## Perancangan dan Simulasi Desain Rangka Sepeda Motor Listrik Tipe Trellis Menggunakan Finite Element Analysis
Gatot Eka Pramono # , Ari Hidayat, Roy Waluyo Program Studi Teknik Mesin, Universitas Ibn Khaldun Bogor Jl. K. H. Soleh Iskandar KM. 2 Kedung Badak, Bogor 16161, Indonesia
# Gatot@uika-bogor.ac.id

## Abstrak
Sepeda motor listrik merupakan salah satu kendaraan yang memanfaatkan tenaga listrik sebagai sumber tenaganya. Listrik  sebagai  sumber  energi  disimpan  di  dalam  baterai.  Energi  listrik  yang  tersimpan  diubah  menjadi  energi  gerak menggunakan  motor  listrik.  Salah  satu  komponen  penting  dalam  motor  adalah  rangka.  Rangka  berfungsi  untuk mendukung  keberadaan  komponen-komponen  diantaranya  motor  listrik,  transmisi,  baterai,  pegas  dan  lain-lain.  Pada rangka pulalah dipasangkan body kendaraan. Dalam penelitian ini dilakukan perancangan rangka sepeda motor listrik tipe trellis. Tipe trellis dipilih  karena  mudah  didesain  dan  dapat  menyokong  dan  memberi  dudukan  yang  kuat.  Analisis kekuatan  rangka  menggunakan Finite  Element  Analysis (FEM). Software yang  digunakan  adalah Autodesk  Inventor- Simulation  Mechanical .  Penelitian  ini  bertujuan  mendapatkan  distribusi  tegangan,  regangan,  dan displacement sebagai pertimbangan dalam menentukan dimensi dan material yang tepat, yang akan digunakan pada rangka sepeda motor listrik. Pengujian statik dari kedua model desain rangka dengan memberi beban 120 kg, 130 kg, 140 kg, 150 kg, dan 170 kg. Untuk menentukan desain terbaik dari hasil pengujian static dengan nilai hasil tegangan maksimal dari pembebanan terbesar 170 kg adalah 16,15 N/mm 2 , defleksi 0,05 mm, dan nilai safety factor 19,6 E+ 02, maka dipilih desain rangka 2 untuk sepeda motor listrik. Berdasarkan hasil analisa dari kedua desain rangka sepeda motor listrik mendapatkan hasil simulasi kekuatan dan safety factor terbaik sehingga aman digunakan.
Kata kunci: FEM, rangka, trellis , sepeda motor listrik, tegangan

## Abstract
The electric motorcycle is one of the vehicles that use electricity as a source of energy.  In a battery as a source of energy  is  stored.    Electrical  power  converted  into  motion  point  using  an  electric  motor.  The  frame  an  essential component of an electric motor.  The frame functions to support the existence of elements, including;  electrical motor, transmissions, batteries, springs, and others.  on the framework also paired the vehicle body.  In this study, the design motorcycle frame  using the  trellis type.  It chooses because easy to design and can support and provide a firm stand. Frame  strength  analysis  uses  the  finite  element  method.  The  software  used  is  Autodesk  Inventor  Simulation Mechanical.  This  study  aims  to  get  the  distribution  of  stress,  strain,  and  displacement. The  simulation  result  uses  as determining the exact dimensions and that the framework material used. Static testing by giving a load of 120 kg, 130 kg, 140 kg, 150 kg, and 160 kg. The best design of the results, with the maximum stress value from the highest loading 160  kg  =  1.615  N  /mm 2 .  The  maximum  deflection  is  0.0050  mm,  and  the  value  of  the  safety  factor  is  1.96E+02 . It selected frame design 2 for the electric motorcycle.  Optimization of stress distribution and deflection is at the end of the frame.  Conclusion: Based on the results of the analysis of the two electric motorbike frame designs, get the best power and safety simulation results, so it is safe to use.
Keywords: FEM, Frame, Trellis, electric motorcycle, stress

