## Optimasi Dimensi
Connecting Rod
Al2024 dan Tulangan Baja 4340 pada Kawasaki Ninja 150 R Menggunakan ANSYS
Alfan Ekajati Latief, Nuha Desi Anggraeni Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, ITENAS, Bandung Email: alfanekajati@gmail.com

## ABSTRAK
Connecting  rod  berfungsi  menghubungkan  piston  ke  crankshaft,  sistem  ini  membentuk  mekanisme sederhana  yang  mengubah  gerak  lurus  menjadi  gerak  melingkar  ataupun  sebaliknya.  Umumnya connecting rod dirancang berbenruk I agar kuat dan ringan dengan material baja. Pengurangan massa pada  connecting  rod  dapat  mengurangi  momen  inersia  engine,  meningkatkan  performa  dan  fuel efficiency  engine.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mendapatkan  dimensi  optimum  connecting  road menggunakan  material  Al  2024  dan  tulangan  baja  4340.Dimensi  optimum  harus  dapat  menahan tegangan dan regangan maksimum yang terjadi pada connecting rod ketika menerima beban tekan dan tarik.  Penelitian  dilakukan  dengan  melakukan  varisi  dimensi  profil  I  dan  bentuk  tulangan  dengan dimensi  lain  menyesuaikan  spesifikasi  connecting  rod  Kawasaki  Ninja  150  R.  Hasil  penelitian memperlihatkan bahwa connecting rod dengan profil I, bentuk tulangan webbing merupakan tulangan paling optimal dengan ketebalan 8 mm dengan berat total 0,12 Kg.
Kata kunci : connecting rod, tulangan baja, Al2024, ANSYS

## ABSTRACT
The  connecting  rod  serves  to  connect  the  piston  to  the  crankshaft;  this  system  forms  a  simple mechanism that converts straight motion into circular motion or vice versa. Generally, connecting rods are designed to be made in order to be strong and lightweight with steel material. Reducing the mass of the  connecting  rod  can  reduce  the  moment  of  engine  inertia,  improve  the  performance  and  fuel efficiency  engine.  This  study  aims  to  obtain  the  optimum  dimensions  of the  connecting  road  using  Al 2024  material  and  steel  reinforcement  4340.  The  optimum  dimension  must  be  able  to  withstand  the maximum stress and strain that occurs in the connecting rod when receiving compressive and tensile loads. The study was conducted by varying the dimensions of profile I and shape of reinforcement with other dimensions adjusting the specifications of the connecting rod Kawasaki Ninja 150 R. The results showed that the connecting rod with profile I, the form of webbing reinforcement was the most optimal reinforcement with a thickness of 8 mm and total mass 0,12 kg.
Keywords : connecting rod, reinforcement steel, Al2024, ANSYS.

