## ANALISA TEGANGAN PADA  RANGKA PROTOTYPE KENDARAAN BUGE MENGGUNAKAN ELEMEN HINGGA
Nano Yulianto, Rochmad Winarso Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muria Kudus Gondang Manis, Bae, PO BOX 53 Kudus, Telp. (0291) 443844 Email : boswin2001@gmail.com

## Abstrak
Kendaraan roda tiga ( Three Wheelers ) adalah salah satu kendaraan dengan inovasi dan teknologi terbaru yang saat ini berkembang. Kendaraan roda tiga ini didesain berdasarkan konsep kendaraan roda  tiga  untuk  stabilitas,  keselamatan  dan  kemampuan  pengendaraan  maksimum  dengan  lebar total  sekitar  1300  mm.  Rancangan prototype ini  memadukan  konsep  kendaraan  buge  dengan ATV,dimana  suspensi  bagian  depan  dirancang  mengunakan  dua shock  breaker dengan  lengan ayun  di  kiri  dan  kanan  yang  mampu  bergerak  dinamis  layaknya  ATV.  Analsis  pada  rangka prototype kendaraan  buge  ini  dilakukan  dengan  menggunakan finite  elemen software. Tujuannya untuk  mengetahui deformasi  yang terjadi serta daerah kritis dan daerah aman pada rangka.  Berat beban yang digunakan sebesar 1000 N yang merupakan berat penumpang 800 N dan berat mesin 200 N. Bahan yang digunakan adalah baja ST 42 dengan modulus elastisitas 200000 MPa, Poisson ratio 0.27, dan yield strength 415 MPa. Setelah proses analisis dilakukan, diperoleh tegangan von Mises maksimum  (SMX)  sebesar  78.518  MPa  pada  batang  L46  (lengan  ayun  depan),  Tegangan terendah  (SMN)  sebesar  0.079775  Mpa  pada  batang  L22  (dudukan  jok), defleksi yang  terjadi (DMX) sebesar 3.745 mm, dan diperoleh faktor keamanan (safety factor) sebesar 5.285.
Kata Kunci : Rangka prototype kendaraan buge, Tegangan, metode elemen hingga

## Abstract
Three-wheeled vehicles  is one of the vehicles with the latest innovations and technologies that are currently  evolving.  Three-wheeled  vehicle  is  designed  based  on  the  concept  of  three-wheeled vehicle for stability, safety and driving ability with a maximum total width of about 1300 mm. The design  of  this  prototype  is  incorporates  the  concept  of  vehicles  with  ATVs  buge,  where  the  front suspension  is  designed  using  two  shock  absorber  with  a  swinging  arm  on  the  left  and  right  that can  move dynamically as  ATVs.  Analysis  in  order  buge  prototype  vehicle  is  done by  using  finite element  software.  The  goal  of  this  study  is  to  determine  the  deformation  that  occurs  as  well  as critical  areas  and  secure  areas  in  order.  The    load    used  in  this  simulation  is  1000  N  that  is  a combination of passenger weight (800 N) and heavy machinery (200 N). The material used is steel ST 42 with a modulus of elasticity of 200,000 MPa, Poisson ratio of 0,27, and the yield strength of 415 MPa. After the analysis is done, the maximum von Mises stress is obtained (SMX)  is 78,518 MPa at L46 rod (swing arm front), the minimum von Mises stress (SMN) is 0,079775 MPa at the rod L22 (cradle seat), the deflection occurs (DMX) is 3,745 mm , and obtained safety factor is for 5,285.
Keywords: Frame buge prototype vehicles, stress, finite element method

