## PERANCANGAN DAN SIMULASI FRAME MOBIL GOKART
Muhammad Syahrul Ramadhan 1 , Lukas Kano Mangalla 2 , Samhuddin 3
1 Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Halu Oleo
2’3 Dosen Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Halu Oleo Jln. H.E.A Mokodompit, Kampus Bumi Tridarma Andonohu, Kendari 93232 E-mail : sarulramadhan14062@gmail.com
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk menggetahui distribusi tegangan, displacement , regangan dan faktor keamanan pada frame gokar. Dalam penelitian ini konstruksi frame di desain menggunakan software Autodesk Inventor dan simulasi menggunakan software Ansys Fluent . Material baja karbon yang mempunyai maksimum pembebanan 95 Kg digunakan sebagai bahan frame dalam analisis ini. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tegangan masimum yang terjadi pada frame mencapai 34,731 N/m 2 dari hasil simulasi sedangkan pada perhitungan manual tegangan mencapai 34,772 N/m 2 . Regangan maksimum yang dihasilkan simulasi yaitu 1,95× 10 cm dan perhitungan manual 1,73× 10  cm . Displacement maksimum terbesar pada simulasi 0,175 cm sedangkan pada perhitungan 0,278 cm. Faktor keamanan yang dihasilkan yaitu 10,045.
Kata kunci : Perancangan, Simulasi, frame, gokar, dan faktor keamanan.

## Abstract
This research isaimingto know the distribution of stress, strain, displacementas well as safety factor on gmokart frame. The frame was designed in Autodesk inventor software and simulated using AnsysFluent. Carbon steel with maximum loadof 95 Kg was used as material for the frame. The results of this research indicate that maximum stress at the main frame can reach around 34,731 N/m 2 in simulation and 34,772 N/m 2 by manual calculation. On the other hand, the maximum stresscan reach 1,95 × 10 cm in  simulation and 1,73× 10 from manual calculation. The maximum displacementhappened on the frame is around 0,175 cm in simulation while in calculation it can reach around 0,278 cm. Material used for the frame has the safety factor of 10,045.
Keyword: Design, simulation, frame, gokart, and savety factor.

## 1. Pendahuluan
Kendaraan Gokar merupakan salah satu kendaraan yang biasa digunakan dalam even racing atau balapan. Kendaraan tersebut dapat menggunakan energi listrik atau motor penggerak mula (mesin 2 langkah dan mesin 4 langkah). Konstruksi mesindanrangka ( frame ) pada kendaraan gokar lebih sederhana dibandingkan dengan kendaraan penumpang lainnya.
Pada fungsi tertentu, kendaraan gokar dibuat dengan ukuran relatif kecil. Pada gokar, beban ditopang oleh frame yang mendukung beban mesin dan penumpang. Frame ini harus memiliki kekuatan lebih besar dari beban yang diterima kendaraan. Selainitu, frame juga harus berbobot kecil dan mempunyai nilai kelenturan tinggi
(Sadikin, 2013). Dilain pihak, pada kenyataanya material pada frame tersebut sering tidak mampu menahan beban yang diterima.
Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya defleksi pada konstruksi frame tersebut sehingga rawan terjadinya retakan dan bahkan patahan. Karena pentingnya kekuatan frame pada kendaraan ini maka perlu dilakukan analisis terhadap desain dari frame tersebut. Dalam tulisan ini kita dapat memperkirakan besar tegangan, regangan, dan defleksi yang terjadi pada struktur frame gokar tersebut.

