagalan,  dapat  disimpulkan  bahwa  pegas  daun  dapat patah  pada  pembebanan  lebih  dari  2500  kg.  Kenyataannya  beban  total  yang  bisa  diangkut  mobil Toyota  Kijang  7K  hanya  sebesar  2000  kg.  Maka  bisa  disimpulkan  bahwa  pegas  patah  bukan karena beban berlebih, tetapi kemungkinan karena kendaraan terperosok lubang dalam kecepatan tinggi,  sehingga  menimbulkan  beban  kejut  yang  tinggi  pula,  atau  umur  lelah  pegas  yang  sudah terlampaui.
Kata kunci: pegas daun, crack , tegangan, defleksi.

## ABSTRACT
Leaf spring is one of the most widely used on vehicles including on Toyota Kijang kapsul minibus 7K-EI 2000. In the vehicle suspension, while the wheels meet with an obstacle, springs make the wheel is able to bypass an obstacle by the movement up and down on the wheel and then cause the wheel back as the starting position. Toyota Kijang Capsule at 7K-EI in 2000, right rear leaf spring broke  number  3  (crack).  This  paper  analyzes  a  study  of  style  that  occurred  on  leaf  springs  at Kijang  K  series,  which  begins  from  the  expenses  incurred,  up  to  the  broken  spring  leaf.  The method is carried out sampling for testing hardness, fracture observation form, the calculation of stresses and deflections that occur, which then analyzes the causes of fracture of the leaf spring. From the analysis of failure, it can be concluded that the leaf spring can fracture on loading more than  2500  kg.  The  fact  that  the  total  load  can  be  transported  by  Toyota  Kijang7Konly  2000  kg. Then it can be concluded that spring break is not due to overload, but probably due to sink holes in the vehicle at high speed, giving rise to high shock loads as well, or spring fatigue life that has been exceeded.
Keywords: leaf spring, crack, stress, deflection.
1 Dosen Program Studi Diploma III Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muria Kudus, e-mail: ophiqhd@yahoo.co.id.

## PENDAHULUAN
Pegas  merupakan  komponen  yang didesain memiliki kekakuan yang relatif rendah dibanding  dengan rigid normal,  sehingga memungkinkan  untuk  menerima  gaya  yang dibebankan  padanya  sesuai  dengan  tingkatan tertentu. Pegas tidak seperti komponen struktur lain  dalam  hal  kekuatan  waktu  terbebani  serta kemampuan  menyimpan  energi  mekanis  setiap saat.  Dalam  suspensi  kendaraan,  saat  roda bertemu dengan halangan pegas membuat roda mampu  melewati  halangan  dengan  adanya pergerakan naik turun pada roda dan kemudian menyebabkan  roda  kembali  keposisi  semula. Pegas  daun  yang  digunakan  sebagai  suspensi kendaraan  darat  baik  untuk  kendaraan  roda empat  maupun  mobil  adalah  salah  satu komponen  utama  untuk  meredam  adanya getaran  yang ditimbulkan oleh eksitasi-eksitasi gaya luar saaat kendaraan bergerak[1].
Bentuk beam adalah dasar dari banyak pegas  daun. Beam sendiri  adalah  rangkaian baja  panjang  berbentuk  persegi  yang  kedua ujungnya  dikaitkan.  Defleksi  dari  beban  pada ujung cantilever dapat diperhitungkan, tergantung  dari  geometris  dari cantilever dan modulus  elastisitas,  seperti  yang  di  prediksi oleh teori dasar beam . Bentuk dasar pegas daun seperti pada Gambar 1a.
