1 Pendahuluan
Industri otomotif merupakan salah satu bagian tulang punggung pengembangan ekonomi nasional. Industri komponen otomotif yang kuat diharapkan mendorong potensi enterpreneur otomotif dalam negeri untuk mendesain dan memproduksi jenis mobil dalam rangka mengisi segmen pasar otomotif yang masih terbuka.
Untuk dapat memproduksi kendaraan bermotor dengan kriteria desain yang kompetitif, yaitu handal, hemat bahan bakar, dan ramah lingkungan serta sesuai dengan wilayah target pasar, harus dilakukan pengkajian, analisa perhitungan dan desain yang baik sebelum dibuat prototipenya. Setelah dihasilkan desain dibuat prototipe untuk melakukan verifikasi desain dan proses manufacturing, serta pengujian untuk mengetahui kinerja semua sistem dan komponen yang membangun prototipe tersebut.
Untuk memecahkan permasalahan tersebut, diperlukan strategi pembangunan yang mendorong industri otomotif nasional mengembangkan kemampuan penguasaan desain dan engineering, baik untuk pembuatan komponen maupun kendaraan bermotor utuh yang sesuai dengan pasar spesifik. Untuk itu diperlukan dukungan lembaga riset dalam mengembangkan desain dan teknik produksi komponen yang dapat dimanfaatkan industri otomotif, khususnya industri nasional non APM dalam pembuatan kendaraan bermotor atau mobil murah.
Untuk menjembatani tahap desain & engineering menuju tahap proses produksi platform chassis kendaraan angkutan pedesaan, khususnya bagian yang terdapat lekukan pada konstruksi chassis sesuai 3D Desain perlu dilakukan uraian tahapan kegiatan sebagai berikut: Component Design : digunakan untuk membuat 3D Desain dan Engineering Drawing bending dies dan design Chassis; Computational Analysis : digunakan untuk menganalisa dan mensimulasikan kekuatan struktur pada desain sehingga diketahui karakteristik desainnya; Manufacturing Process : untuk membuat prototipe bending dies yang akan digunakan untuk membengkokkan (bending) konstruksi chassis kendaraan.
2 Teori Analisis
Frame adalah komponen utama dari chassis dimana komponen-komponen lain dari chassis dirakit dan dikoneksikan. Konstruksi material frame yang digunakan harus kaku dan kuat agar frame dapat menahan guncangan, tikungan, tekanan dan getaran ketika beroperasi di jalan. Berikut merupakan beberapa fungsi utama dari frame chassis:
- 1. Untuk membawa semua beban stasioner yang melekat pada chassis dan beban penumpang dan barang-barang yang diangkut
- 2. Untuk menahan vibrasi torsi yang disebabkan oleh gerakan kendaraan
- 3. Untuk menahan gaya sentrifugal yang terjadi pada saat kendaraan menikung
- 4. Untuk mengontrol vibrasi yang terjadi pada saat kendaraan beroperasi
- 5. Untuk menahan tegangan bending karena naik turunnya as roda depan dan belakang
Tipe chassis yang akan dianalisa adalah tipe ladder frame dengan menggunakan konsep dasar kekuatan bahan untuk menghitung kekuatan struktur chassis
dalam menumpu beban sesuai dengan requirements dengan menggunakan metode membengkokkan (bending).
Beban dianggap sebagai beban terdistribusi secara merata yang bekerja pada parameter boundary condition yang telah ditetapkan. Kekuatan dan defleksi yang terjadi dihitung berdasarkan total beban.
3 Pemilihan Material (Material Selection)
Dengan mempertimbangkan kekuatan dalam menahan beban, konstruksi ringan, dan kemudahan dalam proses manufaktur, material yang akan digunakan dalam manufacturing chassis adalah structural carbon steel SS 400 ≈ ASTM A36. Sifat mekanik SS 400 dapat dilihat pada Tabel 1, sedangkan sifat kimiawinya dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 1 Mechanical properties SS 400
| Grade | Yield Strength min. (MPa) | Tensile Strength (MPa) | Elongation min. (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Thickness <16mm | Thickness ≥16mm | Thickness <5mm | Thickness 5-16mm | Thickness ≥16mm | |||
| SS400 | 245 | 235 | 400-510 | 21 | 17 | 21 | - |
Tabel 2 Chemical propertries SS 400
| Chemical elements | C ≤ 16mm max | C > 16mm max | Si max | Mn max | P max | S max |
|---|---|---|---|---|---|---|
| %, by mass | 0.17 | 0.20 | - | 1.40 | 0.045 | 0.045 |
4 Design Model dan Analisis FEM Chassis
4.1 Model 3 Dimensi
Pembuatan model 3D dari komponen chassis bending menggunakan software CAD CATIA. Model 3D ini akan di export ke software Ansys untuk dilakukan analisa FEM. Penampakan 3D modeling Chassis dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 3D modeling Chassis
4.2 Meshing and Boundary Condition
Modeling chassis yang dibuat menggunakan software CATIA CAD kemudian di ekspor ke FEA software. Model chassis dimodelkan sebagai elemen balok bentuk square hollow dan penentuan boundary condition diberikan beban secara merata sepanjang rentang chassis. Analisis statik dilakukan pada chassis karena merupakan pendekatan yang efektif dan efisien. Analisis dilakukan dengan asumsi/ design requirements sebagai berikut:
- 1. Beban tekuk / bending sebesar 250 kgf atau 2500 N (lihat area C pada Gambar 2).
