## PENDAHULUAN
Pegas daun merupakan komponen dari kendaraan yang berfungsi  sebagai  sistem  suspensi  yang  terbuat  dari baja  seperti  Baja  EN45,  EN47,  60Si7,  50Cr4V2, 55SiCr7,  dan  50CrMoCV4  sebagaimana  dinyatakan oleh  Patunkar  dan  Dolas,  2013.  Namun  penggunaan material  tersebut  mulai  dipertimbangkan  dikarenakan ketersediaan bahan baku, dan tidak bersifat berkelanjutan.  Pengembangan  material  pegas  daun terus dilakukan, khususnya di bidang komposit. Selain memiliki karakteristik yang dibutuhkan, komposit juga memiliki  salah  satu  karakteristik  utama  yang dibutuhkan pada pegas daun yaitu strain energy yang besar.  Selain  itu,  isu  lingkungan  juga  menjadi  alasan untuk  dilakukannya  pengembangan  komposit  untuk aplikasi pegas daun.
Beberapa  komposit  telah  dikembangkan  untuk aplikasi  pegas  daun,  seperti  komposit e-glass/epoxy, graphite/epoxy dan carbon/ epoxy (Pantukar dan Dolas, 2013).  Diantara  komposit  tersebut,  komposit e-glass epoxy merupakan  komposit  yang  memiliki  kekuatan yang hampir  setara  dengan  baja  dan  memiliki fatigue life yang  baik  serta  ekonomis.  Namun,  untuk
mendapatkan  kekuatan  pegas  yang  optimum  tidak hanya  dilakukan  variasi  pada  material  saja  tapi beberapa variasi juga dilakukan seperti
variasi  geometri  (Dhoshi,  2011).  Namun  untuk komposit  dengan  variasi  orientasi  serat  masih  sedikit dilakukan untuk aplikasi pegas daun.  Sedangkan arah serat  sangat  berpengaruh  terhadap  kekuatan  material pegas.  Penelitian  orientasi  serat  telah  dilakukan  oleh Gebremskel (2013) dan Galur  dan Vijayarang (2006). Namun  dalam  penelitian  yang  dilakukan,  orientasi serat yang digunakan adalah arah serat satu direksi atau unidirection .  Sehingga  pengembangan  orientasi  serat multidirection perlu  dilakukan  untuk  pengembangan pegas daun komposit dengan menggunakan pendekatan secara numerik.
Oleh  karena  itu,  pendekatan  numerik  banyak diterapkan  pada  Metode  Elemen  Hingga  (Finite Element  Method)  yang  telah  terintegrasi  dengan perakat  lunak  Ansys.  Sehingga  tujuan  dari  penelitian ini mampu  mengetahui pengaruh multi  orientasi  serat

## Abstrak
Pegas  daun  tunggal  merupakan  salah  satu  sistem  suspensi  pada  kendaraan  yang berfungsi sebagai peredam getaran yang biasanya menggunakan baja. Satu jenis baja yang  sering  digunakan  dalam  pembuatan  pegas  daun  tunggal  adalah  baja  55Si7. Namun,  saat  ini  material  komposit  mulai  digunakan  sebagai  material  alternatif pengganti baja. Salah satu material komposit yang digunakan sebagai bahan pengganti baja  yakni E-glass  epoxy .  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  perbedaan karakteristik pegas daun baja dan komposit e-glass epoxy. Selain itu, pengaruh orientasi arah  serat  terhadap  deformasi,  tegangan,  dan safety  factor pada  pegas  daun  juga dilakukan dalam penelitian ini. Metode analisis yang digunakan adalah elemen hingga. Hasil penelitian menunjukan bahwa pegas daun komposit memiliki tegangan yang lebih rendah  dibandingkan  pegas  daun  baja.  Pegas  daun  komposit e-glass epoxy variasi  D (orientasi serat 45º/-45º) menunjukan tegangan yang terendah dan safety factor tertinggi dengan nilai berturut turut 596 MPa dan 1,4.