## 1. Pendahuluan
Kendaraan roda tiga ( Three Wheelers ) adalah salah satu kendaraan dengan inovasi dan  teknologi terbaru yang asaat ini berkembang. Hal tersebut dapat dilihat dengan munculnya berbagai produk baru dengan konsep roda tiga seperti piaggio MP 3, Buge, dan Peugeot Hybrid3 Evolution.  Buge sendiri  sudah  diproduksi  di  Amerika  oleh  Mark  Murphi  dari Blue  Sky  Design 2008 . Kendaraan roda  tiga  ini  didesain  berdasarkan  konsep  kendaraan  roda  tiga  untuk  stabilitas,  keselamatan  dan kemampuan  pengendaraan  maksimum  dengan  lebar  total  sekitar  1300  mm  yang  membuat kendaraan  ini  nyaman  dikendarai.  Kendaraan  ini  juga  menjanjikan  pangsa  pasar  pada  industri
pariwisata  sebagai  kendaraan  wisata.  Dalam  pembuatan prototype kendaraan  buge  ini  penulis memadukan konsep kendaran buge dengan ATV.
Desain  rangka prototype kendaraan  buge  ini  dibuat  berdasar  kendaraan  yang  sudah  ada  dengan menambahkan  inovasi  dan  melakukan  modifikasi  sehingga  memberikan  kelebihan  dibanding kendaraan yang sudah ada. Rangka dari kendaraan ini didesain seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Rangka kendaraan buge.
Rancangan prototype ini  memadukan  konsep  kendaraan  buge  dengan  ATV,  dimana  suspensi bagian  depan  dirancang  mengunakan  dua shock  breaker dengan  lengan  ayun  di  kiri  dan  kanan yang mampu bergerak dinamis layaknya ATV.  Rangka tengah didesain untuk menopang 1 orang pengendara  dengan  memperhatikan  kenyamanan  berkendara  seperti  mobil.  Bagian  rangka belakang  mengaplikasi  suspensi  tunggal  ( monoshock )  yang  di  pasang  di  bagian  tengah.  Faktor keselamatannya  didukung  dengan  sistem  pengereman  menggunakan  rem  tromol  ( drum  brake ) pada  ketiga  rodanya.  Peforma  kendaraan  ini  sangat  baik  karena  didukung  dengan  mesin  100  cc dari  mesin  sepeda  motor  4  tak  SOHC  dengan  pemindah  daya  menggunakan  rantai  sepeda  motor sehingga kendaraan dapat melaju tidak terlalu cepat tapi punya power mesin yang besar dan stabil. Kendaraan  ini  juga  dapat  dikendarai  baik  siang  maupun  malam  hari  karena  dilengkapi  dengan lampu kepala, stop light , sein, dan klakson.
Beberapa  pertimbangan  diatas  dapat  diambil  beberapa  rumusan  masalah  sebagai  berikut bagaimana  menganalisis  rangka  dengan  metode  elemen  hingga  menggunakan  metode  elemen hingga.

## 2. Tujuan Penelitian
Merancang,  menganalisis,  dan  membuat  rangka prototype kendaraan  buge  dengan  kapasitas  satu penumpang yang  berfumgsi sebagai penopang mesin, body , suspensi, sistem kemudi dan lain-lain.
3. Tinjauan Pustaka
a. Pengerian Chasis
Chasis merupakan  komponen  utama  kendaraan,  yang  mana  berfungsi  untuk  mendukung keberadaan  mesin,  transmisi,  pegas  dan  pada chasis itu  pulalah  di  pasangkan body kendaraan. Astra motor (1995) mendefinisikan system chasis meliputi suspensi yang menopang poros, kemudi untuk mengatur arah kendaraan, roda, ban dan rem untuk menghentikan jalannya kendaraan.
Fungsi utama dari frame chasis adalah: 1. Untuk mendukung gaya berat dari kendaraan yang berpenumpang
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  meletakan  bodi  kendaraan,  mesin  serta  kopling  sentrifugal,  tangki bahan bakar, tempat duduk penumpang.
5. Untuk  menahan  getaran  dari  mesin  dan  getaran  yang  ditimbulkan  karena  efek  bentuk permukaan jalan
Rangka mobil yang banyak di gunakan adalah rangka jenis konvensional. Rangka ini harus dibuat kuat  untuk  menehan  beban-beban  yang  ditempatkan  padanya,  ia  harus  tahan  terhadap  bengkok atau patah waktu kendaraan berjalan dan mengalami kejutan dengan gaya kejut tertentu.
Rangka  konvensional  jenis  perimeter  adalah  salah  satu  jenis  rangka  yang  sering  digunakan  pada kendaraan,  dimana  model atau  bentuk  dan   bangun  rangka  ini  berbentuk  persegi  dan  biasanya digunakan pada kendaraan-kendaraan setengah berat.
Rangka kendaraan mini car biasanya mengaplikasikan jenis-jenis rangka yang sudah ada. Seperti gokart,  gokart sport menggunakan  rangka  jenis frame  chasis yang  biasanya  berbahan  pipa, digunakan untuk  menahan  sistem rigid dan biasanya dibutuhkan    untuk  menunjang  kegunaannya yang membutuhkan akselarasi dan kecepatan tinggi. Sedangkan gokart off road , untuk menunjang kegunaannya  di  jalan  bergelombang  membutuhkan  sistem  suspensi  yang  baik  dan  rangka  yang kuat  untuk  melindungi  pengendaranya,  maka  gokart off  road mengaplikasikan  perpaduan  rangka integral/monoshock dengan  rangka  konvensional  jenis  perimeter  yang  sudah  dimodifikasi sedemikian rupa. Mini car yang lain seperti mobil buge dan mobil-mobil mini dengan satu sampai dua penumpang juga mengaplikasikan perpaduan antara rangka jenis frame chasis dengan rangka konvensional jenis perimeter yang sudah dimodifikasi.
b. Momen inersia
Mencari momen inersia pada penampang pipa profil kotak dan pipa bundar
Tebal pipa =
Dimana J  = Momen inersia b = Lebar penampang pipa (mm) h =Tinggi penampang pipa (mm) t 1 = Tebal penampang 1 (mm) t 2 = Tebal penampang 2 (mm) R 0 =Jari jari lingkaran besar (mm)
R 1 =Jari jari lingkaran kecil (mm)
h b