## I. P ENDAHULUAN
Masalah  polusi  dari  penggunaan  sepeda  motor merupakan  salah  satu  faktor  penting  yang  harus
diperhatikan  dalam  menjalankan  aktivitas  sehari- hari,  karena  salah  satu  faktor  penyumbang  polusi udara yang paling besar adalah kendaraan [1]. Asap kendaraan yang diproduksi oleh milyaran
kendaraan setiap harinya akan menyebabkan polusi udara.  Oleh  karena  itu,  perlu  mencari  kendaraan alternatif yang cukup potensial
untuk
menggantikannya, salah satunya dengan
mengembangkan  sepeda  motor  listrik  yang  relatif lebih  ramah  lingkungan  [2].  Sepeda  motor  listrik merupakan salah satu kendaraan yang memanfaatkan  tenaga  listrik  sebagai  sumber tenaganya.  Energi  listrik  disimpan  dalam  baterai yang  kemudian  diubah  menjadi  energi  mekanik menggunakan motor  listrik [3].
Beberapa  peneliti  telah  melakukan  upaya pengembangan  sepeda  motor  listrik  diantaranya; Nurhadi  mendesain  sepeda  motor  listrik  yang dibuat  menggunakan  penggerak  motor  DC,  serta menguji kecepatan kendaraan terhadap arus baterai yang  digunakan  dan  pengaruh  variasi  berat pengemudi.  Dari  penelitian  diperoleh  hasil  berupa proptipe  sepeda  motor  listrik  mini  dengan kecepatan  maksimal  20  km/jam.  Berat  pengemudi 19,5 – 29,4 kg dan kecepatan motor 10-20 km/jam [2].  Suwandi  dkk.  melakukan  penelitian  tentang manufaktur  prototipe  konstruksi  rangka  sepeda motor listrik kapasitas 1 kW dengan penggerak roda belakang [4].
Pada  kendaraan  bermotor,  rangka  merupakan bagian  terpenting  yang  akan  menahan  dan  sebagai tempat  dudukan  berbagai  macam  komponen- komponen,  serta  mendukung  beban  komponen tersebut  pada  sistem  kendaraan.  Perhitungan kekuatan  rangka  merupakan  hal  yang  sangat penting  unuk  memastikan  rangka  mampu  menahan beban. Perhitungan kekuatan rangka dapat dilakukan  secara  manual  ( hand  calculation )  atau dengan  menggunakan Finite  Element  Analysis (FEA).  Banyak software yang  bisa  digunakan seperti  Solidworks  [5],  Autodesk  Inventor  [6], CATIA  [7],  dan  Ansys  [8].  FEA  telah  banyak digunakan sebagai tool analysis untuk memperoleh gambaran  distribusi  tegangan  dan  memprediksi kekuatan  struktur  [9].  Penggunaan  FEA  dalam memprediksi  kekuatan  suatu  konstuksi  sistem mekanikal  dapat  menekan  biaya  desain  bila dibandingkan dengan eksperimen [10].
Dalam penelitian ini, akan dilakukan perancangan rangka dan simulasi rangka sepeda motor listrik. Rangka yang akan dibuat  menggunakan rangka tipe trellis  frame ,  karena  tipe  ini  mudah  didesain . Selain  itu,  rangka  tipe  ini  dapat  menyokong  dan memberi  dudukan  yang  kuat  dari  beban  yang  akan diterima  oleh  rangka  [11].  Penelitian  ini  bertujuan mendapatkan hasil imulasi terbaik. Simulasi dilakukan dengan  memvariasikan  dua  model  rangka  dan  variasi beban simulasi. Dari hasil simulasi akan dipilih model rangka  yang  memiliki  tegangan, displacement , dan strain paling rendah serta memiliki safety factor paling
tinggi.  Proses  simulasi  model  rangka  menggunakan software Autodesk Simulation Mechanical 2017.

