## ANALISIS PENGARUH GAYA TERHADAP FATIGUE LIFE BAJA STRUKTURAL PADA PEGAS DAUN MENGGUNAKAN ANALISIS ELEMEN HINGGA
Amirin Kusmiran 1 dan Muh. L. Said 1
1 Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Alauddin Makassar email: amirin.kusmiran@uin-alauddin.ac.id, muhammadsaidlanto83@gmail.com
Abstract: Leaf  spring  is  one  of  a  component  of  the  vehicle  which  is  used  to vibration  damping  caused  by  the  force.  Some  of  case  that  occur  in  the  vehicle namely overload where this case can affect to fatigue life of steel leaf spring. One of  method  that  is  use  to  fatigue life  prediction  is  the  high  fatigue  cycle,  and  this method  can  be  simulated  by  a  finite  element  method.  The  numbers  of  both elements and nodes that have been used in this research are 6961 elements and 14726  nodes,  respectively.  The  magnitude  of  the  force  that  is  applied  to prediction fatigue life of leaf spring are 80 KN, 100 KN, and 200 KN. Based of the finite  element  analysis,  fatigue life of  the  force  80  KN  longer  than  force  200  KN and 200 KN was obtained which is a desired 10 6 cycle. Also, the critical value of the fatigue life 80 KN is smaller than 100 KN, and 200 KN. As such, the force 80 KN  is  a  recommended  as  an  allowed  force  which  use  to  vehicle.  This  value  is validated by safety factor analysis where the force allowed as 80 KN with safety factor equal to 2.56.
Keywords: force, fatigue life, finite element analysis.

## 1.  PENDAHULUAN
Baja merupakan salah satu material dengan tingkat kekuatan dan kekerasan dapat dirancang. Hal ini disebabkan oleh komposisi dari baja merupakan campuran dari besi dan karbon dengan sifat ductile . Oleh karena itu, baja sering diaplikasikan di industri otomotif sebagai penyangga beban seperti pegas daun yang digunakan di bus, mobil, truk, dan lain-lain. Khususnya pada bus dan truk, beban yang digunakan sering  melebihi  kapasitas  penampungan  ( overload )  sebagaimana  yang  telah ditetapkan  oleh  dinas  perhubungan.  Kelebihan  kapasitas  ( overload )  pembebanan tersebut  dapat  mempercepat  umur  lelah  dari  pegas  daun  baja.  Pembebanan overload yang  berlangsung  secara  terus-menerus  akan  memberikan  tekanan  yang berubah-ubah pada baja pegas daun (Kong et al., 2016). Tekanan inilah yang akan menyebabkan terjadinya retakan. Selanjutnya, penyebaran retakan secara seragam ke segala  arah  akan mengakibatkan  terjadi  patahan. Peristiwa  ini  dapat  berbahaya terhadap keselamatan pada saat berlalu lintas. Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan  mengetahui  batas  tekanan  atau  gaya  maksimal  yang  dapat  diredam  oleh baja  pegas  daun.  Tekanan  maksimal  yang  dapat  diterima  oleh  baja  pegas  daun dapat  dilakukan  secara  eksperimen  dengan  pengujian  di  laboratorium  seperti  uji Vickers  sebagaimana  dinyatakan  oleh  Fragoudakis,  Savaidis,  &  Michailidis,  2017,
dan  pendekatan  secara  numerik  maupun  analitik (Čular  et  al.,  2020).  Salah  satu metode yang digunakan untuk mengetahui atau memprediksi umur lelah pada baja pegas secara numerik adalah metode elemen hingga.
Metode elemen hingga salah satu metode numerik yang terus dikembangkan untuk  menyelesaikan  permasalahan-permasalahan  yang  berkaitan  dengan mekanika  suatu  material,  seperti  memprediksi  umur  lelah  material  komposit sebagaimana  yang  telah  dilakukan  oleh  Weng,  Wen,  &  Zhang,  2017.  Dengan metode  elemen  hingga,  peneliti    dapat  menentukan  umur  kekelahan  baja    pegas daun yang digunakan pada transportasi darat dengan cara menggunkan teknik high fatigue cycle .