## PENGARUH ORIENTASI SERAT KOMPOSIT E-GLASS EPOXY TERHADAP SIFAT MEKANIK PEGAS DAUN TUNGGAL DENGAN METODE ELEMEN HINGGA
1 Amirin Kusmiran , 2 Akbar Sukman Pradhipta, 3 Rita Desiasni
1 Jurusan Fisika,Universitas Islam Negeri Alauddin Makassar
2,3 Program Studi Teknik Metalurgi, Universitas Teknologi Sumbawa amirin.kusmiran@uin-alauddin.ac.id

## Diterima
Bulan Januari 2020

## Diterbitkan
Bulan Februari 2020

## Kata Kunci,
Pegas daun,
Komposit E-glas Epoxy, Orientasi Serat, Metode  elemen hingga
komposit E-Glass Epoxy terhadap sifat mekanik pegas daun tunggal secara komputasi.

## LANDASAN TEORI

## Pagas daun tunggal
Pegas daun tunggal biasanya terdiri dari sebuah pelat baja yang mempunyai kelengkungan di sepanjang daun  pegas.  Pegas  daun tunggal memiliki karateristik kelengkungan bagian tengah pegas yang lebih tebal dan meruncing hingga kebagian ujung pegas . Pegas daun tipe ini biasa mempunyai kekauan yang rendah. Hal ini memberikan  kemampaun  pengendaraan  yang  lembut dan  pengangkutan  barang  yang  baik.  Pegas  daun tipe ini  juga  tidak  memiliki  karakteristik  gangguan  dan gesekan statis seperti pada pegas daun ganda ( multi leaf springs )  sebagaimana  yang dinyatakan  oleh  Saini,  P., dkk, 2013.

## Perhitunga n Tegangan dan Defleksi Pegas
Daun Menurut Bhandari (1994), perhitungan tegangan  dan  defleksi  pada  pegas  daun  dengan  lebar daun  yang  seragam  dapat  digunakan  persamaan sebagai berikut:
σ = 6PL nbt2 (1)
δ = 12PL3 Ebt3(3nf+2ng) (2)
dimana n f adalah jumlah  daun extra  full-length,  n g adalah jumlah daun graduated-length termasuk master leaf,  n adalah jumlah total  daun, b adalah lebar  setiap daun  (mm), t adalah ketebalan  setiap  daun  (mm), L adalah panjang cantilever atau setengah panjang pegas semi-eliptical (mm), P adalah gaya yang bekerja pada ujung pegas (N), P f adalah bagian gaya P yang bekerja pada daun-daun extra full-length (N), P g adalah bagian gaya P yang bekerja pada daun-daun graduated-length (N), E adalah modulus elatisitas (N/m²)

## Komposit
Komposit  merupakan  penggabungan  dari  dua material  atau  lebih,  yang  dibentuk  pada  skala makroskopik  dan  menyatu  secara  fisik  untuk memperoleh  sifat-sifat  baru  yang  tidak  dimiliki  oleh material  pembentuknya.  Dalam  penggabungan  antara serat  dan  resin,  serat  akan  berfungsi  sebagai  penguat ( reinforcement )  dan  biasanya  mempunyai  kekuatan dan  kekakuan  tinggi,  sedangkan  resin  berfungsi sebagai perekat atau matrik untuk menjaga posisi serat, mentransmisikan gaya geser dan juga berfungsi sebagai
pelapis  serat.  Matrik  biasanya  mempunyai  kekuatan relatif  rendah  tetapi  ulet,  karena  itu  serat  secara dominan  akan  menentukan  kekuatan  dan  kekakuan komposit.  Semakin  kecil  ukuran  serat,  maka  akan memberikan  perekatan  dan  kekuatan  yang  semakin baik, karena rasio antara permukaan dan volume serat semakin besar (Riedel, 1999).
Kekuatan  komposit  sangat  dipengaruhi  oleh beberapa faktor seperti jenis, geometri, arah, distribusi, dan kandungan serat. Berdasarkan teori Rule of Mixture (ROM), kekuatan komposit meningkat seiring dengan penambahan  kandungan  serat  mencapai  60-70% (Sanadi  dkk.,  1986).  Pertimbangan  pemilihan  serat untuk komposit juga sangat dipengaruhi oleh beberapa parameter  diantaranya  adalah  nilai  kekuatan  dan kekakuan  komposit  yang  diinginkan,  perpanjangan ketika patah,  stabilitas termal,  ikatan antara  serat  dan matrik, perilaku dinamik.
Faktor-faktor  yang  harus  diperhatikan  supaya mendapatkan kekuatan komposit yang optimal seperti letak serat, panjang serat, bentuk serat,dan ikatan serat dan  matriks.  Dalam  Pembuatan  komposit,  tata  letak dan arah serat dalam matrik akan menentukan kekuatan mekanik komposit. Letak dan arah dapat mempengaruhi kinerja suatu komposit. Tata letak dan arah  serat  diklasifikasikan  menjadi  tiga  bagian  yaitu one  dimensional  reinforcement,  two  dimensional reinforcement, dan One dimensional reinforcement .
Komposit e-glass  epoxy merupakan  komposit polimer  matriks  komposit  atau  biasa  dikenal  sebagai glass fiber  reinforced  polymer (GFRP).  GFRP memiliki  kualitas  yang  sangat  baik  seperti  rasio kekuatan dan kekuatan yang hampir mendekati logam. Selain  itu,  komposit  ini  juga ringan, transparan, tidak berwarna,  dan  tidak  ada  batas  ukuran  objek  dalam pembuatan. Oleh karena itu,  penggunaan GFRP sering digunakan untuk aplikasi industri.
Pada  aplikasi  pegas  daun,  GRFP  sering dibandingkan  dengan  pegas  baja.  Dalam  penelitian yang  dilakukan  Saini  (2013)  menunjukan  salah  satu keunggulan yang dimiliki oleh komposit e-glass epoxy dibandingkan  baja  dan  komposit carbon  epoxy dan graphite  epoxy yaitu  pada  tegangan  yang  dihasilkan pada  pegas  dari  Gambar  1  terlihat  tegangan e-glasss epoxy jauh lebih baik dikarenakan modulus elastisitas e-glass  epoxy lebih  rendah  dibandingkan graphite epoxy dan carbon epoxy (Calister dan Wiley, 2007).

