## Analisis defleksi dan kekuatan pada steering stem
sepeda motor dengan metode simulasi elemen hingga
Jamal Muhammad Afiff 1 , Tono Sukarnoto 1 , Mohammad Fajar Ramdhani 2
1 Staf Pengajar, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti 2 Mahasiswa, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti
Jl. Kyai Tapa No. 1 Grogol, DKI Jakarta 11440
Email korespondensi: jamal@trisakti.ac.id

## Abstrak
Industri otomotif dan manufaktur khususnya sepeda motor dituntut untuk terus berkembang, misalnya dengan penggantian jenis material untuk komponen tertentu agar lebih ekonomis namun tetap memenuhi fungsi. Sebagai contoh  perubahan  material  yang  sebelumnya  dibuat  dari  baja  cor  menjadi  aluminium  cor  untuk  komponen steering  stem  atau  biasa  disebut  dudukan  segitiga pada  sepeda  motor.  Kajian  ini bertujuan  mengkaji  apakah perubahan material steering stem dari baja cor SC450 ke aluminium cor AC4CH tetap aman untuk diaplikasikan pada sepeda motor jenis skuter matik (skutik). Dalam pelaksanaannya dilakukan simulasi pembebanan statis dari berat kendaraan ditambah penumpang dan beban impak disaat kendaraan melaju dengan kecepatan 40 km/jam. Analisis menggunakan metode elemen hingga dengan perangkat lunak Ansys. Hasil analisis menunjukan nilai defleksi tertinggi untuk material AC4CH sebesar 0,17 mm, sedangkan pada material SC450 sebesar 0,11 mm. Ada pun tegangan maksimum yang terjadi untuk AC4CH sebesar 181 MPa masih di bawah kekuatan material 250 MPa. Untuk material SC450, tegangan maksimum yang terjadi 233 MPa, masih di bawah kekuatan material 450 MPa. Dari hasil ini menunjukkan bahwa meskipun kekuatan aluminium cor AC4CH lebih rendah dari pada baja cor  SC450,  namun  AC4CH  masih  aman  untuk  diaplikasikan  sebagai  meterial  steering  stem  skutik  dengan keuntungan bobotnya lebih ringan.
Kata kunci : perubahan material, steering stem , defleksi, metode elemen hingga.

## Abstract
Manufacture and automotive industry, especially motorcycle needs to improve its product to stay competitive. one of those improvements is changing material of a certain part for economic reasons but still fulfill its function. Substituting from steel casting to aluminum casting for steering stem on motorcycle is an example. This study aims to examine the strength of aluminum casting AC4CH to substitute current material steel casting SC450 for steering stem of an automatic scooter. Simulation analysis was done for static load on two conditions. First, normal driving, vehicle weight and passengers’ weight, second impact load when motorcycle hit obstacle with velocity 40 km/h. The analysis with Finite Element Method (FEM) using Ansys. The analysis result for maximum deflection, 0.17 mm for AC4CH dan 0.11 mm for SC450. Maximum stress 181 MPa for AC4CH, below its tensile strength 250 MPa and 233 MPa for SC450, below its tensile strength 450 MPa. These result show that event the tensile strength of  AC4CH  is  lower  than  SC450  but  using  AC4CH  for  steering  stem  of  an  automatic  scooter  is  still  safe  with advantage in reducing weight.
Keywords: changing material, steering stem, deflection, finite element method.

## 1. Pendahuluan
Perkembangan  industri  otomotif  di  Indonesia  dalam beberapa  tahun  terkahir  menunjukan  perkembangan yang terbilang atraktif. Salah satu kajian menyatakan, data  yang  dipublikasikan  Gabungan  Industri Kendaraan  Bermotor  Indonesia  (GAIKINDO), mengenai  geliat  prospek  dan  tantangan  industri otomotif  Indonesia,  menyebutkan  sepanjang  tahun 2019  tercatat  1.100.950  unit  sepeda  motor  terjual, naik 19,4% dari tahun 2018 (922.123 unit) [1]. Tren kenaikan  juga  terjadi  pada  penjualan  mobil  dengan data 851.430 unit mobil terjual pada 2018, atau naik 10,85% dibanding dengan tahun 2017 (786.120 unit).