Salah  satu  parameter  yang  digunakan  untuk  menganalisis fatigue  life suatu material  adalah  dengan  analisis  tegangan  ( stress  analysis )  sebagaimana  yang dilakukan oleh Lian & Yao, 2010. Pada analisis tegangan dianggap bahwa amplitudo adalah  konstanta  dan  hanya  tekanan  yang  mempengaruhi  tingkat  kelelahan.  Pada umumnya, baja pegas daun tidak bekerja pada tekanan atau beban yang tetap atau disebut dengan induksi mekanik. Tekanan yang berubah-ubah akan mengakibatkan perubahan mikrostruktur dari baja. Besar energi yang ditimbulkan oleh tekanan:
𝑊 = 𝜎𝜀 + 𝜏𝛾/2 (1)
dimana 𝜎 dan 𝜀 adalah normal stress dan shear stress , dan tensil strain range dan shear  strain .  Dari  sudut  pandang  mekanika  retakan  yang  dinyatakan  oleh Anderson,T.L.,2005, bentuk perambatan retakan ( crack propagation ), yaitu opening mode , in-plane shearing mode, dan out-plane sharing mode seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Bentuk-bentuk retakan
Fenomena  retakan  yang  dijelaskan  pada  gambar  1  yang  diakibatkan  oleh kelelahan  material  dapat  dianalisis  dengan  menggunakan  beberapa  metode,  salah satunya  adalah  metode  tegangan  siklus high  cycle  fatigue (S-N)  sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Pembagian daerah umur lelah dalam kurva S-N.
Metode high  cycle  fatigue (S-N)  merupakan  pendekatan  pertama  untuk memahami  fenomena  kelelahan  logam.  Dengan  metode  ini,  umur  lelah  material dapat diperhitungkan mulai dari tahap inisiasi retak lelah dan tahap umur lelah ( crack propagation ). Retakan dari material logam dibagikan ke dalam beberapa tipe retakan seperti  inisiasi  retakan  dari  inklusi,  retakan  inklusi  dari impinging  slip  bands ,  dan retakan emanating (Santecchia et al., 2016). Umur lelah atau fatigue life material terlebih dahulu dilakukan koreksi-koreksi sesuai dengan sifat mekanik atau jenis material. Beberapa jenis koreksi yang dapat diterapkan  pada  material  untuk  melakukan  analisis  umur  lelah,  seperti  koreksi Goodman,  Soderberg,  dan  Gerber  (Zhu  et  al.,  2017).  Pada  penelitian  ini,  material yang  digunakan  untuk  merancang  pegas  daun  baja  dengan  karakteristik  seperti pada  Tabel  1  adalah  baja  struktural.  Sifat  dari  baja  ini  adalah ductile sehingga koreksi  yang  digunakan  untuk  mengetahui  umur  lelah  pegas  daun  baja  adalah Gerber dengan amplitudo konstan (Kluger, 2015) seperti pada gambar 3.
Gambar 3. Koreksi Goodman untuk analisis fatigue life pada pegas daun baja
Gambar  3  memperlihatkan  bahwa  pembebanan  yang  diberikan  kepada pegas  daun  baja  adalah  pembebanan  yang  konstan  sebesar  80  KN,  100  KN,  dan 200  KN.  Koreksi  yang  digunakan  pada  gambar  3  telah  memenuhi  model  skematik diagram  Gerber  yang  telah  dinyatakan  oleh    Zhu  et  al.,  2017  dimana  diperlihatkan pada gambar 4.
Gambar 4. Model koreksi Gerber, Goodman, dan Morrow (Zhu et al., 2017)
dimana 𝜎 𝑦 adalah yield  strength , 𝜎 𝑢 adalah ultimate  tensile  strength , 𝜎 𝑓 ′ adalah fatigue strength coefficient , dan 𝜎 𝑚 adalah tensile sumbuh- x .

