## Analisis kegagalan sprocket pada transmisi mobil Antawirya
Muhammad Farras Farshal 1 , Sri Nugroho 1 , Yusuf Umardani 1
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudarto No.13 Semarang 50275
Email korespondensi: srinugroho@lecturer.undip.ac.id

## Abstrak
Sprocket merupakan salah satu bagian dari sistem transmisi yang biasa digunakan pada kendaraan bermotor. Pada sistem transmisi eco-car tim Antawirya dari Universitas Diponegoro juga menggunakan sprocket sebagai salah satu komponennya. Saat memulai balapan pertama dan melakukan full throttle, sprocket menjadi gagal karena deformasi terjadi pada sprocket. Sprocket mengalami deformasi plastis dan kemudian menyebabkan rantai keluar  dari  jalurnya  dan  terlepas.  Tujuan  dari  kajian  ini  adalah  untuk  mengetahui  penyebab  kelelahan  yang terjadi  melalui  uji  kekerasan,  uji  komposisi  kimia  dan  analisis  tegangan.  Sprocket  menggunakan  paduan aluminium 7075-T6 sebagai bahan. Hasil pengujian komposisi kimia didapatkan kandungan aluminium sebesar 97,3%  yang  melebihi  batas  maksimum  standar  yaitu  91,4%.  Persentase  seng  adalah  0,06%  sedangkan  batas minimum  standar  adalah  5,1%.  Ada  juga  perbedaan  dari  unsur  kimia  lain  seperti  magnesium  dan  tembaga. Penambahan unsur lain tersebut berfungsi untuk meningkatkan kekuatan material karena Al 7075-T6, dikenal sebagai  material  dengan  kekuatan  tinggi.  Hasil  analisis  tegangan  menggunakan  software  ANSYS  didapatkan bahwa  pembebanan  yang  terjadi  menghasilkan  tegangan  Von-Mises  sebesar  392  MPa  dan  kekuatan  luluh material sebesar 503 MPa, dari angka tersebut menjadikan nilai faktor keamanan 1,28 dan tidak boleh terjadi deformasi pada sproket. Dari hasil pengujian kekerasan diketahui nilai kekerasan pada daerah yang mendekati deformasi adalah 76,16 HV sedangkan standarnya adalah 175 HV.
Kata kunci : sproket, kegagalan, ANSYS, aluminium. 7075-T6.

## Abstract
Sprocket is one part of the transmission system commonly used in motor vehicles. In transmission system of the  eco  car  Antawirya  team  from  Diponegoro  University  also  uses  sprocket  as  one  of  its  components.  When starting first attempt of the race and do full throttle, the sprocket become failure since deformation happens on sprocket.  The  sprocket  run  into  plastic  deformation  and  then  caused  chain  exiting  its  path  and  come  off.  The purpose of this study is to find the cause of fatigue that occurs by hardness test, chemical composition test and stress analysis. Sprocket use aluminum alloy 7075-T6 as a material. As a result of chemical composition testing, aluminum content is 97.3% which is more than the standard maximum limit of 91.4%. The percentage of zinc is 0.06% while the minimum limit of standard is 5.1%. There are also differences from other chemical elements such as magnesium and copper.  The addition of that other elements serves to increase the  strength of  the material because  Al 7075-T6  is  well known  as material  with high strength. The results  of stress  analysis  using ANSYS software found that the loading that occurred produce a Von-Mises stress of 392 MPa and yield strength of the material is 503 MPa, from that figure makes 1.28 a safety factor value and there should be no deformation on the sprocket. As a result of the hardness test, it is known that the value of hardness in the area close to deformation is 76.16 HV while the standard is 175 HV.
Keywords: sprocket, failure, ANSYS, aluminum. 7075-T6.

