PERANCANGAN RANGKA SEPEDA

Rancangan RangkaSesuai dengan tujuan penelitian untuk mengetahui

pengaruh besar sudut STA terhadap energi kayuh dan nilai resiko cedera tubuh pengendara, dikembangkan rangka yang dapat dirubah STA-nya (Seat Tube Angel) dengan sudut antara 680 s/d 840. Untuk bisa merubah sudut STA tersebut, diperlukan mekanisme (komponen) khusus. Berikut ini adalah rancangan rangka sepeda beserta komponen rangkanya seperti terlihat pada gambar di bawah:

Keterangan :1. Head tube2. Pivot House13. Top Tube4. Pivot House 25. Seat Tube6. Seat Stay7. Chain Stay8. Bottom Bracket9. Down Tube

Gambar Rancangan Sepeda Dengan Rangka Fleksibel.Pada penelitian ini akan dirancang dan dibuat rangka

fleksibel, yaitu bagian 1 s/d nomer bagian 9.

Analisa Kekuatan RangkaAnalisa perhitungan kekuatan rangka sepeda digunakan

supaya desain aman ketika beban terjadi, berdasarkan material yang digunakan yaitu aluminium alloy Al 6061. Analisa kekuatan material komponen diketahui dari berat pengendara yang terdistribusi pada rangka sepeda, sehingga ketika besar sudut STA dirubah dari 680 sampai 840 rangka tetap aman. Berikut ini urutan mencari besar gaya-gaya pada batang rangka.

21

22

1) Mencari titik berat rangka dan pengendara sepeda dengan bantuan software CATIA V5R14 yaitu memasukkan data material yang akan digunakan, misalnya aluminium campuran (aluminium alloy). Berikut ini gambar posisi titik berat sepeda lengkap dengan pengendaranya :

Gambar Posisi Titik Berat Rangka Sepeda2) Menggambar diagram benda bebas rangka sepeda dengan

distribusi gaya-gaya pada seat tube dan head tube. Contoh perhitungannya adalah:

1. Dimensi rangka dapat dilihat pada gambar 4.22. Material komponen : Aluminium alloy (Al 6061).3. Density : 2710 Kg/m3

4. Massa total komponen sepeda : 9.5 Kg.5. Massa rata-rata pengendara yang digunakan : 90 Kg.

Dari data diatas didapatkan berat total (W) adalah:W = (Massa semua komponen sepeda + massa

pengendara) x gravitasi.W = (99,5) Kg x (9,81) m/s2 = 976,095 N

23

Gambar Rangka Sepeda. A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M adalah titik simpul

Mencari reaksi tumpuan pada titik A dan B∑ Fy = 0 (↑+)

RA + RB – W = 0RA + RB –976,095 N = 0RA + RB = 976,095 N......................(1)

∑MA = 0(W x 461) – (RB x 999) = 0(976,095 x 461) – (RB x 999) = 0449979,795– 999 RB = 0RB = 449979,795 / 999RB = 450,4302 N.......................................(2)

Subtitusi ke persamaan........(1) dan (2)RA + RB = 976,095 NRA + (450,4302 )N = 976,095 NRA = 976,095 N-450,4302 NRA = 525,6648 N..........................................(3)

24

3) Mencari besar gaya yang bekerja pada tiap batang rangka sepeda dengan metode grafik yaitu memakai bantuan software catia (skala 1:1). Masing-masing analisa grafik pada batang rangka bisa dilihat sebagai berikut:

Pada titik simpul A,D

Pada titik simpul D,E,FGaya aksi pada batang AD sama dengan gaya reaksi pada batang DE.

Pada titik simpul A,C,M,K

25

Pada titik simpul K,B

Pada titik simpul J,K,L,B

Pada titik simpul I,J

26

Pada titik simpul F,M

4) Pembuatan tabel untuk besar gaya pada tiap batang komponen. Setiap perubahan sudut STA gaya yang terjadi akan berbeda-beda, karena setiap masing-masing batang komponen rangka sepeda berubah posisi. Untuk itu akan ditabelkan besar gaya pada tiap batang komponen rangka. Berikut ini contoh tabel 4.1 besar gaya pada tiap batang komponen rangka pada saat besar STA 680 .