## 2.  METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan  metode  elemen  hingga  yang telah  terintegrasi  dengan  perangkat  lunak  ansys.  Metode  ini  digunakan  untuk mencari  nilai fatigue dari  material.  Langkah-langkah  penelitian  diperlihatkan  pada Gambar 5.
Gambar 5. Rancangan penelitian
Mulai
Input Data Base Pemodelan Geometri Hasil FEM ansys statik untuk struktur awal Input Beban Fatique Koreksi Gerber Analisis Hasil
Selesai
Gambar  5  memberikan  gambaran  terhadap  tahapan-tahapan  pelaksanaan penelitian,  yakni:  Mempersiapkan  model  pegas  daun  seperti  Gambar  6  dengan menggunakan software  design  modeler yang  telah  terintegrasi  dengan software ansys 19.0 .
Gambar 6 Perancangan pegas daun 4 lapis.
setelah  perancangan  pegas  daun  selesai,  tahapan  selanjutnya  memilih  material yang digunakan, yakni baja struktur dengan sifat fisis seperti pada Tabel 1.
Tabel 1 Sifat fisis dan mekanik baja struktur.
No.  Sifat Fisik/Mekanik Nilai Satuan 1 2 3 4 5 6 7 8 Density Tensile yield strength Compressive Yield strength Tensile ultimate strength Isotropic thermal conductivity Specific heat Isotropic relative permeability Isotropic Resistivity 7850 250 250 460 60,5 434 10000 1,7 x 10 -7 Kg/m 3 MPa MPa
MPa W/mC J.KgC

## Ωm
Selain  memasukan  jenis  material  yang  digunakan,  mendefinisikan  jenis sambungan  atau  kontak  yang  digunakan  antar  lapisan  pada  pegas  daun,  dimana kontak yang digunakan pada penelitian ini adalah bounding contact . Mendefinisikan mesh  yang  digunakan,  dimana  mesh  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah triangle mesh seperti pada gambar 7, dan memastikan bahwa mesh yang digunakan tidak error .
Gambar 7 Mesh elemen hingga pada pegas daun baja
Jumlah mesh yang  diperoleh  dari  Gambar  7  sebanyak  6.961  elemen  dan  14.726 nodes.  Setelah  itu,  kondisi  batas  dan  pembebanan  pada  struktur  pegas  daun  baja dimasukan, seperti gambar 7.
Gambar 8 Pembebanan pada struktur pegas daun baja
Kedua  ujung  dibatasi  dengan  kondisi fix  point ,  dan  besar  beban  yang digunakan  pada  penelitian  ini  sebesar  80  KN,  100  KN,  dan  200  KN.  Tahapan terakhir  adalah  memberikan  jenis  analisis  yang  digunakan  untuk  menentukan fatigue .  Analisis  yang  digunakan  analisis  statik  dan  analisis fatigue .  Salah  satu koreksi  yang  digunakan  untuk  menentukan fatigue  life material  adalah  koreksi Gerber seperti pada gambar 3 dan gambar 4.

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  tujuan  untuk  mendapat  umur fatigue dari struktur pegas daun baja dengan memberikan pembebanan sebesar 80 KN, 100 KN, 200 KN. Hasil dari pembebanan tersebut diperlihatkan pada  gambar 9, gambar 10, dan gambar 11.
Gambar 9 Fatigue life dengan gaya sebesar 80 KN.