## 2. PustakaTerdahulu
Perancangan khususnya mengenai frame ini  telah  dilakukan  oleh  beberapa peneliti sebelumnya. Hafidz.,dkk (2015),
merancang gokar listrik dengan beban 140 kg dan menganalisis beban tersebut menggunakan perhitungan Statika Struktur dan Mekanika Kekuatan Material. Pada perancangan frame gokar listrik ini menggunakan material ST 37 pipe tube yang mempunyai tegangan luluh sebesar 235 dan tegangan ijin sebesar 117,5 yang berjari-jari luar 12,7 mm dan jari-jari dalam 12,5 mm, aman memikul beban.
Kendaraan merupakan salah satu produk yang padat dengan teknologi dan perkembangan, dimana jumlah komponen sangat banyak. Namun secara garis besar tersusun atas empat komponen utama, yakni : Rangka, Bodi, Rangkaian penghasil tenagadan Rangkaian penerus tenaga.
Gokart adalah varian dari kendaraan roda empat dengan atap terbukasederhana dan kecil untuk olahraga motor. Kecepatan gokar sangat bervariasi dan beberapa disebut (disebut superkart ) dapat mencapai kecepatan melebihi 260 km/jam berbeda dengan yang ada ditaman hiburan yang hanya melaju dalam kecepatan 24 km/jam (Daryanto, 2002).
Frame Chassis terbuat dari baja profil kotak yang dirancang sedemikian rupa sehingga mampu untuk menahan sebagian besar beban yang ada dalam sebuah kendaraan. Fungsi utama dari frame chassis gokart adalah :
1. Untuk mendukung gaya berat dari kendaraan.
2. Untuk menahan torsi dari mesin, kopling sentrifugal, aksi percepatan dan perlambatan, dan juga untuk menahan gaya torsi yang diakibatkan dari bentuk permukaan jalan.
3. Untuk menahan beban kejut yang diakibatkan benturan dengan benda lain.
4. Sebagai landasan untuk meletakkan bodi kendaraan, mesin serta kopling sentrifugal, tangki bahan bakar, tempat duduk penumpang.
5. Untuk menahan getaran dari mesin dan getaran yang timbulkan karena efek bentuk permukaan jalan.
Dinamika perilaku kendaraan, arah dan stabilitas kendaraan, serta kenyamanan dan keamanan kendaraan sangat rumit untuk digambarkan. Untuk menghindari kompleksitas pemahaman, maka disini kendaraan dimodelkan sebagai suatu benda kaku tanpa suspensi
Sebelum menganalisis dinamika kendaraan lebih lanjut, maka perlu ditentukan terlebih dahulu dimana titik berat dari kendaraan. Untuk menentukan titik berat kendaraan dapat menggunakan sistem eksperimen, yaitu ditimbang dengan asumsi bahwa beban terdistribusi merata dapat dilihat pada gambar.
Gambar 1. Kendaraan gokar
Ada empat parameter pokok yang sering dipakai untuk menunjukkan kemampuan laju suatu kendaraan, yaitu :
1. Percepatan kendaraan (a) yang dapat dihasilkan pada setiap kecepatan kendaraan.
2. Waktu yang diperlukan (t) untuk menaikkan kecepatan dari kecepatan awal (V 1 ) kekecepatan yang lebih tinggi (V 2 ).
3. Jarak tempuh (s) yang diperlukan untuk menaikkan kecepatan dari V 1 ke V 2 . 4. Besar sudut tanjakkan jalan yang mampu dilalui oleh kendaraan.
Sistem kemudi pada kendaraan bertujuan untuk mengendalikan arah gerakan ( handling ) kendaraan. Suatu sistem
kemudi dikatakan ideal jika mempunyai sifat-sifat sebagai berikut: a. Dapat digunakan sebagai pengendali arah kendaraan untuk segala kondisi, segala jenis belokan, dan dalam segala kecepatan.
b. Dapat menjamin serta menjaga kestabilan kendaraan pada segala jenis gerakan belok dan dalam segala kecepatan.
c. Tidak membutuhkan tenaga yang besar
dari pengemudi untuk menggerakkan dan mengendalikan arah roda kemudi.
d. Tidak membahayakan pengemudi jika terja dikecelakaan pada kendaraan.
Untuk mendapatkan ukuran yang sesuai. Untuk menentukan ukuran baut dan mur, berbagai faktor harus diperhatikan seperti sifat gaya yang bekerja pada baut, syarat kerja, kekuatan bahan dan kelas ketelitian. Pada kebanyakkan bahan teknik terdapat hubungan antara tegangan dan regangan. Untuk setiap peningkatan tegangan terjadi peningkatan regangan yang sebanding, sebelum batas tegangan dicapai. Jika tegangan mencapai nilai batas, hubungan regangan tidak lagi proposional dengan regangan (Zainuri, 2007). Modulus Young dinotasikan dengan simbol E dan berlaku untuk tarik atau tekan, dinyatakan dengan persamaan 1.