## Alfan Ekajati Latief dan Nuha Desi Anggraeni

## 1. PENDAHULUAN
Connecting  rod mempunyai  fungsi  untuk  meneruskan  daya  dari  piston  ke  poros  engkol  dengan mengubah gerak translasi pada piston menjadi gerak rotasi pada poros engkol. Gaya yang bekerja pada connecting rod dihasilkan dari sistem pembakaran yang terdapat di ruang silinder akibat rekasi udara dan gas pembakaran. Oleh karena itu connecting rod harus mampu menahan beban tarik , tekan dan tegangan  lentur  yang  muncul  akibat  gaya  dorong  maksimum  piston  dan  gaya  sentrifugal  [1]. Optimalisasi connecting rod sudah dimulai  pada awal tahun 1983 oleh Webster dan tim, diantaranya dengan menghasilkan produk connecting rod dengan waktu yang singkat, membuatnya lebih kuat dan ringan  sehingga  mendapatkan  biaya  produksi  yang  lebih  murah,  sedangkan  untuk  sifat  mekaniknya desain connecting rod diantaranya yaitu beratnya akan sangat berpengaruh  terhadap kinerja dari mobil oleh karena itu dampaknya terhadap kredibilitas pembuat mobil [2].
Optimalisasi  dengan    mereduksi  massa connecting  rod ,  menyebabkan  momen  inersia engine dapat dikurangi,  sehingga  akan  dihasilkan  peningkatan  performa  dan fuel  efficiency  engine ,  dengan memperhatikan  juga  faktor  keamanan design ,  karena connecting  rod mengalami high  compressive load akibat energi pembakaran bahan bakar di ruang bakar dan high tensile load akibat momen inersia connecting rod [3].
Saat ini material yang sering digunakan untuk komponen connecting rod adalah baja dan aluminum, hanya saja untuk aluminum dimensi yang dihasilkan lebih besar daripada baja baik itu bagian small end,  big  end dan  profil  penampangnya.  Terutama  bagian  profil  penampangnya  sehingga  tidak siginifikan  hasil  optimasi  mereduksi  massanya,  oleh  sebab  itu  pada  penelitian  ini  dimensi  yang dirubah  hanya  dimensi  profilnya  saja  tanpa  merubah  dimensi  bagian  lain  pada connecting  rod ninja 150  R  ini  dengan  menambahkan  tulangan    baja  pada  material  almunium  untuk  mendapatkan  hasil massa yang ringan
Dengan mereduksi massa dari connecting rod hal yang harus dipertimbangkan adalah Factor of Safety (FOS)    sebesar  2,1  [4]  diharapkan  hasil  optimasi  dimensi connecting  rod Al2024  dan  tulangan  baja 4340  pada  Kawasaki  Ninja  150  R  mampu  menahan  beban  yang  terjadi  di  connecting  rod  terutama beban  tekan  yang  terjadi  pada  bagian small  end .  Dengan  memvariasikan  bentuk  dan  dimensi  yang optimal  pada  tulangan,  karena  pada  penelitian  sebelumnya  dengan  material  Al2024  dan  tulangan hanya  ditinjau  pengaruh  tulangan  pada  connecting  rod  dapat  meningkatkan saftey  factor dan  belum mendapatkan nilai saftey factor diatas 1[5].
Untuk  mendapatkan  hasil  safety  factor  diatas  1  maka  dilakukan  perubahan  variasi  dimensi  profil  I pada batang aluminum yaitu dimulai dari tebal 6,8 dan 10 mm dengan beban yang sama mengunakan ANSYS, output yang didapat adalah deformasi, regangan dan tegangan maksimum pada connecting rod .

## 2. METODOLOGI

## 2.1 Metodologi Penelitian
Proses  perancangan  dimulai  dari  penelitian  yang  sudah  dilakukan  sebelumnya  [5]    dilakukan perhitungan  dimensi  profil  I connecting  rod berdasarkan  parameter  gaya    akibat  pembakaran (tekanan),  gaya  akibat  momen  inesia  dan  gaya  akibat  gesekan  piston  terhadap  ruang  bakar  untuk mendapatkan  dimensi  profil  I  untuk  bahan  Al2024.  Selain  itu  pada  bagian small  end dan big  end ditambahkan bushing utuk  menghidari  terjadinya  gesekan  secara  langsung  antar  pada  permukaan
material  aluminium connecting  rod dengan  kepala  silinder  (piston)  dan crank  shaft .  Untuk  material tulangan yang digunakan adalah baja 4340 dan matriks connecting rod Al2024. Diagram alir proses optimasi dapat dilihat pada G ambar 1
Start
1. Dimensi connecting rod Al2024
dan tulangan Ninja 150 R 2. Gaya akibat gas pembakaran
3. Gaya akibat momen inersia Pembuatan
Struktur Model Kondisi Batas dan Pembebanan Tulangan Webbing Tulangan Bar Pembuatan Meshing Analisis Model Hasil Pengecekan struktur model Safety factor
Stop Optimasi Tinggi Profil I a
a Pembuatan Struktur Model Kondisi Batas dan Pembebanan Pembuatan Meshing Analisis Model Hasil Efisiensi Optimal Stop Tidak > Tidak Ya < Ya

## 2.2  Material
Material  yang  digunakan  dikelompokkan  ke  dalam  material  komposit  menggunakan  matriks alumunium 2024 dan baja 4340. Sesuai dengan spesifikasi connecting rod yang membutuhkan rasio kekuatan dan berat yang tinggi, dan harus tahan terhadap kelelahan, maka paduan alumunium dan baja merupakan paduan yang sesuai. Sifat mekanik material Al2024 dan baja 4340 diperlihatkan pada T abel 1.
Tabel 1 Sifat Mekanik Material Sifat Mekanik Al2024 Baja 4340 Hardness, Brinell 120 321 Hardness, Rockwell A 46,8 95 (Rockwell B) Ultimate Tensile Strength 469 MPa 1110 Mpa Tensile Yield Strength 324 MPa 710 Mpa Elongation at Break 19 % 13,2 % Modulus of Elasticity 73,1 GPa 205 GPa Ultimate Bearing Strength 814 MPa - Shear Modulus 28 GPa 80 GPa Shear Strength 283 MPa 770 MPa

