## PISTON Journal of Technical Engineering:
Analisa Kekuatan Rangka Sepeda Listrik Menggunakan Software SolidWorks

## Muhammad Awwaluddin
Program Studi Teknik Mesin, Universitas Pamulang, Jl. Surya Kencana No. 1, Tangerang Selatan, Indonesia
E-mail: dosen00543@unpam.ac.id Masuk :18 Januari 2019 Direvisi : 7 Februari 2019
Disetujui : 20 Februari 2019
Abstrak: Rangka  sepeda  listrik  merupakan  komponen  yang  sangat  penting  untuk  menopang  keseluruhan  beban,  sehingga perlu dilakukan analisa. Analisa rangka yang tepat dan akurat akan memberikan hasil yang maksimal, dalam kekuatan atau kenyamanan.  Dalam  analisa  rangka  sepeda  listrik  ini  tidak  menggunakan  metode  perhitungan,  dikarenakan  banyaknya kendala  dan  kurang  akuratnya  hasil.  Maka  dilakukan  menggunakan  bantuan Software  SolidWorks .  Dengan  menggunakan fitur SolidWorks Simulation yang dilengkapi dengan metode Finite Element Analysis (FEA) , maka dapat diketahui fenomena yang terjadi pada rangka sepeda listrik, yaitu dengan hasil keluaran Von Mises Stress , Displacement, Safety Factor. Material rangka mengguakan Alumnium Alloy 6061 dengan dimensi panjang rangka = 1351 mm, lebar =  110 mm dan tinggi = 714 mm. Hasil analisa simulasi pada  rangka  sepeda, beban  maksimal  yang bisa terima rangka sebesar  200 kg. Batas  kontruksi aman beban minimal = 2, dengan angka faktor keamanan sebesar 2,039 dan tegangan Von Mises = 134,868 N/mm² terletak pada bagian pertemuan seat tube dengan seat stay tube.
Kata kunci : rangka, sepeda listrik, finite element analysis, sofware Solidworks
Abstract: Electric  bike  frames  are  a  very  important  component  to  sustain  the  overall  load,  so  it  needs  to  be  analyzed. Appropriate  and  accurate  frame  analysis  will  provide  maximum  results,  in  strength or  comfort.  In  the  analysis  of  electric bicycle framework is not using the method of calculation, due to the many constraints and less accurate results. It is done using  the  help  of  SolidWorks  Software.  By  using  SolidWorks  Simulation  feature  which  is  equipped  with  Finite  Element Analysis  (FEA)  method,  it  can  be  known  that  phenomenon  happened  on  electric  bicycle  frame,  that  is  with  output  of  Von Mises  Stress,  Displacement,  Safety  Factor.  The  frame  material  utilizes  Aluminum  Alloy  6061  with  dimensions  of  frame length = 1351 mm, width = 110 mm and height = 714 mm. Results of simulation analysis on the bike frame, the maximum load that can accept the order of 200 kg. The construction safe load limit of at least = 2, with a security factor number of 2.03903 and Von Mises = 134.868 N / mm² is located on the seat tube meeting section with seat stay tube.
Keywords: frame, electric bicycle, finite element analysis , software SolidWorks

## PENDAHULUAN
Salah  satu  komponen  utama  sepeda  listrik  adalag  rangka  sepeda.  Ada  beberapa  faktor  yang  harus diperhatikan  dalam  perancangan  sepeda.  Selain  dari  estetika  dan  ergonomi,  faktor  kekuatan  komponen  juga harus  diperhatikan,  terutama  rangka  sepeda. Untuk  itulah  analisa  rangka  sepeda  listrik  menggunkan Software SolidWorks yang  dapat  mengatasi  berbagai  kendala  dalam  menganalisa  bila  menggunakan  perhitungan  secara manual.  Dalam  mensimulasi  rangka  sepeda  listrik  ini  berharap  dapat  mengetahui  distribusi  tegangan, displacement , dan angka keamanan dengan beban pengendara yang divariasikan dari 120 kg sampai dengan 220 kg.[1]

## DASAR TEORI

## Analisis Struktur pada Solidworks
a. Stress Analysis [2]
Stress  Analysis merupakan  salah  satu  alat  pengujian  struktur  pada Solidworks yang  dilakukan  dengan menerapkan konsep Finite Element Analysis (FEA). Cara kerjanya adalah dengan memecah suatu objek struktur yang akan diuji  menjadi elemen  – elemen berhingga  yang  saling terhubung satu  sama lain  yang akan dikelola dengan perhitungan khusus oleh software, sehingga menghasilkan hasil yang lebih akurat.
b. Prinsip Superposisi
Gambar 1. Displacement pada prinsip superposisi
Sebuah obyek / struktur dikenai, katakanlah, tiga buah gaya P1, P2, dan P3. Pada lokasi dan arah yang sama dengan tiga gaya tsb, terjadilah displacement pada komponen sebesar q1, q2, dan q3. Menurut prinsip superposisi, displacement yang terjadi bisa ditulis sebagai :
q1 = f 11 P1 + f 12 P2 + f 13 P3 (1)
q2 = f 21 P1 + f 22 P2 + f 23 P3 (2)
q3 = f 31 P1 + f 32 P2 + f 33 P3 (3)
yang secara ringkas dapat ditulis sebagai : { q } = [ f ] . { P }  dimana :
(4)
Dengan fij adalah koefisien fleksibilitas yang mendefinisikan displacement di i karena satu unit beban yang bekerja di j , dan matrik [f] disebut sebagai matrik fleksibilitas.  Persamaan diatas dapat pula ditulis sebagai :
{ P } = [ k ] . { q }
(5)
dimana :
[ k ] = [ f ] -1 (6)