## 4. Faktor keselamatan (safety factor)
Besar  safety  factor  adalah  merupakan  perbandingan  antara  besar  yield  strength  dengan  besar design stress dari tiap material

## 5. Prosedur Penelitian
Finite  element  software adalah  suatu software yang  berbasiskan  metode  elemen  hingga  (MEH). MEH  adalah  suatu  metode  analisa  dengan  cara  membagi  sistem  yang  dianalisa  menjadi  elemen- elemen  yang  lebih  kecil  dengan  bentuk  yang  sederhana,  elemen-elemen  tersebut  terdiri  dari beberapa  nodal.  Sehingga  nodal  tersebut  merupakan  representasi  dari  jenis  pembebanan  dan analisa yang diberikan pada sistem tersebut.
Prosedur Finite Element Analysis secara garis besar terdiri dari:
 Preprocessor ,  meliputi  pembuatan Area / Volume ,  penentuan  jenis  elemen  yang  dipakai, spesifikasi material, meshing , dll.
 Solution, meliputi penentuan kondisi batas, jenis analisa, pemecahan masalah, dll.
 General  Postproc, merupakan  fasilitas  untuk  melihat  hasil  dari  simulasi  yang  telah dilakukan.
Dalam analysis rangka prototype kendaraan buge digunakan distribusi tegangan von Misses . von  Misses  stress dalam  bidang  material  dan engineering sama  dengan tensile  stress ,  yang merupakan  besaran  scalar  yang  dapat  dihitung  dari tensor  stress (Wikipedia).  Dalam software paket von Misses stress merupakan tegangan efektif dimana material dianggap sebagai ductile /liat.
Berikut  adalah  flow  chart  proses  perancangan,  analisis,  pembuatan  rangka  prototype kendaraan buge (Gambar 2).
Gambar 2. Flow chart proses perancangan dan pembuatan rangka.
Desain rangka/chasis kendaraan buge yang dianalisa adalah sebagai berikut (Gambar 3).