## II. M ETODE P ENELITIAN
Diagram  alir  penelitian  seperti  terlihat  pada Gambar 1.
Dalam penelitian ini dilakukan analisis kekuatan rangka menggunakan tool FEA Autodesk Simulation  Mechanical .  Dua  desain  model  rangka disimulasikan  menggunakan static  analysis .  Dalam simulasi  akan    membandingkan  distribusi  dan besarnya tegangan , displacement , regangan ,  serta nilai safety  factor . Material  yang  digunakan  dalam simulasi disesuaikan dengan material yang tersedia dipasaran yaitu AISI 1015.
Desain  rangka  ini  menggunakan  konsep  sepeda motor jenis Supermoto yang mampu digunakan hampir di segala medan jalan yang terjal. Setelah  didapatkan model  desain  terbaik,  dilakukan  optimasi  untuk dapat  menguragi  tegangan  dan displacement yang terjadi  dengan  menambahkan  memberi  radius  pada bagian  yang  dianggap  perlu.  Tahapan  yang dilakukan  dalam  perancangan  ini  adalah  membuat dua  desain  perancangan  rangka  tipe trellis    frame dan  menentukan  jenis  bahan  yang  dipakai, melakukan static analyis kontruksi rangka menggunakan Autodesk  Simulation  Mechanical , dan analisis data hasil simulasi.
Desain  rangka  yang  akan  dibandingkan  seperti terlihat  pada  Gambar  2.  Material  yang  digunakan dalam  pembuatan  rangka  ini  adalah  besi  Hollow AISI 1015.
Dengan komposisi kimia: - Karbon max . = 0,13 – 0,18 % - Iron (Fe) = 99,13 – 99,57 % - Sulfur (S) =  0,050  %
- Posfor max . =  0,040 %
- Belerang max . = 0,01 – 0,06 %
Sifat mekanik:
- Tegangan luluh = 325 Mpa
- Tegangan tarik
= 385 Mpa - Elongation = 21 %
Desain  rangka  1  menggunakan  Hollow  ukuran 30  x  30  x  3  mm  dengan  material  AISI  1015.
Spesifikasi desain sebagai berikut: - Panjang rangka = 800,37 mm - Lebar rangka = 226 mm - Total Hollow = 8 pcs Desain  rangka  2  menggunakan  Hollow  ukuran
50 x 25 x 1,4 mm dengan tipe material AISI 1015. Spesifikasi desain rangka 2 adalah sebagai berikut:
- Panjang rangka = 761,29 mm - Lebar rangka = 220 mm
- Total Hollow = 15 pcs
Dari dua model desain rangka yang telah dibuat, maka  proses  selanjutnya  melakukan  simulasi static analysis menggunakan  Simulation  Mechanical. Kedua  desain  rangka  akan  diberikan  beban keseluran  total  rangka  dengan  beban  120  kg,  130 kg,  140  kg  150  kg  dan  170  kg.  Optimasi  desain rangka  akan dilakukan  jika  model  desain  sudah terpilih.  Maka  akan  dilakukanya  proses  desain
selanjutnya  dengan  memberi  radius  pada  kedua ujung  rangka  yang  terpilih  sebesar  1,64  mm  untuk mengurangi tegangan dan defleksi pada rangka.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN

## A. Tegangan pada Desain Rangka 1
Setelah  semua  parameter  simulasi  diatur, dilakukan  simulasi  dengan  pembebanan  secara berturut-turut 120 kg, 130  kg, 140  kg, 150  kg, dan 170  kg,  maka  nilai  tegangan  maksimum  dan minimum  rangka  1  pada  berbagai  pembebanan dapat  dilihat  pada  Tabel  1.  Hasil  simulasi menunjukan  nilai  tegangan  bertambah  seiring bertambahnya beban.
(a) (b)
Gambar 2. Desain rangka (a) 1 dan (b) 2
Tabel 1. Tegangan yang terjadi pada rangka 1
No Beban (kg) Tegangan min. (N/mm²) Tegangan maks. (N/mm²) 1 120 6,352E-09 12,19392 2 130 6,352E-09 12,19517 3 140 6,352E-09 12,19583 4 150 6,352E-09 12,19649 5 170 6,352E-09 12,19715
Distribusi  tegangan  hasil  simulasi static pada rangka  1  seperti  dapat  dilihat  pada  Gambar  3, dimana  tegangan  maksimum  terjadi  pada  bagian bawah rangka.