Jadi  pegas  daun  adalah  pegas  yang berbentuk  plat  dasar  ( flat  plats )  dengan  lebar tertentu  dan  dikenai  beban  lateral  yang menjadikan  plat  mengalami bending .  Konsep dasar pegas daun adalah batang cantilever yang diberi  beban  lateral  pada  ujungnya  dan  ujung yang  lain  dijepit  sehingga  batang cantilever terdefleksi dan mempunyai radius curvature . Pengertian dari radiuscurvature dapatdijelaskan
sebagai berikut.  Saat  kitamengendaraimobil  di  jalan yang  melengkung,dan  kemudi  kita  kunci dalamposisimembelok,sehinggamobilselanjutn yamengikutilingkaransempurna.Mobilakan,tent u saja,menyimpangdarijalan,kecualijalanjugam erupakanlingkaransempurna.  Jari-jarilingkaran yang  dibuat  oleh  mobil itulah  yang  disebut radius
curvature
dari jalanmelengkungpadatitikdimanarodakemudite rkunci.Semakin  tajam  lengkungan  dari  jalan padatitikkita
menguncikemudi,semakin
kecil radius curvature [2]. Batang cantilever yang  terdefleksi  ini kemudian  dijadikan  bentuk  awal  tanpa  beban dari pegas daun sehingga radius curvature dari pegas daun sama dengan radius curvature dari batang cantilever yang  terdefleksi  dan  bila pegas  daun  diberi  beban  yang  sama  dan  arah yang  berlawanan  dengan  batang cantilever maka  pegas  daun  akan  terdefleksi  yang
berbentuk  horizontal  seperti  batang cantilever tanpa beban.
Gambar 1. (a). Bentuk dasar dari pegas daun.
(b). Jenis pegas daun semi-elliptic [3].
Jenis  pegas  daun  yang  paling  banyak digunakan adalah tipe semi-elliptic seperti pada Gambar 1b. Keuntungan utama dari pemakaian pegas daun adalah bahwa pegas jenis ini dapat mengontrol  gerakan  mengayun  ( sway )  dan gerakan  lateral.  Alasan  inilah  yang  membuat pegas  jenis  ini  dipakai  pada  suspensi  bagian belakang  pada  kendaraan  yang  menggunakan sistem  penggerak  roda  belakang  ( rear  wheel drive ) terutama yang digunakan untuk membawa  beban  berat  (manusia  maupun barang).  Karena  itulah  pegas  daun  banyak digunakan  pada  kendaraan  roda  empat  jenis station  wagon seperti  kijang,  kuda,  panther, serta  kendaraan-kendaraan  besar  seperti  bus dan  truk.  Konstruksi  pegas  daun  dan  letaknya dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. (a). Konstruksi dari pegas daun[4].
(b). Letak pegas daun di kendaraan[5].
Penelitian  terdahulu  pernah  dilakukan oleh  Clarke  dan  Borowski  [6]  dengan  judul “ Evaluation  of  A  Leaf  Spring  Failure ”  yang dimuat  dalam Journal  of  Failure  Analysis  and Prevention .  Mereka  meneliti  kegagalan  pegas daun  kendaraan  besar.  Patahan  terjadi  pada s pring  eye .  Analisis  yang  dilakukan  berupa analisis  mikrografi  dengan  SEM  dan  analisis
(a)
(b)
tegangan  dengan  metode  elemen  hingga dengan  bantuan  software  ALGOR.    Mereka menyimpulkan  bahwa  patahnya  pegas  daun karena berbagai faktor, yaitu adanya pemisahan sulfur  pada midplane dapat  memperlemah pegas,  pegas  patah  karena  suatu  kecelakaan, jalanan yang rusak dapat membuat pegas patah, serta umur pegas yang sudah tua.
Penelitian  lain  dilakukan  oleh  Gulur Siddaramanna Shiva Shankar [4] yang meneliti tentang  desain  pegas  daun  dengan  bantuan software dengan analisa tegangan  yang terjadi. Daryono  [1]  dari  Universitas  Muhammadiyah Malang  menganalisa  umur  pegas  daun  pada kendaraan  roda  4.Umur  pemakaian  pegas  atau komponen yang bekerja dengan beban dinamis ini  didasarkan  pada  kekuatan  lelahnya  untuk pemakaian  diatas  satu  juta  siklus  pembebanan. Pemakaian optimal pegas daun sekitar 100.000 km.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui  penyebab  patahnya  pegas  daun belakang  nomer  3  dari  kendaraan  Toyota Kijang  kapsul  7K-EI  tahun  2000.  Hipotesa patahnya  pegas  daun  tersebut  adalah  beban yang  berlebih,  cacat  material,  dan  umur  lelah material yang sudah dilampaui.