## 1. Pendahuluan
Sprocket adalah  sebuah  benda  bergerigi  yang bergerak secara berotasi lalu dihubungkan oleh rantai dan terhubung dengan paling tidak satu sprocket lain atau lebih untuk mendistribusikan torsi. Sprocket dan rantai  dapat  digunakan  untuk  merubah  kecepatan, torsi dan arah pergerakan dari mesin [2].
Pada  mobil  hemat  energi  tim  Antawirya Urban Concept , bagian transmisinya menggunakan sprocket sebagai  media  penyalur  tenaga  dari  mesin  ke  roda. Saat melakukan kesempatan balap pertama pada Shell Eco Marathon Asia 2019 di Malaysia, ternyata ketika saat start , sprocket mengalami  kegagalan  yang ternyata disebabkan oleh sprocket yang terdeformasi.
Kesempatan  pertama  itu  sejatinya  diperlukan  untuk mengambil  data  awal  yang  berfungsi  untuk pengembangan lebih lanjut agar dapat memaksimalkan  performa  dan  keiritan  bahan  bakar mobil  tersebut,  tetapi  saat  memulai start langsung harus  kembali  ke pit  room untuk  melakukan pergantian sprocket agar bisa melanjutkan pencarian data pada kesempatan kedua dan mendapatkan hasil maksimal  hingga  kesempatan  kelima. Kegagalan sebenarnya  dapat  diprediksi,  tetapi  prediksi  tersebut tidak  dapat  menjamin  kegagalan  yang  terjadi  akan sesuai  karena  terdapat  banyak  faktor.  Umumnya kegagalan  terjadi  karena  penggunaan  material  yang tidak tepat, sehingga tidak cukup tangguh menerima
tegangan  berlebih,  penggunaan  yang  tidak  sesuai peruntukkan dan proses produksi yang tidak baik.
Kajian dengan topik analisis kegegalan sprocket pada transmisi  mobil  Antawirya  bertujuan  untuk mengetahui  faktor  yang  menyebabkan  sebuah kegagalan  terjadi  dan  dapat  memberikan  solusi apabila  terjadi  kegagalan  yang  serupa  pada material yang sama [3].

## 2. Metode

## Diagram Alir
Diagram  alir  merupakan  sebuah  diagram  yang menggambarkan  proses  dari  suatu  kajian,  yang berfungsi  memberikan  solusi  selangkah  demi selangkah  untuk  penyelesaian  masalah  yang  ada dalam  proses  tersebut.  Pada  kajian  ini  langkah- langkah  pengujian  mengacu  pada  diagram  alir  pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram alir.
Kajian  ini  dilakukan  dengan  melakukan  beberapa tahap, yaitu:
Pengujian Komposisi Kimia
Pengujian  dilakukan  untuk  mengetahui  kandungan unsur-unsur  kimia  yang  terkandung  dalam  material. Dari kandungan utama dan unsur material paduan dari material nantinya dapat digunakan untuk mengetahui jenis  material  tersebut.  Metode  pengujian  yang dilakukan  adalah  ASTM  E  1251-11.  Alat  yang digunakan  adalah  Spektrometer  TXC03.  Pengujian ini  dilakukan  di  UPTD  Laboratorium  Perindustrian Tegal.

## Pengujian Kekerasan
Pengujian  dilakukan  untuk  mengetahui  nilai  angka kekerasan  pada  suatu  material.  Metode  pengujian kekerasan  yang  dilakukan  adalah  metode Vickers dengan standar pengujian yang digunakan adalah SNI 19.0404.1998. Metode pengujian Vickers merupakan salah satu metode pengukuran kekerasan menggunakan piramida intan yang ditumbukkan pada spesimen  benda  uji.  Besaran  sudut  yang  dihasilkan dari  indentasi  terhadap  spesimen  adalah  136° Pengujian dilakukan pada tiga titik yang berbeda pada spesimen.

## Analisis Tegangan
Analisis  tegangan  dilakukan  untuk  mengetahui tegangan  yang  terjadi  pada  spesimen,  di  mana perhitungan  menggunakan  simulasi  numerik  dengan bantuan software ANSYS 2017.  Setelah  mendapat nilai tegangan yang terjadi, maka dapat dibandingkan dengan spesifikasi sifat mekanik dari material untuk mengetahui nilai faktor keamanan.

## 3. Hasil dan Pembahasan

## Data Lapangan
Dari  hasil  proses  pengembangan  mobil,  didapatkan data  yang  berfungsi  sebagai  variabel-variabel  untuk melakukan analisis kegagalan sebagai berikut :
a. Berdasarkan  hasil dyno ,  mesin  memiliki  torsi maksimal 10,18 Nm.
b. Saat proses pengembangan sebelum perlombaan, sesi test  drive dilakukan  dengan  gas  yang  halus karena kontur jalan yang rata dan jarak yang dekat, sehingga  tidak  memerlukan  percepatan  yang maksimal.
c. Hasil  proses  produksi  dudukan  sprocket  yang kurang rigid .
Pengamatan Visual Berikut adalah Gambar 2 dari pengamatan visual.
Gambar 2. Deformasi pada sprocket .
Dari pengamatan visual, didapatkan bahwa sprocket mengalami deformasi plastis. Deformasi plastis yang terjadi  kemungkinan  dari  gaya  tarikan  rantai  akibat torsi yang berlebih, karena sebenarnya sprocket yang digunakan  diperuntukan  untuk  sepeda,  di  mana seharusnya menerima torsi dari tenaga manusia, tetapi digunakan sebagai media penyalur tenaga ke roda dari mesin  motor.  Pada  Gambar  3,  diketahui  bahwa sprocket memiliki  jumlah  gigi  56  dan  material penyusunnya AL 7075-T6.
Gambar 3. Detail spesifikasi sprocket.