## Gambar 3. Desain rangka buge.
Pada  simulasi  pembebanan  rangka    kendaraan  ini  di  desain  dengan  satu  penumpang  jadi  beban yang ditanggung rangka adalah berat penumpang dan berat mesin. Berat penumpang di asumsikan 80kg, jadi 80 kg x 9.81 = 784.8 N   dibulatkan 800 N dan Berat mesinnya adalah 22kg jadi 22 kg x 9.81 = 215.82 N dibulatkan 200 N.
Bahan  yang  digunakan  pada  pembuatan  rangka  kendaraan  buge  ini  adalah  baja  ST  42  dengan modulus  elastisitas  200.000  MPa, Poisson  ratio 0.27,  dan yield  strength 415  MPa.  Berikut  hasil spesifikasi bahan yang digunakan dalam simulasi setelah dilakukan perhitungan (Tabel 1).
Tabel 1 Spesifikasi bahan setelah disamakan berdasar momen inersi ( Brown,Jr, 2005)
Langkah  simulasi  pembebanan  dengan  menggunakan finite  element  software dapat  dilihat pada Gambar 4.
No Bagian Jenis bahan Ukuran (mm) Material 1 Rangka utama Besi pipa profil (o) ᴓ 40 tebal 3.3 Baja ST 42 2 Lengan ayun depan Besi pipa profil (o) ᴓ 20 tebal 3 Baja ST 42 3 Lengan ayun belakang Besi pipa profil (o) ᴓ 40 tebal 3.2 Baja ST 42 4 Dudukan mesin Besi pipa profil (o) ᴓ 47.5 tebal 3.14 Baja ST 42 5 Dudukan jok Besi pipa profil (o) ᴓ 27.5 tebal 2.75 Baja ST 42
Gambar 4. Diagram alir simulasi.
6. Proses permodelan
1. Menentukan  titik-titik  ( keypoints )  pada  sistem  koordinat  dengan  langkah  sebagai berikut:  Pilih Main  Menu  >  Preprocessor  >  Modeling  >  Create  >  Keypoints  >  In Active  CS kemudian  akan  muncul  menu Create  Keypoints  in  Active  Coordinate, masukkan ke 38 titik koordinat yang telah ditentukan > OK.
2. Membuat  garis  ( lines )  dengan  langkah  sebagai  berikut:  Pilih Main  menu  > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > Straight Line . Hubungkan semua titik koordinat hingga terbentuk garis seperti terlihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Line dari titik koordinat.
3. Penentuan  element  type  dengan  langkah  sebagai  berikut:  Pilih  Main  menu  > Preprocessor  >  Elemen  Type  >  Add/Edit/Delete  >  Add .Masukkan element  type yang dipakai, pipe Elast straight16 .
4. Penentuan  ukuran  material  dengan  langkah  sebagai  berikut:  Pilih  Main  menu  > Preprocessor > Real Constant > Add/Edit/Delete > Add . Dari menu Real Constant Set Number , masukkan nomor elemen, diameter dan ketebalan kelima bahan klik OK.
5. Penentuan sifat material (material property) dengan lengkah sebagai berikut:Pilih Main menu  > Preprocessor  >  Material  Props  >  Material  Models .    kemudian  dari  menu Define  Material  Model  Behaviour pilih Structural  >  Linear  >  Elastic  >  Isortropic . Pada  menu Linear  Isotropic  Properties  for  Material  Number masukkan  spesifikasi bahan dengan nilai modulus elastisitas pada EX = 200000 GPa dan Possion’s ratio pada PRXY = 0.27
6. Proses  Meshing  dengan  langkah  sebagai  berikut:  Proses  meshing  merupakan  proses membagi  komponen  dalam  elemen-elemen  kecil.  Tentukan  letak  material  pada  garis Sesuai Real constant set number yang telah ditentukan. Tentukan panjang alur distribusi tegangan  dengan  memilih Main  menu  >  Preprocessor  >  Meshing  >  Size  cntrls  > Manual  Size  >  Lines  >  All  lines ,  kemudian  masukkan  nilai  5  menu Element  Sizes  On All Selected Lines > OK . Pilih Main menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Lines , kemudian akan muncul menu Mesh lines lalu klik Pick All. Maka akan muncul seperti pada Gambar 6.
Gambar 6. Hasil proses meshing .
7. Proses solusi ( solution )
1. Analysis Type dengan langkah sebagai berikut: Pilih Main menu > Solution > Analysis Type > New Analysis > Static > OK.
2. Penentuan kondisi batas dengan langkah sebagai berikut: Pilih Main menu > Solution > Define  Loads  >  Apply  >  Structural  >  Displacement  >  On  Keypoints. Pilih  titik  yang akan  digunakan  untuk  kondisi  batas  lalu  klik  OK.  Pilih UY dan UZ pada DOFs  to  be constrained kemudian klik OK.
3. Pembebanan  dengan  langkah  sebagai  berikut:  Pilih Main  menu  >  Solution  >  Define Loads  >  Apply  >  Structural  >  Force/Moment  >  On  Keypoints. Pilih  letak  titik pembebanan,  titik  1  pada  dudukan  jok  dan  titik  2  pada  dudukan  mesin (engine  base) kemudian  klik OK .  Pilih FY pada  menu Apply  F/M  on  KPs dan  masukkan  nilai  gaya masing masing -800 N pada titik 1 dan -200 N pada titik kemudian klik OK seperti pada Gambar 7.
Gambar 7. Titik yang dikenai pembebanan.
4. Pemecahan  masalah  ( solving )  dengan  langkah  sebagai  berikut:  pilih Main  menu  > Solution  >  Solve  >  Current  LS >  OK.  Maka  akan  muncul  menu Note dan Status Command ,  jika  terdapat  kalimat Solution  is  done! Maka  proses solution dinyatakan berhasil, dan jika Error berarti gagal.
8. Simulasi proses post- processing
1. Plot  hasil  deformasi  dengan  langkah  sebagai  berikut:  Pilih Main  menu  >  General Postproc    >  Plot  results  >  Deformed  Shape  >  Def  +  Undeformed  >  OK, maka  akan terlihat bentuk hasil deformasi akibat pembebanan seperti pada Gambar 8.
Gambar 8. Hasil simulasi.
2. Plot Distribusi tegangan von Misses dengan proses sebagai berikut: Pilih Main menu > General Postproc > Element Table > Define Table > add , dari menu Define Additional Element  Table  items pilih Dof  Solution > UY > Apply. Pilihlah Stress  >  von  Misses stress , kemudian klik OK .
3. Menentukan Plot  Element  Table dengan  langkah  sebagai  berikut:  pilih Main  menu  > General  Postproc  >  Element  Table  >  Plot  Elem  Table ,  kemudian  dari  menu Contour Plot  of  Element  table  Data Pilih  SEQW  kemudian  klik  OK,  Maka  akan  terlihat distribusi tegangan von Misses seperti pada Gambar 9 .
Titik 1
Titik 2