## METODOLOGI ANALISA KEGAGALAN
Struktur  dirancang  untuk  mencegah kegagalan  dimana  ketidakmampuan  sebuah komponen melakukan fungsinya dapat diistilahkan  sebagai  kegagalan.  Kegagalan dapat  terjadi  bila  bahan  pertama-tama  meluluh ( yield ).  Oleh  karena  itu  batas  luluh  banyak dipakai  sebagai  kriteria  kegagalan.  Sejumlah teori  dikembangkan  dengan  menghubungkan tegangan-tegangan  utama  pada  sebuah  titik pada bahan (σ 1 , σ 2 , σ 3 ) terhadap kekuatan luluh bahan  tersebut  (σ y ).  Tujuannya  adalah  untuk meramalkan  kapan  peluluhan  pertama  akan terjadi  dibawah  kondisi  pembebanan  yang tertentu.  Teori  kegagalan  ini  juga  disebut  teori geser  ( shear  energy  theory )  dan  teori  von- Misses-Hencky. Teori ini sedikit sulit pemakaiannya  dari  pada  teori  tegangan  geser maksimum,  dan  teori  ini  adalah  teori  yang terbaik  untuk  dipakai  pada  bahan  ulet.  Seperti teori  tegangan  geser  maksimum,  teori  ini dipakai  hanya  untuk  menjelaskan  permulaaan bahan mengalah[7]. Dalam paper ini, kegagalan  yang  terjadi  adalah  patahnya  bilah pegas daun nomer 3, seperti pada Gambar 3.
Gambar 3. Letak pegas yang patah
Ada beberapa tahapan yang dilakukan dalam  menganalisa  kegagalan  pegas  daun Kijang  K.  Pertama,  melakukan  pengamatan dimensi/ukuran  yang  ada  pada  pegas  daun, berupa  panjang  pegas  setiap  bilah,  lebar  pegas dan tebal pegas. Kemudian pengujian kekerasan
untuk mengetahui harga kekerasannya  dan  mengamati  bentuk  patahan yang  terjadi.  Hal  ini  memberikan  data  awal sebagai acuan perhitungan dalam menganalisa.
Fungsi  utama  dari  pegas  daun  adalah memberikan  nilai  pantulan  akibat  beban  yang diterima sehingga dapat memberikan kenyamanan.  Oleh  karena  itu  perlu  dilakukan perhitungan tegangan maksimal, momen bending dan defleksi yang terjadi.
Dari  pengukuran  dimensi  pegas  daun serta analisa perhitungan tegangan dan defleksi yang  terjadi  pada  pegas  daun  maka  dapat diketahui  defleksi  maksimal  dan  beban maksimal  yang  mampu  ditahan  oleh  pegas daun  tersebut.  Diagram  alir  analisa  kegagalan dapat dilihat pada Gambar 4.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari pengamatan secara visual, patahan terjadi pada bilah pegas daun nomor 3 seperti ditunjukkan pada gambar 3.  Spesifikasi Toyota Kijang kapsul 7K-EI tahun 2000ditabulasikan pada Tabel 1.Sedangkanspesifikasi  pegas  daun  dari  hasil pengukuran ditampilkan pada Tabel 2.
Tabel 1. Sepesifikasi Toyota Kijang 7K-EI Tahun 2000[8]. Mesin 7K-EI Panjang total 4155 mm Lebar total 1670 mm Tinggi total 1775 mm Jarak poros roda 2650 mm Front tread 1445 mm Rear tread 1410 mm Ground clearance 170 mm Berat kosong 1100 kg Jenis suspensi belakang Rigid axle , leaf spring
Hasil  pengukuran  dimensi  pegas  daun  sebagai berikut dapat dilihat pada Tabel 2 berikut.