## Metode Elemen Hingga
Metode  elemen  hingga  merupakan  salah  satu metode  numerik  yang  dapat  digunakan  untuk menyelesaikan  persamaan  differensial  yang  berkaitan
dengan masalah mekanika kontinum. steady , transient , linier ,  atau  permasalahan  nonlinier  pada  analisis tegangan,  perpindahan  kalor  aliran  fluida,  dan permasalahan  elektromagnetik  dimungkinkan  dapat dianalisa.  Kontinum  atau  benda  dibagi-bagi  menjadi beberapa  bagian  yang  lebih  kecil,  maka  elemen  kecil ini disebut elemen hingga. Proses pembagian kontinum menjadi  elemen  hingga  disebut  proses diskretisasi (pembagian) pada suatu bidang.
Suatu  bidang  yang  luas  dengan  dimensi  yang tidak teratur, dipotong-potong berbentuk segi tiga atau bentuk segi empat yang beraturan. Bidang yang dengan dimensi tidak beraturan tadi disebut kontinum, bidang segitiga  atau  segi  empat  beraturan  disebut  elemen hingga. Dan banyak lagi persoalan yang identik dengan hal  diatas.  Maka  dari  sini  dapat  dikatakan  bahwa elemen  hingga  merupakan  elemen  diskrit  dari  suatu kontinum yang mana perilaku strukturnya masih dapat mewakili  perilaku  struktur  kontinumnya  secara keseluruhan.  Pendekatan  dengan  elemen  hingga merupakan suatu analisis pendekatan yang berdasarkan asumsi  peralihan  atau  asumsi  tegangan,  bahkan  dapat juga  berdasarkan  kombinasi  dari  kedua  asumsi  tadi dalam setiap elemennya. Gambar 1 merupakan contoh penggambaran  pembagian  suatu  benda  ke  dalam bagian kecil-kecil atau elemen.
Gambar  1. Diskretisasi  suatu  koninum  pada  Metode Elemen  Hingga  (Wever  dan  Johnston, 1993).
Metode elemen hingga ini yang akan digunakan untuk menganalisis  sifat  mekanik  baja  dengan  komposit e- glass  epoxy dengan  menggunakan  perangkat  lunak Ansys.