## 9. Hasil Simulasi
Dari simulasi pembebanan rangka kendaraan buge dapat diperoleh hasil sebagai berikut:  Defleksi yang terjadi (DMX) = 3.745 mm
 Tegangan terendah (SMN) = 0.079775 MPa pada batang L22 dekat titik 22
 Tegangan terbesar (SMX) = 78.518 MPa pada batang L46 dekat titik 38
Menghitung faktor keamanan (Safety Factor)
Diketahui: Ys =  415  MPa
Ds = 78.518 MPa
Dengan  nilai  faktor  keamanan  5.285  Mpa  maka  rangka prototype kendaraan  buge  ini  aman digunakan.

## 10. Kesimpulan
Dari  penelitian  ini  telah  berhasil  dirancang  dan  dibuat  rangka prototype kendaraan  buge dengan hasil kesimpulan sebagai berikut:
 Rangka prototype kendaraan buge ini mempunyai dimensi panjang x lebar dengan ukuran 1250 mm x 800 mm.
 Bahan  yang digunakan adalah besi pipa  profil  kotak (□)  dengan  spesifikasi baja  ST 42 yang mempunyai modulus elstisitas 200000 Mpa, poisson ratio 0.27, dan yield strength 415 Mpa.
 Dari  hasil  analysis  yang  dilakukan  pada  rangka prototype kendaraan  buge  dapat  diperoleh beberapa  hal  sebagai  berikut: defleksi yang  terjadi  (DMX)  =  3.745  mm,  tegangan  terendah yang terjadi (SMN) = 0.079775 MPa pada batang L22 dekat titik 22, titik ini merupakan titik paling aman dari rangka buge, tegangan terbesar (SMX) = 78.518 MPa pada batang L46 dekat titik 38, titik ini merupakan titik paling rawan patah dari kendaraan buge.
 Berdasarkan hasil simulasi pembebanan diatas dapat diketahui faktor keamanan (safety factor) sebesar  5.285  Mpa,  maka  dapat  disimpulkan  bahwa  rangka prototype kendaraan  buge  yang akan dibuat aman digunakan.
Saran  untuk  perancangan  rangka  hendaknya  lebar  kendaraan  jangan  terlalu  pendek  agar kendaran lebih stabil pada saat belok.

## 11. Daftar Pustaka
Engineers Edge, (2011), Strength of Material - Mechanics of Material, http://www.engineersedge.com/strength of materials.htm.
Khurmi,R.S.,  Ghupta,  J.K.,  (1982), ”A  Text  Book  of  Machine  Design”, Eurasia  Publising  house (Pvt) Ltd, Ram Nagar, New Delhi.
Murphy, M., (2010), Building a better Buge , Blue Sky Design Murphy, M., (2008), Buge Owner Manual , Blue Sky Design Brown,Jr, T.H., (2005), “Calculation for Machine Design” .