## E =                                                               (1)
Keterangan :
E   = Modulus elastisitas (GPa)
= Tegangan (Kg/mm 2 )
= Regangan (%)
e = L

## L  atau  = E                                      (2)
Keterangan:
e  = regangan (%) L  = pertambahanpanjang (mm) L   = panjangmula-mula (mm)
= F A  atau  = M. y I                                   (3)
Keterangan: = tegangan (Pa) F  = gaya (N) A  = luas penampang (m 2 )

## SF = Fu
Fi  atau SF = yield stress              (4) Keterangan:
SF  = faktor keamanan Fu   = tegangan leleh (Kg) Fi   = teganan ijin (Kg)

## = F. L
48. E. I                                                    (5) Keterangan:
= defleksi (mm) f = gaya (Kg)
l = panjang (mm) E = Elastisitas (GPa)
I = Inersia (mm 4 )
Secara umum hubungan antara tegangan dan regangan dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Diagram tegangan regangan (Zainun, 2007)
Struktur adalah suatu kesatuan dan rangkaian dari beberapa elemen yang direncanakan agar mampu menerima beban luar maupun berat sendiri tanpa mengalami perubahan bentuk yang melampaui batas persyaratan. (Kastiawan, 2010).
Pembebanan ( loading ) terbagi menjadi
5 macam yaitu:
1. Beban mati, ialah berat sendiri kontruksi dan bagian lain yang melekat.
2. Beban hidup, ialah beban dari pemakaian gedung seperti rumah tinggal, kantor, dan tempat pertunjukan.
3. Beban angin, ialah beban yang disebabkan oleh adanya tekanan angin.
4. Beban gempa, ialah beban yang diadakan karena adanya gempa.
5. Beban  khusus,  ialah  beban  akibat  selisih suhu, penurunan, susut, dan sebagainya.

## Perancangan
Perancangan adalah suatu proses yang bertujuan untuk menganalisis, menilai memperbaiki dan menyusun suatu sistem, baik sistem fisik maupun non fisik yang optimum untuk waktu yang akan datang dengan memanfaatkan informasi yang ada.
Dari definisi tersebut terdapat tiga hal yang harus diperhatikan dalam perancangan yaitu :
a. Aktifitas dengan maksud tertentu, b. Sasaran pada pemenuhan kebutuhan manusia c. Berdasarkan pada pertimbangan teknologi. Simulasi Salah satu cara yang banyak digunakan sekarang ini dalam menganalisis berbagai permasalahan keteknikan adalah menggunakan simulasi software Ansys 18.1. Dalam Ansys Workbench berisi
beberapa fasilitas, diantaranya:
1. Mechanical , untuk analisa struktur (statik) dan thermal (perpindahan panas),
2. Fluid Flow , yang terdiri dari Ansys Cfx dan Fluent , untuk analisa
CFD
( Computational Fluid Dynamics ),
3. Engineering Data, sebagai database material lengkap dengan propertiesnya,
4. Design Modeler , digunakan untuk membangun geometri model yang akan dianalisa. Juga dapat digunakan untuk memodiifikasi hasil gambar dari perangkat lunak CAD,
5. Meshing Application , fasilitas untuk
“ meshing ” baik pada CFD maupun Explicit Dynamics . 6. Blade Gen , untuk membangun geometri blade, seperti fan, blower , sudu turbin dan lain-lain