## METODE PENELITIAN
Diagram  alir  penelitian  pada  Gambar  2 menunjukkan proses yang digunakan untuk menganalisis  sifat  mekanik  komposit  yang  telah didesain.  Hasil  pemodelan  dari  komposit  pegas  daun dibandingkan dengan hasil pemodelan yang diperoleh dari baja pegas daun tipe 55Si7. Model sifat mekanik yang  dibandingkan  yakni  total  deformasi  yang dihasilkan  oleh  komposit  pegas  daun  dengan  baja pegas daun tipe 55Si7.
.
Gambar 2. Prosedur analisis sifat mekanik komposit dengan Metode Elemen Hingga.
Mulai Preference (Struktural)
Preprosesor 1. Tipe Elemen
2. Material Properties
3. Model  & Meshing
Solusi 1. Analysis Type
2. Kondisi Batas Postprocessor Analisis sifat mekanik Validasi Selesai ya tidak
Permodelan  pegas  daun  dilakukan  dengan menggunakan perangkat lunak Ansys yang merupakan software berbasis  metode  elemen  hingga  atau finite element .  Penelitian  menggunakan  dua  jenis  material yaitu  baja  55Si7  dan e-glass/epoxy .  Untuk  material baja, data yang digunakan merupakan hasil penelitian karlus,  dkk  (2014),  sedangkan  material e-glass/epoxy merupakan hasil permodelan menggunakan ACP (pre) yang  merupakan  salah  satu tools pada  Ansys.  Pada permodelan  ini  terdapat  beberapa  input  diantaranya properties  material , geometri ,  model  dan setup .  Pada Properties  material komposit e-glass/epoxy diambil berdasarkan  hasil  simulasi  menggunakan software autodesk  composite design  simulator seperti  yang ditunjukan pada Gambar 3.
Gambar 3. Prosedur pembuatan e-glass/epoxy . Setelah  mendapatkan  properties  material, kemudian dilakukan konstruksi pegas daun menggunakan ANSYS  Design  Modeler setelah  itu dilakukan  proses  meshing  dengan  jumlah  elemen  dan node  secara  beturut-turut  ialah  628  dan  955.  Setelah tahapan  ini  selesai  tahapan  selanjutnya  yakni melakukan  desain  komposit  atau  tahap  preprosesing pada ACP prepost dengan variasi seperti pada tabel 1.
Tabel 1 . Variais komposit.
Jenis Komposit %Vf : %Vm Arah Serat Jumlah layer Ukuran layer Variabel A 0:100 - - 8.2 mm Variabel B 100:0 0º 41 0.2 mm Variabel C 70:30 0º 41 0,2 mm Variabel D 70:30 45º /- 45º 41 0,2 mm Variabel E 70:30 0º /90º 41 0,2 mm
Setelah  itu,  dilakukan  pembentukan  arah  serat pada komposit pegas daun. Arah serat yang digunakan dalam penelitian ini adalah 0º, 45º, -45º, dan 90º seperti yang  terlihat  pada  Gambar  4.  Sudut  pengambilan gambar  diambil  sepanjang  sumbu  y  dan  garis  panah hijau  menunjukan  arah  serat  pada  komposit.  Setelah tahapan  pembentukan  arah  serat  dilakukan  sesuai
dengan  jumlah  dan  arah  yang  telah  ditunjukan  pada Tabel 1.
Gambar 4 . Arah serat komposit a) Ply angle 0º ,b) Ply angle 90º, c) Ply angle 45º d) Ply angle -45º
Gambar  4  diatas  menunjukan  arah  serat  yang digunakan pada desain komposit. Setelah tahapan ini selesai tahapan  selanjutnya  yakni  melakukan  analisis  statik  atau disebut dengan analisis tegangan.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah fabrikasi komposit, pembebanan diberikan  pada  setiap  variasi    sebesar  6145  N. Pembebanan  ini  nantinya  akan  menghasilkan  nilai tegangan,  dan  deformasi  pada  pegas  daun.  Nilai pembebanan  ini  didapatkan  berdasarkan  spesifikasi kendaraan Daihatsu Gran Max Pick Up 3SZ-VE. Gaya diberikan dibagian tengah seperti pada Gambar 5.
Gambar 5. Pembebanan Pegas daun.
Pada setiap variasi orientasi serat, jumlah lapisan atau  lamina  pada  permodelan  dibuat  sama.  Sehingga parameter  utama  pada  penelitian  ini  adalah  pengaruh dari  orientasi  serat  terhadap  sifat  mekanik  komposit yang dilihat dari nilai stress, strain dan deformasi yang dihasilkan  ketika  pemberian  beban  diberikan  pada setiap variasi yang menghasilkan deformasi total yang berbeda-beda sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Total deformasi pegas daun.
Berdasarkan  grafik  deformasi  yang  ditunjukan  pada Gambar 6, Baja 55Si7 merupakan material pegas yang menghasilkan  nilai  deformasi  terendah  hal  ini dikarenakan baja memiliki kekakuan yang lebih tinggi dibandingkan  material  lainya.  Hal  ini  terlihat  dari young  modulus baja  yang  mencapai  210.00  MPa. Sedangkan  komposit  memiliki young  modulus yang rendah sehingga menunjukan bahwa material ini lebih elastis dibandingkan baja.
Sifat  elastis  komposit  juga  terlihat  dari  tingkat deformasi yang dihasilkan yang rata-rata mencapai 171 mm hingga 177 mm.
Selain  itu,  dibandingkan  dengan  pegas  daun komposit  searah,  komposit  dengan  dua  arah menunjukan  nilai  deformasi  tertinggi.  Hal  ini  sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Munasi (2011) yang  menyatakan  tingkat  deformasi  tertinggi  akan ditunjukkan oleh komposit dua arah. Hal ini dikarekan orientasi serat dua arah akan menyebabkan berkurangnya gaya tegak lurus yang bekerja sehingga menghasilkan  kekuatan  tarik  yang  kecil.  Secara visualisasi  sifat  mekanika  material  tegangan  pegas daun tunggal diperlihatkan pada Gambar 7.
Gambar  7. Hasil  Tegangan  Pegas  Daun  (a)
Baja55Si7, (b) Variabel A, (c) Variabel B, (d) Variabel C, (e) Variabel D, (f) Variabel E.
Gambar 7 merupakan hasil tegangan von misses pada setiap  pegas  daun.  Dari  gambar  terlihat  bahwa  pegas daun  setiap  material  memiliki  letak  tegangan maksimum  yang  berbeda  beda.  Untuk  pegas dan  baja terlihat  memiliki  tegangan  maksimum  pada  bagian tengah  sedangkan  untuk  material  lainya  memiliki tegangan maksimum pada bagian ujung pegas. Untuk itu  dalam analisis akan  dilakukan  pada  bagian  tengah dan bagian ujung pegas .