## Pengujian Komposisi Kimia
Berikut  adalah  Tabel  1  yang  menunjukkan perbandingan  komposisi  kimia  hasil  pengujian  dan standar.
Tabel 1. Hasil pengujian komposisi kimia [1].
UNSUR Al 7075 Hasil Pengujian Al 6061 Al 87,1 - 91,4 % 97,3 % 95,8 - 98,6 % Zn 5,1 - 6,1 % 0,06 % Maks. 0,25 % Mg 2,1 - 2,9 % 0,83 % 0,8 - 1,2 % Cu 1,2 - 2 % 0,16 % 0,15 - 0,4 % Cr 0,18 - 0,28 % 0,26 % 0,04 - 0,35 %
Dari  hasil  pengujian  komposisi  kimia,  didapatkan hasil yang memiliki perbedaan yang cukup signifikan dari standar yang seharusnya. Berdasarkan data hasil pengujian,  didapatkan  bahwa  material  hasil  uji memiliki kemiripan komposisi dengan material lain. Al 7075 dengan kandungan unsur paduan Zn dan Mg dapat meningkatkan kekuatan dari material tersebut, tetapi unsur paduan utama tersebut lebih rendah, jadi
dapat  disimpulkan  terdapat  kesalahan  material  yang digunakan  pada sprocket dan  kekuatan  yang diinginkan tidak tercapai.

## Pengujian Kekerasan Vickers
Alat yang digunakan adalah Vickers Hardness Tester dengan  pembebanan  50  gf  dan  indentor  piramida intan. Contoh titik uji dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Titik pengujian kekerasan vickers.
Hasil pengujian dan perbandingan dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Hasil pengujian kekerasan Vickers dan standar [1]. Dekat dari Deformasi Jauh dari Deformasi Al 7075 T6 Al 6061 T6 76 HV 96 HV 175 HV 107 HV
Dari  hasil  pengujian  kekerasan vickers diketahui bahwa rata-rata hasil pegujian bagian yang jauh dari deformasi memiliki nilai yang cenderung mendekati sifat  mekanik  dari  Al  6061  T6,  sedangkan  bagian yang dekat dari daerah deformasi angka kekerasannya 76 HV. Hal ini semakin menjelaskan bahwa terdapat kesalahan material yang digunakan oleh sprocket , lalu terdapat kemungkinan pada saat proses precipitation hardening oleh  produsen  pembuat  tidak  maksimal, sehingga menghasilkan angka yang di bawah standar dan berberda-beda pada satu buah sprocket .