## METODOLOGI
Proses analisa rangka sepeda listrik mengikuti alur diagram seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Alur diagram
Diagram  proses  pengujian  menggunakan  material  properties  yang  sudah  ada  pada  software  solidworks yaitu  Al  6061  dan  di  komparasi  dengan  Properties  of  Wrought  Aluminum  handbook  [3].  Penelitian  pertama mencari nilai error antara software dan perhitungan dengan mensimulasikan batang kantilever. Penelitian kedua, fokus pada simulasi rangka yang sudah dibuat gambar 3D dengan software tanpa perhitungan dan data simulasi kemudian di analisa. Titik tumpu pada dudukan poros roda depan dan belakang. Untuk beban dibuat bervariasi mulai dari 120 kg – 220 kg di letakan pada bagian batang sadel penumpang.
Proses meshing dengan  jumlah  elemen  66565  dan  127144  node,  dimana  benda  yang  akan  dianalisis didiskritisasi sehingga struktur utama menjadi elemen-elemen yang memiliki ukuran lebih kecil dan berjumlah tertentu  dan  berhingga,  proses running  Simulation dilakukan  setelah  seluruh  proses  pra-analisa  dan meshing dilakukan,  proses Running tersebut  berjalan  dengan  pembacaan  proses  perhitungan  dengan  metode Finite Element  Analysis  (FEM), proses meshing adalah  proses  penghalusan  jumlah  element  dan  nodes  pada  bagian yang  mengalami  tegangan  yang  kritis.  Pada  bagian  yang  mengalami  tegangan  maksimum  tersebut.  Proses  ini dilakukan setelah proses Running pertama selesai sehingga bisa didapat hasil yang akan lebih mendekati akurat dan yang terakhir adalah End simulation , memuat hasil simulasi berupa distribusi tegangan, displacement , dan angka keamanan diseluruh elemen frame .[4]
Gambar 4. Mesh information detail , meshing pada rangka

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Batang kantilever
Batang  kantilerver  disimulasi  dan  dihitung  dengan  parameter  parameter  yang  sudah  ditentukan  sebagai berikut.
Gambar 5. Parameter pada sistem kantilever
Contoh perhitungan [5] :
Defleksi maksimum yang terjadi pada batang kantilever yaitu : Diketahui : Gaya yang bekerja di arah y (F2)/W : 9,81 N
Panjang batang kantilever (l) : 200 mm Modulus elastisitas (E) : 68900 N/mm² Momen inersia (I)
: 833,33 mm 4
Maka :
y =
=
= 0,455 mm
Gambar 6. Hasil simulasi Kantilever
Hasil simulasi dan perhitungan kemudian dilalukan perbandingan nilai selisih/error :
Tabel 1. nilai selisih/error perhitungan
Dari  tabel  diatas  bisa  disimpulkan  bahwa  perhitungan  dan  simulasi  menggunakan Software ,  prosentase perbedaan terbesar sebesar 18,6 % .

## Rangka sepeda listrik Pra-proses analisa
Sebelum  melakukan  proses  analisa  rangka  sepeda  listrik.  Ada  beberapa  prosedur  yang  harus  dilakukan untuk proses analisa, yaitu :
1. Meninjau  ulang  hasil  gambar  tiga  dimensi  ( 3D )  yang  telah  dibuat  sebelumnya  dengan  mengecek apakah dimensi, nama komponen/part dan karakteristik benda solid memenuhi.
Gambar 7. Drawing 2D dan 3D rangka
2. Melakukan verifikasi  material yang digunakan. Yaitu dengan  membandingkan data material Propertis yang ada pada Software dengan material properstis yang ada pada standar material handbook . Material yaitu Aluminium 6061.
Gambar 8. Material Handbook, material software properties
3. Langkah  selanjutnya  yaitu  menentukan fixturesn atau  titik  tumpu.  Jenis  constrain  pada  simulasi  ini menggunakan Fixed Geometry . Titik tumpu diletakan di 2  (dua) titik pada rangka sepeda  yang sudah dimodelkan.  Dan  menentukan  beban  atau  load  yang  akan  di  topang  rangka.  Beban  yang  akan digunakan 120 kg – 220 kg. Beban yang akan dimasukan dalam simulasi adalah beban yang berbentuk Force (N). Gaya ditempatkan pada titik Seat tube bagian atas. Beban  yang bervariasi akan dilakukan simulasi secara bertahap. Berikut titik yang akan diberi gaya luar, gaya pengendara.
Gambar 9. Posisi fixed dan Force

## Proses dan hasil simulasi
1. Displacement
Hasil displacemen pada simulasi :
Simulasi-1 :
Simulasi-2 :
Simulasi-4 : Simulasi-5 :
Simulasi-6 :
Simulasi-7 :
Gambar 10. Displacement hasil simulasi rangka

## Hasil simulasi defleksi
Tabel 2. Hasil simulasi Displacement
Dari  hasil  tabel  simulasi  untuk  poin  defleksi  diatas  dapat  disimpulkan  bahwa  defleksi  terbesar  terjadi  di bagian Seat Stay Tube .