## 2.3 Desain Connecting Rod Al2024
Untuk memudahkan desain connecting rod , maka perlu diketahui spesifikasi motor yang diperlihatkan pada T abel 2.
Tabel 2 Spesifikasi motor ninja 150 R Max power 22,1 kW (30,1) Ps; n = 1050 rpm Torsi Max 20,5 Nm untuk n = 9,500 rpm Compresion ratio 6,8 : 1 Diameter x langkah 59,0 x 54,4 mm Displacement
Gaya-gaya yang terjadi pada connecting rod diperlihatkan pada G ambar 2.
Gambar 2 Gaya aksi pada connecting rod [6] Dengan: Fp = Gaya aksi pada pin piston ( Fp + Finersia – Fges) (1) Fg = Luas × tekanan, (2) ÷÷ ø ö çç è æ ´ max 2 4 P d p
Optimasi Dimensi Connecting Rod Al 2024 dan Tulangan Baja 4340 pada Kawasaki Ninja 150 R Menggunakan ANSYS
P max didapat dari persamaan gas ideal Persamaaan Gas Ideal
(3)
• mr = Masa komponen akibat gerakan naik turun piston, (Masa piston, pin pengunci + 1/3 rd masa dari batang  penghubung),
• ω   = Kecepatan sudut engkol
• θ   = Sudut kemiringan engkol pada saat titik mati atas
• r   = Radius engkol
(4)
• h = Keliling piston
• d piston = 59,3 mm
• P = Tekanan pada ring piston mPa
• µ = Koefisien gesek ring piston
• I = jumlah ring piston
Profil I connecting rod diperlihatkan pada G ambar 3.

## Gambar 3 Profil I connecting rod
Untuk  menghitung shrink  fit ,  perlu  ditentukan  besaran  deformasi  yang  diinginkan  dengan menggunakan persamaan (5).
(5)
dengan,
δ = total deformasi yang diinginkan
α = koefisien pada ekspansi termal
L = nilai panjang dari bagian termal yang dipanaskan ∆T = perbedaan temperatur
Antara  bantalan  dan  rumah  bantalan  terdjadi  tegangan  tangensial  dan  radial,  yang  dijelaskan  dalam persamaan (6) dan (7).
(6)
(7)
dengan,
S t = tegangan tangensial antara bantalan dan rumah bantalan
V T R m P × × = ÷ ø ö ç è æ + × × × = n R r m F inersia q q w 2 cos cos 2 I P d h F ring piston ges × × × × × = µ 14 , 3 ( ) T L D = a d ú û ù ê ë é + + D + = 2 2 1 4 b a A D E S t ú û ù ê ë é - + D + =
2 2 1 4 b a A D E S r
S r = tegangan radial antara bantalan dan rumah bantalan a = jari-jari dalam bantalan b = jari-jari luar bantalan E = modulus Elastis ∆D = perubahan diameter lubang bagian dalam rumah bantalan
Dari perhitungan-perhitungan yang dilakukan diperoleh dimensi dan parameter connecting rod Al2024 [5], diuraikan dalam T abel 3 dan T abel 4.
Tabel 3 Parameter connecting rod Parameters Size (mm) Tebal (t) 3,8 Lebar (4t) 15,2 Tinggi (5t) 19 Tinggi small end (H1) 17,1 Tinggi big end (H2) 21 Diameter dalam small end 21 Diameter luar small end 29 Diameter dalam big end 31 Diameter luar big end 41 Tabel 4 Parameter bearing Parameters Size (mm) Panjang small end 18 Diameter dalam small end 19 Diameter luar small end 21,5 Diameter dalam big end 29 Diameter luar big end 31,5 Delta Shrink fit 0,2
Dengan menggunakan persamaan (1) diperoleh gaya-gaya yang bekerja pada connecting rod sebagai berikut:
Sehingga diperoleh gaya kompresi yang bekerja pada connecting rod besarnya adalah 44813,7 N.