- 2. Tumpuan jepit pada area dudukan suspensi depan (lihat area B pada Gambar 2)
- 3. Tumpuan roll pada area dudukan suspensi belakang (lihat area D pada Gambar 2).
Gambar 2 Distribusi Beban dan Tumpuan pada Chassis
Mesh yang digunakan pada pada chassis merupakan kombinasi dari tetrahedron dan hexagonal. Untuk chassis welded kepadatan 828.143 elemen, 1.977.273 nodal, dan 5.931.819 derajat kebebasan sedangkan untuk chassis bent kepadatannya 853.764 elemen, 2.033.171 nodal, dan 6.099.513 derajat
kebebasan. Kondisi dan kualitas mesh dapat dilihat pada Gambar 3 dan Gambar 4.
Gambar 3 Kondisi dan kualitas mesh welding chassis
Gambar 4 Kondisi dan kualitas mesh bending chassis
5 Hasil Analisis
5.1 Analisis Deformasi Beban Bending
Besarnya deformasi yang terjadi pada chassis welded dan bent dari simulasi dengan menggunakan software ANSYS dapat ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6, sedangkan tegangan ekivalen maksimumnya dapat dilihat pada Gambar 7 dan 8.
Dari gambar 5 dan 6, didapatkan deformasi yang terjadi pada Chassis welded sebesar 0,23751 mm. sedangkan pada Chassis bent sebesar 0,36005 mm.
Gambar 5 Deformasi pada Chassis Welded
Gambar 6 Deformasi pada Chassis Bent
Gambar 7 Hasil tegangan ekivalen maksimum pada Chassis welded
Gambar 8 Hasil tegangan ekivalen maksimum pada Chassis bent
Berdasarkan gambar 6 dan 7, didapatkan tegangan ekivalen maksimum pada chassis welded sebesar 110,97 MPa. Sedangkan pada Chassis bent, tegangan ekivalen maksimum sebesar 66,681 MPa. Hasil analisis ANSYS chassis welded dan bent dapat dilihat pada Tabel 3.
| No. | Uraian | Welded Chassis (W) | Bent Chassis (B) |
|---|---|---|---|
| 1 | Beban | 250kgf | 250kgf |
| 2 | Meshing | ||
| - Kepadatan | 828.143 | 853.764 | |
| - Nodal | 1.977.273 | 2.033.171 | |
| - Derajat Kebebasan | 5.931.819 | 6.099.513 | |
| 3 | Deformasi total | 0.24mm | 0.36mm |
| Maksimum | |||
| 4 | Tegangan Ekivalen Maksimum | 110.97MPa | 66.68MPa |
Tabel 3 Analisis ANSYS Beban Bending
5.2 Analisis Deformasi Beban Torsi
Beban torsi diberikan pada bagian ujung depan frame chassis dengan arah berlawanan (keatas dan kebawah sebesar 2500 Nm. Hasil analisis statis beban torsi dengan software ANSYS ditunjukkan pada Gambar 9, Gambar 10 dan Gambar 11. Dari gambar 9 dan 10, dapat disimpulkan bahwa deformasi total maksimum akibat beban torsi dari chassis welded sebesar 9,5812 mm. sedangkan untuk chassis bent sebesar 10,090 mm. adapun untuk tegangan ekivalen maksimum pada chassis bending sebesar 254 MPa. Hasil analisis ANSYS chassis welded dan bent untuk pembebanan torsi dapat dilihat pada Tabel 4.
Gambar 9 Deformasi beban Torsi Chassis W
Gambar 10 Deformasi beban torsi Chassis B
Gambar 11 Tegangan Ekivalen Maksimum pada Chassis B
| No. | Uraian | Chassis W | Chassis B |
| 1 | Beban | 250kgf | 250kgf |
| 2 | Meshing | ||
| - Kepadatan | 828.143 | 853.764 | |
| - Nodal | 1.977.273 | 2.033.171 | |
| - Derajat Kebebasan | 5.931.819 | 6.099.513 | |
| 3 | Deformasi total | 9,58mm | 10.090mm |
| Maksimum |
Tabel 4 Analysis ANSYS Beban Torsi Welded (W) dan Chassis Bent
Dari analisis beban bending dan beban torsi tersebut, dapat disimpulkan bahwa performance dari rangka Chassis welding setara dengan Chassis bending. Demikian juga pada pembebanan puntir performance rangka chassis welded juga sebanding dengan Chassis bent. Hal ini terlihat dari nilai deformasi total maksimum yang terjadi pada ke dua Chassis tidak jauh berbeda.
6 Kesimpulan
Berdasarkan hasil analisa statis deformasi bending dan torsi dengan software ANSYS di atas dapat ditarik kesimpulan:
- a. Hasil analisis statis dengan beban bending dengan beban 250 kgf, nilai deformasi chassis welding 0,24 mm, sedangkan chassis bending 0,35 mm.
- b. Hasil analisis statis dengan beban torsi 2500 Nm, nilai deformasi chassis welding 9, sedangkan chassis bending 10,090 mm.
- c. Nilai tegangan ekivalen maksimum yang diterima oleh Chassis adalah 254 MPa, masih jauh dibawah tegangan yang diijinkan (400- 510 MPa), sehingga desain chassis cukup memenuhi persyaratan
- d. Berdasarkan hasil analisa komputasi, desain chassis bending masih aman terhadap beban dan kondisi yang diberikan.
- e. Pada saat proses bending chassis perlu diperhatikan radius maksimal bending yang diterima oleh material