## 2. Von Mises
Hasil tegangan Von Mises pada rangka sepeda listrik sebagai berikut :
Simulasi - 3   :
Simulasi -1 :
Simulasi-2 :
Simulasi-3 :
Simulasi-4 :
Simulasi-5 :
Simulasi-6 :
Gambar 11. Von Mises hasil simulasi rangka
Hasil simulasi Tegangan Von Mises:
Tabel 3. Hasil simulasi Tegangan Von Mises
Dari hasil tabel simulasi untuk poin tegangan Von Mises diatas dapat disimpulkan bahwa tegangan terbesar terjadi di bagian pertemuan Seat Tube dengan Seat Stay Tube .

## 3. Faktor Keamanan (Safety Factor)
Hasil Safety Factor pada rangka sepeda listrik sebagai berikut :
Simulasi-1 : Simulasi-2 :
Simulasi -3 : Simulasi-4 :
Simulasi-5 :
Simulasi-6 :
Gambar 12. Safety Factor hasil simulasi rangka
Hasil simulasi Safety Factor:
Tabel 4. Hasil simulasi Safety Factor
Dari hasil tabel simulasi  untuk poin Safety Factor diatas dapat disimpulkan bahwa safety factor terjadi di bagian pertemuan Seat Tube dengan Seat Stay Tube .

## Hasil rekap simulasi dan perhitungan
Dari hasil perhitungan dan simulasi yang sudah dijalankan, dapat di simpulkan sebagai berikut :
Tabel 5. Hasil simulasi Software SolidWorks
Berdasarkan  tabel  diatas  bahwa  pembebanan  massa  maksimal  sebesar  220  kg  dengan  angka  fakor keamanan  terkecil  sebesar  1,85366  dan  terjadi  pada bagian  pertemuan seat  tube dengan seat  stay  tube. Untuk angka  faktor  keamanan  adalah  :  2  –3  [6]. Rangka  sepeda  listrik  sepeda  listrik  ini  termasuk  kontruksi  dengan faktor  keamanan  minimal  2.  Jadi  untuk  pengendara  dengan  massa  220  kg  tidak  aman,  sedangkan  massa maksimal 200 kg aman seperti pada simulasi ke 5.
1. Grafik hubungan antara Gaya (F) dengan Displacement (Y)
Gambar 14. Grafik gaya dengan displacement
2. Grafik hubungan antara Gaya (F) dengan tegangan Von Mises (σe)
Gambar 15. Grafik gaya dengan tegangan Von Mises
3. Grafik hubungan antara Gaya (F) dengan tegangan Safety Factor (η)
Gambar 16. Grafik gaya dengan tegangan Safety Factor

## KESIMPULAN
Berdasarkan  simulasi  analisa  kekuatan  rangka  sepeda  listrik  menggunakan Software  SolidWorks beban maksimal yang bisa ditopang adalah 200 kg.  Tegangan maksimum Von Mises yang terjadi pada rangka sepeda listrik terletak pada bagian pertemuan seat tube dengan seat stay tube sebesar 134,868 N/mm² dengan tegangan luluh material 275 N/mm² dan safety factor 2,03903. Defleksi maksium yang terjadi pada rangka sepeda listrik terletak pada bagian seat stay tube sebesar 0,747001 mm , dengan defleksi ijin sebesar 5,625 mm.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Ricky. 2009. “ Perancangan dan Pembuatan Alat Pengukuran Kestabilan Putaran Roda
[2] Kekuatan Frame Sepeda Hibrid “Trisona” Menggunakan Software Autodesk Inventor, Jurnal Iptek vol 20 No. 2, Desember 2016. \
[3] Bambang  Daryanto  W  dan  Andra  Berlianto  Tedjo.  2012.  “Analisis  Tegangan  dan  Deformed  Shape pada Rangka Sepeda Fixie”, Jurnal POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5.
[4] Abdul Hamid, Mrihrenaringtyas dan Bambang Setyono. 2016. “Perancangan dan Analisis
[5] Bambang  Setyono,  Setyo  Gunawan  (2015).  Perancangan  dan  Analisis  Chassis  Mobil  Listrik  “Semut Abang ” Menggunakan Software Autodesk Inventor Pro 2013, Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan III 2015 ISBN 978-602-98569-1-0.
[6] Properties  of  Wrought  Aluminum  .  ASM  Handbook,  Volume  2:  Properties  and  Selection:  Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, ASM Handbook Committee, p 62-122, DOI: 10.1361/asmhba0001060.