Tabel 2. Spesifikasi Pegas Daun Toyota Kijang
7K-EI Tahun 2000. Panjang pegas ke-1 1220 mm Panjang pegas ke-2 1220 mm Panjang pegas ke-3 1020 mm Panjang pegas ke-4 920 mm Panjang pegas ke-5 380 mm Lebar pegas 70 mm Tebal pegas 7 mm
Pengujian  kekerasan  dilakukan  untuk mengetahui  nilai  kekerasaan  material  dari pegas  daun  dan  untuk  menilai  bahwa  material tersebut kekerasannya seragam atau tidak. Dari pengujian  kekerasan  diperoleh  hasil  seperti pada Tabel 3. Harga kekerasan rata-rata adalah 70,7 HRA.
Tabel 3. Hasil pengujian kekerasan bilah pegas yang patah.
Tipe: Rockwell HRA diamond Beban: 60 kg Percobaan ke- Kekerasan (HRA) Percoba an ke- Kekerasan (HRA) 1 68,4 11 71,0 2 70,6 12 67,1 3 70,8 13 71,4 4 70,8 14 71,6 5 70,8 15 70,9 6 69,6 16 71,5 7 70,1 17 71,3 8 71,9 18 71,2 9 71,6 19 70,0 10 71,6 20 71,3 Rata-rata 70,7
Nilai  kekerasan  pegas  daun  bisa dianggap seragam dan homogen di semua titik. Hal  ini  menunjukkan  bahwa  material  pegas tersebut  cukup  baik  dari  segi  produksi  dan sesuai  dengan  standar  spesifikasi  baja  pegas. Jadi  kegagalan  bukan  dari  segi  material.
Pengamatan patahan pegas daun :
- Lokasi - Bentuk - Material properties Prediksi Kegagalan - Cacat material
- Beban dinamik yang melebihi batas YieldStrength
- Umur lelah material yang sudah dilampaui
Analisa Kegagalan
- Pengujian kekerasan - Perhitungan tegangan dan defleksi
Kesimpulan - Kekerasan sesuai standar material pegas daun, dan nilainya seragam menunjukkan bahwa cacat material sangat sedikit.
- Tegangan maksimal jarang tercapai, tapi kemungkinan beban kejutsering terjadi.
- Umur lelah material sudah dilampaui [1]

## Selesai
Gambar 4. Diagram Alir Analisa Kegagalan
Berbagai  macam  material  untuk  pegas  daun dapat dilihat pada Tabel 4 di bawah ini.
Tabel 4. Material untuk pegas daun[9].
Menurut PT. Nasmoco dalam bukunya New  Step  1[10],  pada  Toyota  Kijang  7K-EI material  yang  digunakan  untuk  pegas  daun adalah baja karbon AISI 1095 yang mempunyai  Modulus  Young  sebesar  207.000
MPa.
Diagram  tegangan  yang  terjadi  pada pegas  daun  diilustrasikan  seperti  pada  Gambar 5 dan Gambar 6.
Gambar 5. Diagram tegangan yang terjadi pada pegas daun[11].
Untuk  perhitungan  momen  bending, tegangan  maksimal  dan  defleksi  yang  terjadi pada  pegas  daun  dapat  dihitung  dengan  rumus sebagai berikut [11].
Gambar 6. Diagram tegangan semi-elliptic leaf spring [11].
Keterangan: l = panjang pegas
b = lebar pegas t = tebal pegas W = beban y = rise of crown above the level of the ends Momen bending: (1) Momen Inersia: (2)
n= jumlah bilah pegas Defleksi yang terjadi:
(3)

## Tegangan maksimum yang terjadi
(4)
Dengan  asumsi  jumlah  penumpang maksimal 8 orang dan setiap orang mempunyai berat  80  kg,  maka  beban  total  dengan  berat kendaraan  (1100  kg)  adalah  sebesar  1740  kg. Ditambah  dengan  barang  bawaan  sebesar  260 kg,  total  beban  yang  diterima  adalah  2000  kg. Hasil  perhitungan  dapat  dilihat  pada  Tabel  5 berikut.