Dilihat dari perkembangan penggunaan material pada kendaraan otomotif pun saat ini telah terjadi peralihan penggunaan  material.  Kajian  yang  membahas
penggunaan pada komponen kendaraan sepeda motor maupun mobil diketahui bahwa, komponen berbahan dasar paduan besi beralih ke material berbahan dasar plastik  atau  paduan  aluminium  [2].  Kecenderungan ini menunjukkan bahwa penggunaan material dengan massa jenis tinggi akan dialihkan dengan penggunaan material  dengan  massa  jenis  yang  relatif  rendah. Peralihan penggunaan material dari massa jenis yang tinggi  juga  didasarkan  pada  adanya  penghematan terhadap bahan bakar yang digunakan dalam sebuah kendaraan. Dalam kajian yang telah dilakukan bahwa menggunakan  teknologi  yang  tepat  pada  komponen material  yang  ringan,  tetapi  kuat  untuk  mengurangi berat  kendaraan  akan  meningkatkan  efisiensi  dalam penggunaan bahan bakar minyak (BBM) [3].
Komponen  sepeda motor yang akan dilakukan studi perubahan material dari massa jenis tinggi ke rendah ini  salah  satunya  yakni  produk steering  stem atau biasa disebut dengan dudukan segitiga sepeda motor pada  sepeda  motor  jenis  skuter  matik.  Sebelumnya steering  stem dibuat  dari  baja  cor  seperti  SC450, logam  ringan  yang  akan  digunakan  untuk menggantikan  adalah  aluminum  cor  ( die  casting ) AC4CH.  Salah  satu  kajian  menyebutkan  bahwa AC4CH banyak digunakan pada komponen otomotif yang  berbentuk  kompleks  seperti,  blok  silinder, rumah  transmisi  dan  rumah  konverter  (torsi)  [4]. Kekuatan tarik AC4CH T6 minimum 250 MPa sesuai JIS H 5202 : 2010.
Pembebanan  yang  terjadi  pada steering  stem dapat mengakibatkan  adanya  defleksi,  sehingga steering stem ini harus memiliki kemampuan untuk menahan terjadinya defleksi dalam keadaan batas yang sesuai standar  dan  tidak  patah  disaat  sepeda  motor  dalam kedaan  menahan  beban  diam  atau  melakukan perjalanan.  Untuk  itu  perlu  dilakukan  analisis terhadap  distribusi  tegangan,  defleksi  akibat penggantian  jenis  material.  Metode  analisis  yang dilakukan  menggunakan  simulasi  metode  elemen hingga (MEH).
Sistem rangka sepeda motor merupakan suatu sistem yang  berfungsi  untuk  menunjang  kendaraan  dalam segi  basis  statis  dan  basis  dinamis.  Basis  statis  ini difungsikan  sebagai  penyangga  beban  pengemudi, penumpang,  mesin  dan  komponen  aksesoris penunjang  sepeda  motor  seperti  halnya  tangki  dan lain-lain.  Sedangkan  pada  basis  dinamis  ini  yakni difungsikan  untuk  menunjang  kepresisian  saat pengendara  sepeda  motor  mengemudi,  kemampuan good  roadhold,  handling ,  dan  kenyamanan pengendara  untuk  terhindar  dari  kelelahan  saat berkendara [5],[6].
Konstruksi steering  stem atau  biasa  disebut  dengan dudukan  segitiga  untuk  skutik  ditunjukkan  pada Gambar  1.  Bagian  bawah steering  stem menjepit bagian  atas shock  breaker jenis  telekopik  yang sekaligus  berfungsi  sebagai  konstruksi  pemegang roda depan dan sistem rem. Pada bagian atas steering stem terdapat shaft stem sebagai poros kemudi yang bisa berputar bebas pada rangka utama skutik.
Sambungan  jepit  antara shaft  stem dengan steering stem dilas  mati,  sedangkan  sambungan  jepit dengan batang shock breaker dikencangkan dengan baut.
Gambar 1 . Konstruksi steering stem pada skutik [7].