## B. Defleksi pada Desain Rangka 1
Defleksi  maksimum  terjadi  pada frame bagian bawah  seperti  ditunjukan  ditunjukan  pada  Gambar 4.  Nilai  defleksi  pada  berbagai  pembebanan  dapat dilihat  pada  Tabel  2.  Dari  data  terlihat  defleksi semakin  besar  seiring  bertambahnya  beban. Defleksi maksimum terjadi pada beban 170 kg yaitu sebesar 0,060088 mm.

## Gambar 3. Tegangan pada rangka 1
Gambar 4. Defleksi terhadap beban rangka 1
Tabel 2. Defleksi pada rangka 1 No Beban (kg) Defleksi Min. (mm) Defleksi Max. (mm) 1 120 0 0,060056 2 130 0 0,060068 3 140 0 0,060075 4 150 0 0,060082 5 170 0 0,060088

## C. Safety Factor pada Desain Rangka 1
Hasil  simulasi safety  factor seperti  terlihat  pada Gambar  5.  Rangka  memiliki safety  factor yang sangat  tinggi.  Seperti  ditunjukkan  Tabel  3,  secara keseluruhan safety  factor memiliki  nilai  paling rendah 28. Dengan nilai ini dapat dikatakan rangka sangat aman.

## D. Tegangan pada Desain Rangka 2
Distribusi  tegangan  hasil  simulasi static pada rangka 2 seperti terlihat pada Gambar 6. Tegangan maksimum terjadi pada bagian bawah rangka  yaitu pada  daerah  di  dekat swing  arm dengan  nilai ditampilkan pada Tabel 4 .
Gambar 5. Safety factor pada rangka 1
Tabel 3. Safety factor pada rangka 1 No Beban (kg) Safety factor max. (mm) Safety factor min. (mm) 1 120 4,9414 E+10 28,052 2 130 4,9436 E+10 28,050 3 140 4,9458 E+10 28,049 4 150 4,9479 E+10 28,047 5 170 4,9520 E+10 28,046

## E. Defleksi pada Desain Rangka 2
Defleksi  maksimum  terjadi  pada  bagian  tempat duduk  penumpang  seperti  pada  Gambar  7.  Nilai defleksi  pada  berbagai  pembebanan  seperti  terlihat pada  Tabel  5.  Dari  data  terlihat  defleksi  semakin besar  seiring  bertambahnya  beban.  Defleksi maksimum terjadi pada beban 170 kg yaitu sebesar 0,062 mm.
Tabel 4. Hasil tegangan pada rangka 2 No Beban (kg) Tegangan min. (N/mm²) Tegangan max. (N/mm²) 1 120 1,31E-09 12,39 2 130 1,28E-09 12,40 3 140 1,29E-09 12,42 4 150 1,30E-09 12,43 5 170 1,31E-09 12,45
Gambar 7. Defleksi terhadap beban rangka 2
Tabel 5. Hasil defleksi pada rangka 2 No Beban (kg) Defleksi min. (mm) Defleksi max. (mm) 1 120 0 0,059 2 130 0 0,060 3 140 0 0,060 4 150 0 0,061 5 170 0 0,062
Gambar 8. Safety factor rangka 2

## F. Safety Factor pada Desain Rangka 2
Nilai safety  factor untuk  berbagai  pembebanan seperti terlihat pada  Gambar 8 dan Tabel 6. Secara keseluruhan safety  factor memiliki  nilai  paling rendah 25. Dengan nilai ini dapat dikatakan rangka sangat aman.