## PENUTUP Kesimpulan
Berdasarkan  penelitian  yang  telah  dilakukan,  dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : Pegas daun baja. Pegas daun  baja memiliki tegangan kritis pada tengah pegas  sedangkan  pegas  daun  komposit  terletak  pada ujung pegas; Variasi serat pada pegas daun komposit e- glass/epoxy berpengaruh tegangan dan deformasi yang dihasilkan. Tegangan dan deformasi komposit tertinggi ditunjukan pada pegas daun. Sedangkan pada tegangan
(a)
(b)
(d) (c)
(f)
dan  deformasi  terendah  ditunjukan  pada  komposit dengan arah serat dua arah yaitu pada variabel D dan E.

## REFERENSI
Callister, W.D. and Wiley, J.(2007).Material science. Engineering: An Introduction.
Dhoshi, N. P., Ingole, N. K., & Gulhane, U. D. (2011).
Analysis  and  modification  of  leaf  spring  of tractor trailer using analytical and finite element method. International Journal of Modern
Engineering Research (IJMER), 1(2), 719-722. Gebremeskel,  S.  A.  (2013).  Design,  simulation,  and prototyping of single composite leaf spring for light weight vehicle. Global Journal of Research In Engineering, 12(7-A).
Gulur  S.,  S.S.  and  Vijayarangan,  S.  (2006).  Mono composite leaf spring for light weight vehicle– design,  end  joint  analysis  and  testing.  ISSN 1392–1320 MATERIALS SCIENCE
(MEDŽIAGOTYRA). Vol. 12, No. 3.
Patunkar, M.M. dan D. R. Dolas. (2013). Experimental
Investigation and FEA of Mono Composite Leaf
Spring  Under  the  Static  Load  Condition.
International Journal
of Mechanical
Engineering & Computer Application. Volume
1 No. 7: 130 – 139.
Riedel  U.,  Nickel  J.,  Herrmann  A.S.  (1999).  High Performance  Applications  Of  Plant  Fibres  In Aerospace  And  Related  Industries.  German Aerospace Center (DLR), Germany.
Saini,  P.,  Goel,  A.,  &  Kumar,  D.  (2013).  Design  and analysis  of  composite  leaf  spring  for  light vehicles. International  journal  of  innovative research in science, engineering and technology 2(5).
Weaver,  W.,  P.  R.  Johnston.  (1993).  Elemen  Hingga Untuk Analisis Struktur. Edisi Kedua.
PT.Eresco. Jakarta .