Metode elemen hingga digunakan untuk menyelesaikan  permasalahan  fisik  dalam  analisis engineering dan design . Permasalahan fisik biasanya melibatkan  kondisi  struktural  secara  aktual  untuk pembebanan tertentu. Keidealan suatu permasalahan fisik  membutuhkan  model  perhitungan  matematik kompleks  dan  membutuhkan  asumsi  tertentu  yang akan  mengantarkan  kepada  persamaan  diferensial sebagai  perintah  model  matematik,  dengan  metode analisis elemen hingga ini dapat menyelesaikan model matematika  tersebut  [8].  Konsep  dasar  dari  metode elemen  hingga  ini  adalah  dengan  diskritasi  atau membagi benda menjadi elemen-elemen yang saling terhubung  satu  sama  lain  oleh nodes ,  persamaan aljabar pun dapat dibuat  pada masing-masing nodes tersebut yang kemudian dapat diperoleh solusinya [9]. Beberapa  analisis  MEH  sebelumnya  dengan perangkat  lunak  Ansys  seperti,  analisis  kekuatan gerbong datar oleh [10], analisis lower guard frame oleh [11], menunjukkan dengan pemilihan parameter yang  tepat  perlu  disertai  pendekatan  analitis  agar menghasilkan hasil analisis yang cukup akurat.

## 2. Metode
Kajian  ini  dilakukan dengan pemodelan dari  ukuran sesungguhnya steering stem skuter matik. Dari model tadi kemudian dilakukan analisis MEH dengan Ansys. Analisis dilakukan untuk material baja cor SC450 dan aluminium  cor  AC4CH.  Gambar  2  menunjukkan diagram alir metode kajian.
Gambar 2 . Diagram alir kajian.
Pada tahap ini, pemodelan tiga dimensi (3D) produk dilakukan  dengan  cara  melakukan 3D scanning terhadap  produk  asli  dari steering  stem ,  seperti ditunjukkan pada Gambar 3(a). Kemudian dari hasil 3D scanning, selanjutnya dilakukan input data 3D ke dalam  CAD  menggunakan  Solidworks  untuk dilakukan perbaikan kesesuaian data 3D dengan data gambar  dua  dimensi  (2D),  seperti  ditunjukkan  pada Gambar 3(b).
Gambar 3. Pemodelan steering stem (a) hasil 3D scanning, dan (b) hasil pengolahan CAD.
Hasil  dari  data  3D  yang  telah  dilakukan  perbaikan dengan  Solidworks  ini  selanjutnya  dilakukan  proses penggambaran  model 3D assembly secara  utuh dengan  penambahan  model stem  shaft ,  seperti ditunjukkan  pada  Gambar  4(a).  Selanjutnya  setelah dilakukan  pemodelan  utuh  menggunakan shaft  stem lalu dilakukan transfer data model geometri 3D dari file  CAD  ke  dalam  file  CAE  dalam  bentuk file  stp. seperti yang digambarkan pada Gambar 4(b).
Gambar 4. Pemodelan assembly steering stem (a) pemodelan 3D CAD, dan (b) pemodelan 3D CAE.
Meshing dibuat  menggunakan  tetrahedral  pada daerah-daerah  yang  rumit  seperti  pada  lekukan geometri  karena  keunggulan mesh tetrahedral  yang mampu membentuk berbagai bentukan geometri yang rumit. Proses meshing
dilakukan dengan
SALOME_MECA mesh ,  seperti  ditunjukkan  pada Gambar 5.
Gambar 5. Hasil proses meshing.
Asumsi pembebanan digunakan untuk mempermudah analisis  pengujian steering  stem .  Pembebanan  yang diasumsikan dalam pengujian ini adalah pembebanan statis,  yaitu  sebesar  220  kg  berasal  dari  berat kendaraan  ditambah  dengan  berat  penumpang,  dan pembebanan  impak  akibat  tabrakan  ketika  sepeda motor melaju dengan kecepatan 40 km/jam.
Pada  simulasi  ini  digunakan solver Finite  Element Analysis  (FEA)  code_aster  yang  berada  di  dalam environment SALOME_MECA.  Adapun  kondisi batas utama yang digunakan adalah fixed support dan beban gaya.