Gambar  9  memperlihatkan  umur  lelah  atau  kondisi fatigue pada  struktur pegas daun yang telah diberikan beban sebesar 80 KN, dimana struktur pegas daun baja terlihat distribusi umur fatigue .  Siklus maksimal pada struktur terebut sebesar 10 6 siklus.  Nilai  tersebut  mengindikasikan  bagian  tersebut  tidak  akan  megalami kerusakan selama siklus terjadi pada struktur. Hal ini relevan dengan penelitian yang telah  dilakukan  oleh  Topaç  et  al.,  2012.  Gambar  9  terdapat  bagian-bagian  yang siklus  yang  kurang  dari  10 6 ,  seperti  distribusi  hijau  100  siklus,  warna  biru  1000 siklus,  dan  0,01  siklus.  Perbedaan  distribusi  tersebut  menunjukan  adanya pengurangan  tegangan  atau  gaya  akibat  dari  pengaruh  jarak  (Anderson,  2016). Siklus minimal berada pada warna merah dengan siklus sebesar 0,01 siklus. Siklus minimal  ini menunjukan bahwa daerah-daerah tersebut akan mengalami kerusakan lebih awal dibandingkan dengan bagian yang lain.
Pembebanan dapat mempengaruh daya tahan dari struktur pegas daun baja sebagaimana  yang  diperlihatkan  oleh  Gambar  10  dan  Gambar  11.  Gambar  10 menunjukan  daerah  kritis  semakin  luas  karena  diakibatkan  oleh  adanya pembebanan  sebesar  100  KN.  Siklus  minimal  pada  warna  merah  terjadi  pada bagian  ujung  kiri  dan  kanan.  Penomena  seperti  ini  disebabkan  oleh  adanya tegangan  yang  terkonsentrasi  pada  kedua  ujung  pegas.  Hal  ini  dapat  terjadi disebabkan  oleh  kedua ujung  pegas  daun  dijadikan  sebagai  titik  diam  atau  dikenal dengan fix  point ,  sehingga  membuat  struktur  tersebut  menjadi rigid .  Untuk  melihat dampak dari adanya pembebanan terhadap struktur pegas daun baja, pembebanan diberikan sebesar 200 KN.
Gambar 10. Fatigue life dengan gaya sebesar 100 KN.
Hasil  dari  pembebanan  tersebut  diperlihatkan  oleh  gambar  10.  Gambar tersebut  memperlihat  secara  jelas  distribusi  warna  merah  yang  mempunyai  siklus sebesar 0,01 siklus hampir merambat pada seluruh bagian struktur pegas daun baja. Distribusi  dari  siklus  ini  menunjukan  bahwa  struktur  pegas  daun  baja  mengalami overload sehingga  cepat  mengalami  retakan.  Dengan  demikian  pada  pembebanan dengan 200 KN tidak rekomendasi pada kendaraan yang menggunakan pegas daun baja dengan sifat fisis seperti pada Tabel 1.
Gambar 11 Fatigue life dengan gaya sebesar 200 KN.
Gambar  11  juga  memberikan  informasi  mengenai  sifat  fisis  yang  digunakan  pada material  baja  struktur,  dimana  sifat  fisis  tidak  terdistribusi  secara  merata  ke  segala arah secara homogen, sehingga pada bagian-bagian tertentu tidak mengalami siklus yang sama, seperti yang ditunjukan pada elips di gambar 11.
Faktor  keamanan  diterapkan  untuk  mengantisipasi  gaya  atau  beban  yang terjadi  pada  komponen  permesinan  agar  komponen  tersebut  tidak  gagal  ( failure ). Semakin  terkendali  beban  yang  tejadi  pada  komponen  semakin  kecil  faktor keamanan  yang  dapat  diterapkan,  dan  sebaliknya.    Besar safety  factor dapat mempengaruhi  tegangan  yang  diijinkan  pada  material  sebagaimana  diperlihatkan
pada gambar 11. Gambar ini memperlihatkan safety factor maksimal yang dihasilkan oleh  pemebebanan  200  KN  sebesar  2,52. Safety  factor ini  memberikan  informasi bahwa tegangan ijin dari pegas daun baja sebesar 80 KN.
Gambar 12. Safety factor 200 KN.
Gambar 9, gambar 10, dan gambar 11 memberikan gambaran besar beban optimal yang  dapat  diberikan  kepada  pegas  daun  baja.  dimana  besar  beban  optimal  yang dapat diberikan adalah 80 KN.