Tabel 5. Hasil perhitungan tegangan pada pegas daun. Beban (kg) Momen Bending (kgmm) Tegangan maksimum (kg/mm 2 ) Defleksi (mm) 1000 -76250 21,34110787 27,40174686 1500 -114375 32,01166181 41,10262029 2000 -152500 42,68221574 54,80349371 2500 -190625 53,35276968 68,50436714 3000 -228750 64,02332362 82,20524057 3500 -266875 74,69387755 95,906114 4000 -305000 85,36443149 109,6069874
Menurut referensi, ultimate tensile strength dari baja AISI 1095 adalah 98,43 kg/mm 2 dan yield strength  sebesar  58,35  kg/mm 2 [12]. Dari  hasil perhitungan  di  atas  terlihat  bahwa  pada pembebanan  2500  kg  tegangan  maksimum yang  terjadi  sebesar  53,  35  kg/mm 2 sedangkan yield  strength  baja  sebesar  58,35  kg/mm 2 .  Hal ini  menunjukkan  bahwa  kendaraan  hanya  bisa menahan  beban  maksimal  sebesar  2500  kg. Apabila dihitung berat kendaraan yang sebesar 1100  kg,  berat  penumpang  8  orang  masing- masing 80 kg dan barang bawaaan sebesar 260 kg,  maka  total  beban  yang  diterima  sebesar 2000 kg, masih jauh dari beban maksimal yang diperbolehkan. Nilai defleksi yang yang terjadi akibatpembebanan  semakin  meningkat  seiring
denganmeningkatnya  beban  yang  diberikan pada pegas daun.

## KESIMPULAN
Dari  hasil  analisa  kegagalan,  dapat disimpulkan  bahwa  kekerasan  pegas  daun sudah sesuai standar material pegas daun yaitu AISI  1095,  dan  nilainya  seragam  di  sebagian permukaan.  Hal  tersebut  menandakan  bahwa material  tersebut  sangat  sedikit  cacatnya.  Dari perhitungan tegangan dan defleksi, pegas daun dapat  patah  pada  pembebanan  lebih  dari  2500 kg. Dengan berat kendaraan berkisar pada 1100 kg,  ditambah  dengan  beban  penumpang  atau barang  maksimal  1400  kg.  Kenyataannya beban  total  yang  bisa  diangkut  mobil  Toyota Kijang  7K  hanya  sebesar  2000  kg.  Maka bisadisimpulkan bahwa
pegas patah
bukankarena faktor material  dan beban berlebih, tetapi kemungkinan karena kendaraan terperosok  lubang  dalam  kecepatan  tinggi, sehingga menimbulkan beban kejut yang tinggi pula,  atau  umur  lelah  pegas  yang  sudah terlampaui.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Daryono, 2007, Analisa Umur Pegas Daun Pada  Suspensi  Kendaraan  Roda  Empat , Universitas Muhammadiyah Malang.
2. www.ehow.com (20 Desember 2010).
3. Child,  P.,  2004, Mechanical  Design ,  2nd Edition, Elsevier.
4. Shankar,  G.S.S.,  Vijayarangan,  S.,  2006, Mono  Composite  Leaf  Spring  for  Light Weight  Vehicle  –  Design,  End  Joint Analysis  and  Testing ,  Journal  of  Materials Science (Medžiagotyra). Vol. 12, No. 3.
5. www.engineersedge.com (20 Desember 2010).
6. Clarke,  C.K.,  Borowski,  G.E.,  2005, Evaluation  Of  A  Leaf  Spring  Failure , Journal Of Failure Analysis And
Prevention.
7. Ramachandran, V., Raghuram, A.C., Krishnan,  R.V.,  Bhaumik,  S.K.,  2005,
Failure Analysis Of Engineering Structures
Methodology  And  Case  Histories ,  ASM International.
8. www.nasmoco.co.id (20 Desember 2010)
9. Shigley,  J.E.,  1996, Standard  Handbook  of Machine Design , 2nd Edition.
10. Toyota, New Step1 , Toyota Astra Motor.
11. Hall, A.S., 1961, Machine Design , McGraw
Hill.
12. ______,  1980, Manual  on  Design  and Application  of  Leaf  Springs ,  SAE  HS  788, Society of Automotive Engineers, Warrendale, PA, USA.

## DATA DIRI
Nama : Taufiq Hidayat, ST Alamat : Getas Pejaten Rt. 8 Rw. 4 Jati Kudus Fakultas : Teknik Program Studi : Teknik Mesin Email : ophiqhd@yahoo.co.id