Pengaturan fix  support digunakan  untuk  membatasi gerakan  landasan  ( bending )  baik  translasi  maupun rotasi. Fix support yang digunakan adalah pada luas permukaan  lubang  cekam  suspensi  depan  seperti dapat dilihat pada Gambar 6(a).
Pengaturan  beban  gaya  yakni  menempatkan  daerah yang diasumsikan sebagai permukaan yang dikenakan pembebanan, baik secara pembebanan statis maupun dinamis.  Beban  gaya  yang  dikenakan  adalah  pada badan steering  stem dengan  daerah  perumukaan dudukan  rangka  badan,  seperti  dapat  dilihat  pada Gambar 6(b).
Gambar 6. Pengaturan komputasi (a) area fix support , dan (b) area pembebanan gaya.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Distribusi  tegangan  akibat  pembebanan  statis  pada steering stem untuk material AC4CH-T6 dan SC450 menunjukan  nilai  maksimum  tegangan  yang  sama besar,  yaitu  15,9  MPa,  di  mana  tegangan  terbesar terjadi  pada  daerah rib penampang  bagian  bawah steering stem seperti ditunjukkan pada Gambar 7.
Pengujian  beban  impak  disimulasikan  ketika  roda depan kendaraan menabrak dalam kondisi lurus pada kecepatan 40 km/jam. Steering stem dengan material SC450 mengalami tegangan maksimum dengan nilai sebesar 233,55 MPa, pada posisi tengah antara lubang stem dengan shaft  stem ,  seperti  ditunjukkan  pada Gambar  8,  sedangkan  untuk  AC4CH-T6  tegangan bernilai sebesar 181,16 MPa seperti ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 7 . Distribusi tegangan akibat beban statis 220 kg.
Gambar 8. Hasil simulasi tegangan akibat beban impak untuk material SC450.
Gambar 9. Hasil simulasi tegangan akibat beban impak untuk material AC4CH-T6.
Defleksi  yang  terjadi  pada steering  stem dengan pembebanan  statis  terjadi  dengan  nilai  maksimum untuk  SC450  sebesar  0,00424  mm,  seperti ditunjukkan  pada  Gambar  10.  Sedangkan  untuk material  AC4CH-T6  defleksi  terjadi  sebesar  0,011 mm seperti pada Gambar 11.
Gambar 10. Hasil defleksi pembebanan statis untuk material SC450.
Gambar 11. Hasil defleksi pembebanan statis untuk material AC4CH-T6.
Defleksi maksimal pada  kedua material  terjadi pada daerah  tengah  bagian steering  stem atau  di  antara lubang stem dengan shaft stem .
Defleksi  yang  disebabkan  oleh  beban  impak  pada steering stem SC450, terjadi dengan nilai maksimum sebesar  0,115  mm  pada posisi  tengah  antara  lubang stem dan shaft stem seperti pada Gambar 12.
Gambar 12. Hasil defleksi pembebanan impak untuk material SC450.
Sedangkan  pada steering  stem AC4CH-T6,  defleksi terjadi  dengan  nilai  maksimum  sebesar  0,1754  mm pada  posisi  yang  sama  seperti  ditunjukkan  pada Gambar 13.
Gambar 13. Hasil defleksi pembebanan impak untuk material AC4CH-T6.
Rangkuman  keseluruhan  hasil  analisis  ditunjukkan pada  Tabel  1.  Dari  perbandingan  max /  u terlihat nilainya lebih besar dari 1, yang menunjukkan bahwa kedua  material  aman  untuk  menerima  beban  yang disimulasikan. Pada AC4CH-T6, nilainya 1,1 meski masih aman, perlu dilakukan penguatan pada bagian yang  kritis  agar  tegangan  maksimum  yang  terjadi mengecil.
Tabel 1. Data hasil analisis Ansys.