## 3. Metodologi Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknologi Mekanik dan Material  Fakultas  Teknik  UHO,  yang dimulai pada bulan Desember 2017 hingga April 2018..
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Laptop
2. Software Ansys 18.1 yang digunakn untuk melakukan simulasi
3. Software  Atodesk  Inventor 2017 yang
digunakan untuk mendesain Frame.
Adapun prosedur dalam penelitian ini adalah:
1. Menyiapkan alat
2. Memberi dimensi pada frame .
Gambar 3. Dimensi frame
3. Material frame
Material Frame yang direncanakan adalah baja karbon ST 42 ( Hollow 50 x 30 mm).
4. Menggambar frame gokar dengan
Auto Desk Inventor 2017, dapat dilihat tampilan frame pada aplikasi Auto Desk Inventor 2017.
Gambar 4. Frame menggunakan Autodesk Inventor 2017 5. Menentukan geometri, 6. Melakukan simulasi dengan aplikasi software Ansys 18.1
Hasil penelitian ini adalah hasil yang diperoleh berdasarkan hasil pengujian mengunakan sofware Ansys 18.1 dan perhitungan manual.
Gambar 5. Penrencanaan proto type mobil gokart Perhitungan kekuatan frame berdasarkan dimensi rancangan yang telah dibuat menggunakan material Steel Carbon , dengan beban pengendara yaitu 65 Kg dan beban mesin 30 Kg Analisa kekuatan frame dilakukan saat kondisi Statis, yaitu ketika pengendara menaiki mobil gokar dalam posisi diam. Pada analisa ini, beban terbagi ke 2 tempat yakni tempat duduk dan tempat mesin . Berdasarkan buku Human Body Dynamics: Classical Mechanics and Human Movement (Aydin Tozeren, 2000).
Adapun tegangan ijin material Steel Carbon dengan faktor keamanan statik yaitu sebesar (Sf = 4). untuk menghitung
tegangan ijin material digunakan persamaan.
= S                                                   (6)
= 420 N/mm 4
= 105
Perhitungan kekuatan frame dengan beban pengendara 65 Kg dan beban  mesin 30 kg
1. Beban pengendara
Adapun besar gaya yang bekerja pada frame mobil gokart untuk beban pengendara 65 kg, dengan mengasumsikan percepatan gravitasi adalah 9,81 m/s 2 , maka besar beban pengendara adalah 637,65 N. Beban pengendara ini ditopang oleh dua penampang dan terdapat 4 titik pembebanan maka berat beban dibagi 4.
Adapun besar beban ditiap titik adalah : F1 = 159,4125 N F2 = 159,4125 N F3 = 159,4125 N F4 = 159,4125 N
Gambar 6. Diagram beban pengendara Diperoleh:
MR1=  0 F.  L 1 +  F 2 (  L 1 +  L 2 )  –  R 2 (  L 1 +  L 2 +  L 3 ) 159,4125 N x 200 + 159,4125 N x ( 200 + 400) – R 2 (200 + 400 + 200)
R = 127530 N.mm 800 mm
R = 159,4125 N MR2= 0
MR1 = 0 – F 1 . (L 1 + L 2 ) + F 2 . L 3 R = 127530 N.mm 800 mm R = 159,4125 N
M A = R 1 . L 1 = 159,4125 . 200 = 31882,5 N.mm M B = R 1 . (L 1 + L 2 ) – R 1 .L 1 = 95647,5 – 63765 = 31882,5 N.mm