## 4.  SIMPULAN
Berdasarkan  uraian  diatas,  umur  kelelahan  atau fatigue  life struktur  pegas daun  dapat  diprediksikan  dengan  menggunakan  metode  elemen  hingga.  Hasil penelitian  ini  menunjukan  siklus  maksimum  sebesar  10 6 siklus . Siklus  ini menunjukan  bahwa  bagian  tersebut  tidak  mengalami  kerusakan  selema  suspensi terjadi.  Besar  gaya  maksimal  yang  bisa  digunakan  pada  struktur  pegas  daun  baja dengan sifat fisis seperti pada Tabel 1 sebesar 100 KN. Selain itu, Besar gaya 200 KN  tidak  direkomendasikan  untuk  digunakan.  Hal  ini  disebabkan  distribusi  siklus minimal  0,01  siklus  hampir  merata  disepanjang  struktur  pegas  daun  baja.  Pada peneltian  ini,  siklus  0,01  siklus menunjukan  nilai  kritis  yang  mempunyai  umur  lelah yang  cepat,  sehingga  akan  mengalami  kerusakan  yang  lebih  cepat.  Selain  itu, berdasarkan safety  factor, besar  gaya  yang  diijinkan  yakni  sebesar  80  KN  dengan safety factor sebesar 2,5.

## DAFTAR PUSTAKA
Anderson, T.L. (2016). Fracture Mechanics Fourth Edition. CRC Taylor & Francis. Čular, I., Vučković, K., Žeželj, D., & Glodež, S. (2020). Analytical approach for low and  high  cycle  bending  fatigue  life  prediction  of  carburized  gear  steel specimens. Engineering Failure Analysis , 108 , 104328.
https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.104328
Fragoudakis, R., Savaidis, G., & Michailidis, N. (2017). Optimizing the development and  manufacturing  of  56SiCr7  leaf  springs. International  Journal  of  Fatigue , 103 , 168 –175. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.05.016
Kluger, K. (2015). Fatigue life estimation for 2017A-T4 and 6082-T6 aluminium alloys subjected  to  bending-torsion  with  mean  stress. International  Journal  of Fatigue , 80 , 22 –29. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2015.05.005 Kong, Y. S., Abdullah, S., Omar, M. Z., & Haris, S. M. (2016). Failure assessment of a  leaf  spring  eye  design  under  various  load  cases. Engineering  Failure Analysis , 63 , 146 –159. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2016.02.017
Lian,  W.,  &  Yao,  W.  (2010).  Fatigue  life  prediction  of  composite  laminates  by  FEA simulation  method. International  Journal  of  Fatigue , 32 (1),  123 –133. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2009.01.015
Santecchia, E., Hamouda, A. M. S., Musharavati, F., Zalnezhad, E., Cabibbo, M., El Mehtedi,  M.,  &  Spigarelli,  S.  (2016). A  Review  on  Fatigue  Life  Prediction Methods  for  Metals [Research  article].  Advances  in  Materials  Science  and Engineering. https://doi.org/10.1155/2016/9573524
Topaç, M. M., Ercan, S., & Kuralay, N. S. (2012). Fatigue life prediction of a heavy vehicle  steel  wheel  under  radial  loads  by  using  finite  element  analysis. Engineering Failure Analysis , 20 , 67 –79.
https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2011.10.007
Weng, J., Wen, W., & Zhang, H. (2017). Multiaxial fatigue life prediction of composite materials. Chinese Journal of Aeronautics , 30 (3), 1012 –1020.
https://doi.org/10.1016/j.cja.2017.03.019
Zhu, S.-P., Lei, Q., Huang, H.-Z., Yang, Y.-J., & Peng, W. (2017). Mean stress effect correction  in  strain  energy-based  fatigue  life  prediction  of  metals.
International Journal of Damage Mechanics , 26 (8), 1219 –1241.
https://doi.org/10.1177/1056789516651920