Material Jenis Beban Tegangan Von Misses (  max ) [MPa ] Kekuatan (  u ) [MPa ] Rasio  max /  u
[ - ] SC450 (1) 15,9 450 14,15 (2) 233 450 1,28 AC4CH (1) 15,9 270 12,26 (2) 181 270 1,1 Catatan:
(1) Beban Statis dan Dinamis (Mesin + Pengemudi)
(2) Beban Impak (Kecepatan 40 km/jam)

## 4. Kesimpulan
Distribusi  tegangan  pada steering  stem pembebanan statis dan dinamis memiliki nilai maksimum sebesar 15,9 MPa untuk kedua material, dengan area tegangan maksimum tersebut berada pada posisi rib penampang bawah, sedangkan nilai maksimum pada pembebanan dengan  kondisi  sepeda  motor  menabrak  pada kecepatan 40 km/jam yakni bernilai sebesar 233 MPa untuk  SC450,  dan  181  MPa  untuk  AC4CH-T6, dengan area tegangan maksimum pada tengah antara lubang stem dan shaft stem .
Nilai  defleksi  tertinggi  terjadi  pada  pembebanan impak,  dan  terlihat  bahwa  pada  bahan  AC4CH-T6 memiliki nilai maksimum yang lebih tinggi 0,175 mm dibandingkan  dengan  bahan  SC450  dengan  nilai maksimum 0,116 mm.

## Ucapan Terima Kasih
Terima  kasih  kepada  PT  Astraotoparts  Divisi Nusametal  yang  telah  memberi  kesempatan  kepada penulis  untuk  menggunakan  salah  satu  model komponen dalam analisis ini.

## Daftar Pustaka
[1]  S.  N.  Hidayah,  (2019).  Geliat,  Prospek,  dan Tantangan Industri Otomotif Indonesia. GAIKINDO, JAKARTA.
[2]  I.  N.  Prima,  (2010).  Pengaruh  Penambahan  Fe dan Sr Terhadap Pembentukan Fasa Intermetalik dan Nilai Fluiditas Metode Vakum pada Paduan Al-7 % Si dan Al-11 % Si. Disertasi Universitas Indonesia .
[3]  B.  Sitorus,  R.  D.  R.  Hidayat,  and  O.  Prasetya, (2014).  Pengelolaan  Penggunaan  Bahan  Bakar Minyak  yang  Efektif  pada  Transportasi  Darat. Jurnal  Manajemen  Transportasi  dan  Logistik , vol. 01, no. 02, pp. 117–126.
[4]  M.  Okayasu,  Y.  Miyamoto,  K.  Morinaka, (2015).  Material  Properties  of  Various  Cast Aluminum Alloys Made  Using a Heated Mold Continuous Casting Technique with and without Ultrasonic  Vibration. Metals 2015,  5,  1440- 1453; doi:10.3390/met5031440.
[5]  J.  Heckman,  R.  Pinto,  and  P.  A.  Savelyev, (1967). Motorcycle  Handling  And  Chassis Design .  Angew.  Chemie  Int.  Ed.  6(11),  951–
952.
[6]  V.  Cossalter,  (2006) Motorcycle  Dynamics (Second Edition).
[7]  PT.  Astra  Honda  Motor,  (2016),  Spesifikasi Motor Honda Beat. http://www.astra- honda.com/produk/kendaraan/beat -esp/.
[8]  S. S. Rao, (2010). The Finite Element Method in Engineering . Elseiver Butterworth-Heinemann.
[9]  M.  D.  Nugraha,  (2019).  Analisa  Numerik Kekuatan  Velg  Sepeda  Motor  Yang  Dibebani Dengan Beban Impact,” Tugas Akhir UMSU, p. 10.
[10]  T.  Andreas,  T  Sukarnoto,  Soeharsono,  (2019). Analisis Kekuatan Struktur pada Gerbong Datar. MESIN , Volume 10 Nomor 1, Januari 2019, hal. 29-34
[11]  T.  Sukarnoto,  R.  H.  Nugroho,  and  Y.  Mujalis, (2021).  Pengujian  dan  Analisis  Lower  Guard Frame pada Kendaraan Bak Terbuka Menggunakan  Metode  FEA  Static  Analysis. Journal  of  Mechanical  Engineering  & Mechatronics vol. 6, no. 1, pp. 22–31, 2021.