## 2.4 Perhitungan Material Komposit Connecting Rod
Pendekatan perhitungan material komposit untuk mengetahui sifat mekanik dan fisik material Al 2024 dan baja 4340 dengan menggunakan persamaan 8-10 [7]:
Massa jens material komposit:
(8)
Kekuatan tarik material komposit:
(9)
Koefisien muai material komposit:
(10)
dengan,
ρ m = massa jenis material matrik
N F F F F ges in g 7 , 44813 49 , 712 196 , 3 315 . 42 = - + = - + = f f m m c V V × + × = r r r f f m m c V V × + × = s s s
( ) ( ) f f m m f f f m m m c V E V E
V E V E × + × × × + × × = a a a
Optimasi Dimensi Connecting Rod Al 2024 dan Tulangan Baja 4340 pada Kawasaki Ninja 150 R Menggunakan ANSYS
ρ f = massa jenis material matrik penguat ( reinforcement ) V m = fraksi volume matrik V f = fraksi volume material matrik penguat ( reinforcement ) σ m = kekuatan tarik material komposit matrik σ f = kekuatan tarik material penguat ( reinforcement ) α m = koefisien muai matrik material α f = koefisien muai material penguat ( reinforcement ) E m = Modulus elastisitas material matrik E f = Modulus elastisitas material penguat ( reinforcement )

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah  mendapatkan  dimensi  pada  connecting  rod  maka  porses  berikutnya  adalah  proses penggambaran geometri menggunakan software solidwork 2017, kemudian memasukkan kondisi batas dan beban-beban yang bekerja serta melakukan analisa dengan menggunakan perangkat lunak ANSYS 17.0.  Kemudian  proses  analisa  dijalankan  dan software ANSYS akan  menghitung output yang dibutuhkan  sesuai  jenis  analisa  yang  dilakukan  dengan  menggunakan  asumsi  dan  kondisi  sesuai dengan kondisi operasi, maka hasil yang diperoleh diharapkan akan mendekati dengan kondisi aktual (eksperimen) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 .
Gambar 4 Pembuatan geometri connecting rod dan proses meshing Al2024
Mesh yang digunakan adalah automatic method dengan menggunakan metode tersebut menghasilkan nilai average diatas 0.8 sehingga tidak perlu menggunakan metode lainnya. Element size yang optimal adalah 1,2 mm. Dapat dilihat pada T abel 5:

## Tabel 5 Konvergensi Meshing
Setelah melihat hasil pada penelitian sebelumnya dengan profil I tinggi 3.8 mm didapat safety faktor < 1  [5]  maka  penilitian  ini  dilakukan  pembuatan  profil  I  dengan  tinggi  6  mm  dengan  mebuat  2  jenis
tulangan yaitu tulangan webbing dan tulangan bar ( G ambar 5 dan 6) dengan material keduanya adalah steel 4340, sedangkan untuk beban tetap di F tekan 44800 N.

## Gambar 5 Tulangan webbing

## Gambar 6 Tulangan bar
Sifat mekanik tulangan webbing dan bar yang diuraikan di G ambar 5 dan 6, dirangkum dalam T abel 6:
Tabel 6 Sifat mekanik Al 2024 tulangan webbing dan bar untuk Profil I h 6 mm
Al 2024  + Tulangan (Steel 4340) Parameter (satuan) Tulangan Webbing Bar Vserat (mm^3) 1198,8 1019,48 Vmatrix (mm^3) 30060 30277 Vtotal (mm^3) 31258,8 31296,48 Xserat (%) 3,84 3,26 Xmatrix (%) 96,16 96,74 σu (MPa) 493 490 σy (MPa) 341 338 ρ (Kg/m^3) 2974 2945 E MPa 78158 77397
Hasil  simulasi  pembebanan  maksimum  dan  tegangan  maksimum  pada  tulangan  diperlihatkan  pada G ambar 7:
Optimasi Dimensi Connecting Rod Al 2024 dan Tulangan Baja 4340 pada Kawasaki Ninja 150 R Menggunakan ANSYS

## Gambar 7 Kondisis pembebanan dan tegangan maksimum tulangan h 6 mm
Perhitungan safety factor pada  profil I tebal 6 mm dengan menggunakan analisis FEA diuraikan pada T abel  7.  Setelah  melihat  hasil  tabel  diatas  maka  tulangan  yang  optimal  adalah  tulangan webbin g, hanya saja nilai SF ( saftey factor ) masih kurang dari 1, sehigga perlu di modifikasi tinggi dari profil I dan memodifikasi jenis material tulangannya.