Gambar 7. Diagram tegangan geser dan momen
2. Distribusi beban mesin
Adapun besar gaya yang bekerja pada frame mobil gokart untuk beban mesin 30 N. Dengan mengasumsikan percepatan gravitasi adalah 9,81 m/s, maka besar beban mesin adalah 294,3 N. Beban mesin ditopang oleh dua batang penampang dan terdapat empat titik pembebanan sehingga beban terbagi rata pada penampang tersebut beban yang ditanggung masing masing penampang adalah 73,575 N.
Gambar 8. Diagram beban Diperoleh: MR 1 =  0 F 5 .L 1 + F 6 (L 1 + L 2 ) – R 2 ( L 1 + L 2 + L 3 ) = 0
73,575 x 50 + 73,575 x ( 50 + 200) – R 2 (50 + 200 + 50) R = 22072,5 N. mm 300 mm R =73,575 N MR 2 =  0 MR1 - F 1 . (L 2 + L 3 ) + F 2 . L 3 R = 22072,5 N. mm 300 mm R =73,575 N
M A = R 1 . L 1 = 73,575 N . 50 mm = 3678,75 N.mm M B = R 1 . ( L 1 + L 2 ) – R 1 . L 2 = 73,575 N .250 mm – 73,575 .200 = 3678,75 N/mm
Vol. 3, No. 2, Juni 2018 e-ISSN: 2502-8944 ENTHALPY-Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin
Gambar 9. Diagram tegangan geser dan momen
3. Reaksi disetiap titik tumpuan
Untuk mencari reaksi di setiap titik tumpuan digunakan diagram benda bebas (DBB) bagian blakang (R BLK ) – depan (R DPN ) diberi beban yang bekerja pada bagian ini adalah beban penumpang dan beban mesin.
Gambar 9. Diagram beban R BLK = 0 F 8, F 7. (L 1 )  +  F 6 F 5 .(L 1 +L 2 )  +  F 4, F 3 (L 1 +L 2 +L 3 )  +  F 2, F 1 (  L 1 +  L 2 +L 3 +  L 4 )–  R DPN (L 1 +L 2 +L 3 +L 4 + L 5 ) = 0
R = 543557,25 N. mm 1330 mm R = 408,689 N R DPN = 0
R DPN (L 1 +L 2 +L 3 +L 4 +  L 5 )–  F 8 F 7 (L 2 +  L 3 + L 4 +L 5 ) + F 6 F 5 (L 3 +L 4 + L 5 ) + F 4 F 3 (L 4 +L 5 ) + F 2 F 1 ( L 5 )= 0 R BLK = , .
R BLK = 531,9896 N 4. Tegangan maksimal = M. y I
Dimana: M = F.L/4 M = 531,9895 Nx 1330 mm /4 M = 176886,542 N/.mm y = tinggi material/ 2 y = 40 mm /2 y = 20 mm I = BD 12 bd 12 I = 40mm x 40  mm 12 34 mm x 34  mm 12 I = 101972 mm 4
Penyelesaian:
= M. y I
= 176886,542 N. mm x 20 mm 101972 mm
= 34,693 N/mm 2
5. Regangan
Berdasarkan persamaan untuk menghitung regangan suatu rancangan digunakan persamaan:
= E Penyelesaian:
= 34,693 N/mm
2 x 10 N/mm
= 1,7386 x10 -4
6. Defleksi
Berdasarkan persamaan untuk menghitung defleksi suatu rancangan digunakan persamaan:
= F L
48  E I
= 531,9895  . 800
48  2. 10    101972 = 272609280000 978931200000
= 0,278 mm
Gambar 10. Titik berat pada sumbuh X dan Y
Untuk mencari titik berat pada sumbuh
Y sesuai Gambar 6, maka rumus yang
digunakan adalah :
Y  = Fx. Yy Fx Y = 299205 N/mm
931,95 N
Y = 321 mm
Dari  gambar  maka  untuk  mencari  titik pusat beban pada sumbuh X yaitu :
X  = Fx. Xx
F X = 707546.25 N/mm