## Analisis Tegangan
Diketahui data yakni Torsi mesin T = 10,18 Nm, rasio Sprocket dari  mesin  terhadap Sprocket input 3:69 menghasilkan torsi 37,56 Nm, jari-jari Sprocket input =  32,15  mm,  sehingga  Gaya  tegang  rantai ditunjukkan dengan Persamaan 1 berikut.
F = (1)
𝐹 =
37,56 0,03215
= 1168,27 N
Gaya  pada  setiap  gigi sprocket didapatkan  dengan Persamaan 2 berikut [4].
𝑇𝑘    = 𝑇𝑜 𝑥 {sin ø   ÷ sin( ø + 2𝛽)} (2) 𝑇𝑘1 = 1168,27 𝑥 {sin 15,86 ÷ sin( 15,86 + 2(6,43))} Tk1 = 1168,27 N
𝑇𝑘35     = 1168,27 𝑥 {sin 15,86 ÷ sin( 15,86 + 2(6,43))}
Tk35 = 0,017 N
Perhitungan tegangan menggunakan simulasi dengan software ANSYS 2017,  simulasi  bertujuan  untuk mengetahui tegangan maksimalnya dan letak bagian yang memiliki tegangan tertinggi dari sprocket . Hasil simulasi  menggunakan  variabel-variabel  yang  telah dihitung  sebelumnya  dan  hasil  dapat  dilihat  pada Gambar 5.
Gambar 5. Hasil simulasi tegangan.
Dari  Gambar  5,  tegangan  maksimal  yang  terjadi sebesar  392  MPa  pada  sebelah  titik  dengan pembebanan  tertinggi.  Letak  tegangan  maksimal berada  di  atas  bagian sprocket yang  mengalami deformasi plastis.
Gambar 6. Faktor keamanan Al 7075 T6.
Berdasarkan  spesifikasi  material  Al  7075  T6,  batas kekuatan luluh sebesar 503 MPa, sedangkan tegangan
yang terjadi sebesar 392 MPa. Apabila dari desain dan penggunaan material tersebut dilakukan perhitungan terhadap faktor keamanannya akan mendapatkan hasil 1,28 (Gambar 6). Karena angka tersebut melebihi 1, maka apabila penggunaan material benar menggunakan  AL  7075  T6,  dapat  diprediksi  tidak terjadi  kegagalan  kecuali  torsi  mesin  ditingkatkan, sehingga  menghasilkan  nilai  tegangan  yang bertambah.
Gambar 7. Faktor keamanan AL 6061 T6.
Berdasarkan  spesifikasi  material  Al  6061  T6,  batas kekuatan luluh sebesar 276 MPa dan kekuatan tarik 310  MPa,  sedangkan  tegangan  yang  terjadi  sebesar 392  MPa.  Apabila  dari  desain  dan  penggunaan material  tersebut  dilakukan  perhitungan  terhadap faktor  keamanannya  akan  mendapatkan  hasil  0,703 (Gambar  7).  Karena  angka  tersebut  kurang  dari  1, maka apabila penggunaan material menggunakan AL 6061  T6,  dapat  dipastikan  terjadi  deformasi  bahkan hingga  patah.  Hasil  simulasi  tegangannya  melebihi kekuatan  tarik,  terdapat  kemungkinan driver tidak membuka  gas  penuh,  sehingga  tidak  keluar  torsi maksimal  dan  menghasilkan  tegangan  yang  hanya melebihi dari batas kekuatan luluh material dan masih di bawah dari batas kekuatan tarik.

## 4. Kesimpulan
Dari beberapa pengujian dan pembahasan yang telah dilakukan, didapatkan simpulan bahwa dari pengujian komposisi  kimia,  kekerasan  dan  analisis  tegangan, dapat disimpulkan bahwa terdapat kesalahan material, sehingga menyebabkan sprocket mengalami kegagalan  dan  ditandai  dengan  deformasi  plastis. Apabila material yang digunakan pada sprocket sesuai yaitu  Al  7075  T6,  maka sprocket tidak  akan mengalami  kegagalan  karena  tegangan  yang  terjadi masih jauh dari batas kekuatan luluh dengan daya dan torsi yang dihasilkan oleh mesin.

## Ucapan Terima Kasih
Selesainya  kajian  ini  tidak  lepas  dari  peran  orang- orang  yang  memberikan  bantuan,  bimbingan  dan dukungan baik moril maupun materil. Oleh karena itu, Penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Tuhan Yang Maha Esa
2. Kedua  orangtua yang senantiasa  mendoakan dan memberi semangat tanpa henti.
3. Rekan-rekan  Teknik  Mesin  2014  yang  telah menemani perkuliahan dan membantu kajian ini.
4. Semua pihak yang telah membantu yang penulis tidak dapat sebutkan satu persatu.
Penyusunan  kajian  ini  Penulis sadari masih  terdapat kekurangan  dan  keterbatasan,  oleh  karena  itu  kritik dan  saran  yang  sifatnya  membangun  untuk kesempurnaan dan kemajuan sangat diharapkan.

## Daftar Pustaka
[1]  ASM.  1990,  ASM  Handbook  Volume  2  : Properties and Selection: Nonferrous Alloys and
Special-Purpose Materials. USA: ASM
International.
[2]  REV Robotics. 2016, Sprocket and Chain Guide. REV Robotics. USA.
[3]  Syahril, M. 2013, Analisa Kegagalan Poros Roda Belakang  Kendaraan.  Majalah  Metalurgi, pp.139-148.
[4]  Tsubakimoto. 1995, Engagement with Sprockets.  http://chain-guide.com/basics/2-1-2- engagement-with-sprockets.html,  diakses  20 Februari 2021.