## Tabel 7 Analisis FEA pada profil I tebal 6 mm
Pada tahap berikutnya akan dibuatkan simulasi untk jenis connecting rod profil I dengan variasi tinggi 8mm dan 10 mm, dengan material untuk tulangan webbing baja 4340 seperti Gambar 8. .

## Gambar 8 Profil I tebal 8 mm dan tebal 10 mm
Sifat  mekanik  material  komposit  profil  I  dengan  tebal  8  mm  dan  10  mm  diuraikan  dalam T abel  8.
Sedangkan hasil analisis dengan menggunakan ANSYS diuraikan dalam T abel 9.

## Tabel 8 Material komposit profil I tebal 8 mm dan 10 mm
Tabel 9 Analisis ANSYS komposit profil I tebal 8 mm dan 10 mm
Dari T abel 9 nilai SF ( saftey factor )  diatas 1 maka didapat tulangan yang optimal adalah jenis profil ketinggian 8 mm dan 10 mm, hanya saja jika dilihat dari berat total nya profil ketinggian 8 mm lebih ringan dibandingkan dengan profil 10 mm.

## 4. KESIMPULAN
Pemilihan  jenis  tulangan  yang  baik  adalah  jenis  tulangan  webbing,  memiliki  tegangan  tarik  dan modulus  elastisitas  yang  lebih  tinggi  daripada  matrik  penyusun  komposit.  Pengujian  simulasi c onnecting rod menghasilkan dimensi yang optimal untuk menahan beban yang terjadi pada conecting rod, dan di dapat jenis tulangan webbing dengan dimensi tebal profil I tinggi 8 mm dengan berat total 0,12 kg.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]   P. S. Shenoy, “Dynamic Load Analysis and Optimization of Connecting Rod,” University of Toledo, Ohio, 2004.
[2]   T. G. Thomas, S. Srikari dan M. L. J. Suman, “Design of Connecting Rod for Heavy Duty Applications Produced by Different,” Sastech Journal, vol. 10, no. 1, pp. 1-7, 2011.
[3]   K. S. Kumar, K. T. Reddy dan S. Hussain, “Modelling and Analysis of Two Wheeler Connecting Rod,” International Journal of Modern Engineering Research (IJMER), vol. 2, no. 5, pp. 3367- 3371, 2012.
[4]   P. S. Shenoy dan A. Fatemi, “Connecting Rod Optimization for Weight and Cost Reduction,” SAE Technical Paper, pp. 1-8, 2005.
[5]   A. E. Latief, “Perancangan, Pengambangan dan Analisa Struktur Connecting Rod dengan Material Al 2024 dan Tulangan Menggunakan Metode Elemen Hingga,” Institut Teknologi
h 8 h 10 Vserat (mm^3) 1198,8 1198,8 Vmatrix (mm^3) 31521 32981 Vtotal (mm^3) 32719,8 34179,8 Xserat (%) 3,66 3,51 Xmatrix (%) 96,34 96,49
Parameter (satuan) Al 2024 + Tulangan Baja 4340
Jenis Profil I (mm) h 8 h 10 Massa (kg) 0,12135 0,12541 Deformasi (mm) 0,238 0,222 Stress (MPa) 634,33 583,17 Strain 0,004091 0,003789 Safety Factor 1,03 1,03 Al 2024 + Tulangan Baja 4340
Parameter (satuan) Jenis Profil I (mm)
Bandung, Bandung, 2018.
[6]   A. Kumar, P. P. Bhingole dan D. Kumar, “Dynamic Analysis of Bajaj Pulsar 150cc Connecting Rod Using ANSYS 14.0,” Asian Journal of Engineering and Applied Technology, vol. 3, no. 2, pp. 19-24, 2014.
[7]   S. S. Rinju dan S. Sujith, “Finite Element Analysis of Metal Matrix Composite Connecting Rod adn Comparison witg Conventinal AISI 4140 Alloy Stell Connecting Rod,” Imperial Journal of Interdisciplinary Research, vol. 2, no. 11, pp. 481-490, 2016.