## G. Perbandingan Hasil Pengujian Desain
Seluruh  desain  yang  telah  dibuat  dan  dihitung kekuatan  serta  massanya  kemudian  dilakukan pemilihan  desain  menurut  kriteria  yang  telah ditentukan.  Dari  kedua  desain  rangka  yang memiliki  hasil  berbeda.  Dimana  dari  hasil simulasi semua  desain  akan  dipilih  dari  hasil  simulasi kekuatan  terbaik.  Data  simulasi  kedua  desain rangka ditunjukan pada Gambar 9, Gambar 10, dan Gambar 11.
Tabel 6. Hasil safety factor pada rangka 2 No Beban (kg) Safety factor min. (mm) Safety factor max. (mm) 1 120 2,411E+11 25,304 2 130 2,437E+11 25,280 3 140 2,432E+11 25,256 4 150 2,406E+11 25,232 5 170 2,399E+11 25,186
Gambar 9. Grafik perbandingan tegangan rangka Gambar 10. Grafik defleksi kedua rangka 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 120 130 140 150 170 T eg an g an Ma x ( N/m 2 ) Beban (Kg) Rangka 1 Rangka 2 0.0575 0.0585 0.0595 0.0605 0.0615 0.0625 120 130 140 150 170 Def lek si (m m ) Beban (Kg) Rangka 1 Rangka 2
Gambar 11. Grafik safety factor kedua rangka
Gambar 12. Penambahan radius
Gambar 13. Dudukan pengemudi Gambar 14.  Dudukan rangka
Nilai tegangan desain rangka 1 lebih rendah dari desain  rangka  2.  Namun,  kedua  desain  memiliki perbedaan  nilai  tegangan  yang  tidak  terlalu signifikan.  Nilai  defleksi  terendah  sampai  dengan beban 170 kg adalah desain rangka  2. Dimana dari desain rangka 2 mempunyai nilai defleksi yang baik dari  pada  desain  rangka  pertama.  Hasil  dari perhitungan  simulasi  desain  rangka  2  dari  beban 170 kg nilai defleksi yaitu 0,062 mm. Safety factor kedua  rangka  memiliki  nilai  yang  tinggi.  Pada beban  simulasi  maksimum  rangka  1  memiliki  nilai 28,046 dan rangka 2 sebesar 25,18.

## H. Optimasi Desain
Optimasi  desain  rangka  yang  terpilih  untuk mendapatkan  dimensi,  kekuatan,  dan  defleksi  yang lebih  baik.  Selain  dari  itu,  optimasi  desain dilakukan  untuk  mendapatkan  posisi  pengemudi yang  nyaman,  dudukan  motor  yang  tepat,  dan suspensi  yang  stabil.  Perbaikan  desain  dilakukan dengan  memberi  radius  pada  ujung  rangka  dekat komstir  (Gambar  12)  untuk  kemudian  dilakukan kembali simulasi untuk melihat distribusi tegangan, displecment , dan safety factor pada rangka. Adapun penambahan part pada  rangka  yaitu  dudukan pengemudi  dan  dudukan  rangka  seperti  pada Gambar 13 dan Gambar 14.
Gambar 15. Rangka hasil penambahan part
Gambar 16. Hasil simulasi tegangan
Gambar 17. Hasil simulasi defleksi optimasi
Gambar 18. Hasil simulasi safety factor
Dari part yang  telah  ditambahkan,  maka terbentuk sebuah desain rangka sepeda motor listrik seperti Gambar 15.
23.5 24.5 25.5 26.5 27.5 28.5 120 130 140 150 170 Saf ety Facto r Beban (Kg) Rangka 1 Rangka 2

## I. Simulasi Hasil Optimasi
Nilai  tegangan  maksimum  dan  minimum  serta distribusi  tegangan  pengujian statik  pada  desain rangka  yang  sudah  dilakukan  optimasi  dengan menambahkan  radius,  dapat  dilihat  pada  Gambar 16.  Hasil  simulasi  menunjukan  secara  keseluruhan penambahan  radius  telah  meningkatkan  nilai tegangan.  Menjadi  16,15  N/mm²  meskipun  nilai tegangan  di  dekat  komstir  menurun.  Nilai  defleksi yang terjadi pada rangka dapat dilihat pada Gambar 17. Penambahan support telah menurunkan defleksi menjadi  0,05  mm.  Nilai safety  factor yang  terjadi pada  rangka  dapat  dilihat  pada  gambar  18. Modifikasi  pada  rangka  tidak  meningkatkan  nilai safety  factor secara  signifikan.  Hal ini  dikarenakan modifikasi  dilakukan  bukan  pada  bagian  yang mengalami tegangan maksimum.