## 931,95 N
X =759 mm
Dari hasil perhitungan maka titk berat sumbuh Y dan X dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 11. Berat titik pusat Y,X

## Hasil Simulasi (Solve) Beban Pengendara dan Mesin
Hasil simulasi dapat dilihat dengan klik solve maka akan memperlihatkan data yang menjadi Otput yaitu total deformation, Equivalent Stress dan Equivalent Elastic
Strain ditunjukan pada gambar berikut:
Gambar 12. Total deformation
Dari hasil simulasi menggunakan Ansys Workbench 18.1 didapatkan  deformasi maximum dengan beban 637,65 N dan 294,3 N terhadap pengaruh pembebanan pada frame yaitu 0,175 maximum dan 0 min
Gambar 13. Equivalent stress
Dari hasil simulasi Ansys workbench 18.1 didapatkan tegangan maksimum 34,731 MPa  terhadap frame dengan beban 637,65  N dan 294,3 N hasil ini juga ditunjukan dengan orientasi warna dan angka atau besarnya tegangan yang tercantum pada aplikasi setelah proses simulsi

## dilakukan
Gambar 14. Equivalent strain
Dari hasil simulasi Ansys workbench 18.1 didapatkan tegangan maksimum 0,000195 frame dengan beban 637,65 N dan 294,3 N.
4. Pembahasan
Besarnya tegangan, regangan, defleksi dan faktor keamanan pada frame mobil gokar berdasarkan hasil perhitungan dan simulasi diberikan pada tabel berikut ini. Tabel 1. Pengaruh stress, strain, and displacement Output Perhitungan Simulasi Ansys Stress Strain Displacement 34,722 1,73 x 10 4 0,278 34,731 1,95 x 10 4 0,175
Pengaruh beban  terhadap tegangan, regangan dan displacement pada frame mobil gokart . Nilai tegangan maksimum pada perhitungan manual adalah 34,72 sedangakan tegangan yang dihasilkan melalui simulasi yaitu 34,73. Adapun regangan yang dihasilkan pada perhitungan manual yaitu 0,000173 sedangkan pada simulasi dihasilkan nilai regangan 0,000195, begitu juga displasemen yang dihasilkan melalui perhitungan manual yaitu 0,278 dan simulasi 0,175 . dari hasil simulasi dan perhitungan dapat disimpulkan bahwa nilai yang didap tidak jauh berbeda. Hal ini menunjukan bahwa semakin besar beban yang diberikan maka semakin besar pula tegangan yang terjadi pada frame mobil gokart

## Kesimpulan
Dari hasil simulasi ansys dan perhitungan manual pada penelitian ini maka dapat disimpulkan sebagai berikut :
Pada perancangan frame mobil gokart telah memenuhi kriteria aman pada simulasi pembebanan yang diberikan. Hal ini ditunjukan dengan hasil tegangan maksimum yang dihasilkan pada pembenanan masih dibawah tegangan ijin material. Perancangan frame mobil gokar yang didesain mampu menahan beban 95 Kg. Untuk meningkatkan keamanan dapat dilakukan penelitian dengan penggantian material yang mempunyai tegangan ijin lebih tinggi dari material pada perancangan penelitian ini. Besar regangan,tegangan dan displacement tergantung pada besar beban yang diberikan pada frame. Pada penelitian ini tegangan , regangan ,dan dispalcemen yang dihasilkan simulasi dan perhitungan tidak jauh berbeda

## Saran
Berdasarkan hasil penelitian maka dapat disarankan bahwa :
Sebelum melakukan perancangan alat sebaiknya melakukan simulasi bukan hanya perhitungan teoritis agar desain yang akan dibuat memenuhi syarat dan pastinya dapat memenuhi kebutuhan alat itu sendiri. Sebagian besar  proses penelitian ini sendiri menggunakan aplikasi software yang memiliki kapasitas yang cukup tinggi sehingga diperlukan komputer yang memiliki spesifikasi tinggi pula penulis menyarankan pada instansi terkait untuk pengadaan komputer yang berspesifikasi tinggi dari yang sudah ada sehingga laboratorium konstruksi dapat berjalan dan di pergunakan sesuai fungsinya. Hasil perancangan frame mobil gokart ini terbukti aman dan efektif sehingga dapat digunakan dalam efen resing.

## Daftar Pustaka
Bambang Setyono., dkk, 2016. Peranacangan dan Analisis kekuatan frame sepeda hybrid ‘’Trisona menggunakan software Autodesk
Inventor, Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
Daryanto, 2002. Teknik Merawat Automobil Lengkap, cetakan pertama, CV. Yrama Widya, Bandung.
Hafidz Ammar Haryono Putrodkk, Perancangan Rangka Gokar Listrik, Jurusan Teknik Mesin Universitas Sam Ratulangi
Khurni, R.S., Gupta, J .K., A ,1982. Text
Book Of Machine Design, Eurasia Publishnig House. (Pvt) Ltd, Ram
Nagar, New Delhi
L.D. Miles.1940. Genera Elactric AS
Pulat, Babur Mustafa and Alexander, David
C. Editor 1992, Industrial Ergonomics Case Studies. New York:McGraw-Hill,
Inc.
Sadikin, A.2013. Perancangan Rangka
Chasis Mobil Listrik Untuk 4
Penumpang Menggunakan Software
3D Siemens NX8 .
Suratman, M.2002. Servis dan Teknik
Reparasi Sepeda Motor. PT. Pustaka
Grafika. Bandung.