## IV. K ESIMPULAN
Berdasarkan  hasil    simulasi static kedua  rangka memiliki  nilai  tegangan  yang  terjadi  di  bawah kekuatan  material.  Kedua  rangka  memiliki safety factor yang  tinggi  sehingga  keduanya  aman  untuk digunakan.  Dari  hasil  simulasi  dengan  material yang  sama  bentuk  rangka  berpengaruh  terhadap distribusi tegangan. Dimensi rangka akan berpengaruh  terhadap  nilai safety  factor .  Desain rangka  2  dipilih  berdasarkan  alasan  kenyamanan pengemudi, kemudahan penempatan komponen dan kemudahan maufaktur.

## R EFERENSI
[1]   Greeners.co,  “Greeners.co,”  16  Februari  2015. [Online]. Available: https://www.greeners.co. [Accessed 17 Oktober 2019].
[2]   N.  Nurhadi,  “Pengembangan  Sepeda  Motor  Listrik Sebagai  Solusi  Kendaraan  ramah  Lingkungan,”  in
Seminar  Nasional  Inovasi  dan  Aplikasi  Teknologi di Industri 2018 , Malang, 2018.
[3]   A. D. Zainuri Fuad, “Optimalisasi Rancang Bangun Mobil  Listrik  Sebuah  Studi  Kendaraan  Hemat Energi  Sebagai  Solusi  Alternatif,” Poli-Teknologi , pp. 1-2, 2015.
[4]   A.  Suwandi,  M.  M.  Wibisana,  and  D.  Dahmir, “Manufaktur  Prototipe  Konstruksi  Rangka  Sepeda Motor  Kapasitas  1  kW  dengan  Penggerak  Roda Belakang,” SEMRESTEK , 2018.
[5]   M. A. Hendrawan, P. I. Purboputro, M. A. Saputro, and  W.  Setiyadi,  “Perancanganchassis  Mobil Listrik Prototype "Ababil" dan Simulasi Pembebanan Statik dengan Menggunakan
Solidworks  Premium  2016,” Proceeding  of  The URECOL , 2018, pp. 96-105.
[6]   M.  H.  A.  Setyono  Bambang,  “Perancangan  dan Analisis Kekuatan Frame Sepeda Hibrid
“TRISONA”  Menggunakan  Software  Autodesk Inventor,” IPTEK , pp. 37-44, 2016.
[7]   S.  P.  Sari  and  P.  Santoso,  “Analisis  Tegangan Statik  Pada  Rangka  Sepeda  Motor  Jenis  Matic Menggunakan  Software  CATIA  P3  V5R14,” Skripsi  Program  Studi  Teknik  Mesin,  Fakultas Teknologi Industri , 2014.
[8]   A.  Imran,  S.  Samhuddin,  and  L.  Hasanuddin, “Perancangan,  Analisa  dan  Simulasi  Rangka Sepeda Sepeda Listrik Untuk Masyarakat Perkotaan,” DINAMIKA  Jurnal  Ilmiah  Teknik Mesin , vol. 9, no. 2, pp. 52-58, 2018.
[9]   A. Fahrudin, M. Rahmat, and R. Waluyo, “Rancang Bangun Tabung Udara Dingin Terkompresi dengan Tekanan  5  Bar,” JTERA  (Jurnal  Teknologi Rekayasa) , vol. 4, no. 2, pp. 175-184, 2019.
[10]  R.  Waluyo,  A.  Ahmad,  G.  Pramono  and  F.  Rizal, “Perancangan  dan  Analisis  Kekuatan  Rangka Cetakan  Komposit  Kayu-Plastik  Menggunakan Finite  Element  Analysis,” JTERA (Jurnal Teknologi Rekayasa) , vol. 5, no. 1, pp. 63-72, 2020.
[11]  D.  Darojat, Sistem  Rangka  Pada  Sepeda  Motor , Bandung:  Direktorat  Pembinaan  Kursus  dan Pelatihan, 2016.