Tabel 4.1 besar gaya pada tiap batang komponen rangka pada STA 680

NO BATANGBESAR GAYA

(N)KETERANGAN

1 AC 300Chain stay terhubung oleh rumah roda kiri dan kanan sebagai tempat tumpuan roda.

2 DE 791,95Mekanisme seat stay yang menghubungkan rumah roda dengan rumah seat tube.

3 EF 717,62Batang rumah seat tube menopang posisi seat tube pada sudut yang digunakan.

4 IJ 405,23

Mekanisme batang top tube yang menghubungkan rumah seat tube dengan rumah rangka utama depan.

27

5 JK 428,49

Batang rumah utama depan yang menghubungkan mekanisme batang top tube dengan rangka utama depan.

6 KC 480,38Batang down tube yang menghubungkan rangka utama depan dengan rumah pedal.

7 CM 402,41Batang rumah seat tube tengah yang menghubungkan seat tube dengan rumah pedal.

8 FM 375,43Batang seat tube untuk penopang batang sadel berat pengendara.

Analisa komponen rangka sepeda dengan bahan aluminium Al-6061Gaya terbesar terdapat pada komponen seat stay yaitu

batang DE dengan besar gaya 791,95 N. Untuk material Al-6061 atau wrought Aluminium Alloy pada tabel machinery’s handbook-typical mechanical properties mempunyai tegangan yield material sebesar 40 ksi atau 275 x 106 N/m2. Untuk memastikan komponen tersebut aman maka tegangan yang terjadi harus lebih kecil dari tegangan desain setelah dibagi dengan faktor keamanan.Tegangan yang terjadi = (Gaya maksimum / Luas permukaan

terkecil komponen)Gaya maksimum = 791,95 NLuas permukan terkecil komponen :

= ( )

= ( )

= 124,60 mm2

= 124,60 x 10-5 m2

Tegangan yang terjadi = (791,95 N / 124,60 x 10-5 m2)= 6,356 x 105 N/m2

Tegangan desain = (Tegangan yield material / Faktor keamanan)

28

= ( 275 x 106 N/m2 / 3 ) = 91,66 x 106 N/m2

Karena tegangan yang terjadi lebih kecil dari tegangan desain teoritis, maka komponen seat stay aman.

Simulasi beberapa komponen sepeda yang dirakit dengan software CATIA V5R14 untuk analisa tegangan von mises. Analisa ini menggunakan permodelan elemen hingga yaitu sistem yang dianalisa dibagi menjadi elemen-elemen kecil. Pada elemen-elemen tersebut memiliki node berupa titik-titik yang berhingga besar-nya, semakin besar node yang dimasukkan hasil simulasi lebih akurat tetapi memerlukan waktu penghitungan yang lama. Berikut ini adalah simulasi beberapa komponen yaitu: komponen penghubung, top tube, dan seat stay. Komponen Penghubung

Data yang didapat dari simulasi von mises untuk komponen penghubung ini, didapat dengan cara memasukkan part pada menu analysis dan simulation. Dengan memilih generative structural analysis dipilih material yang digunakan dalam hal ini adalah aluminium. Kemudian dilakukan pembebanan (load) dengan menu distributed force pada sisi komponen yang dianalisa. Untuk mengeksekusi analisa menggunakan menu compute sehingga hasil tegangan (von mises stress) dapat dilihat. Berikut ini adalah hasil simulasi-nya:

29

Gambar Simulasi Pembebanan dan Hasil Visualisasi Von Mises Stress Pada Komponen Penghubung.

Dari gambar static case solution von mises stress (nodal value) didapat tegangan maksimum pada warna merah yaitu 2,4176 x 105 N/m2. Komponen sambungan tersebut terdapat pin dengan material AISI 1045 dari tabel mechanical properties of plan carbon and alloy steel memiliki yield strength 3,79 x 108

N/m2. Karena tegangan maksimum pada komponen penghubung masih dibawah yield strength material pin maka sambungan aman.

30

Komponen Top Tube Proses sama dengan analisa sebelum-nya untuk mendapatkan hasil simulasi von mises sebagai berikut:

Gambar Simulasi Pembebanan dan Hasil Visualisasi Von Mises Stress Pada Komponen Top Tube.

Dari gambar static case solution von mises stress (nodal value) didapat tegangan maksimum pada warna merah yaitu 2,6637 x 105 N/m2. Komponen top tube tersebut menggunakan material Al-6061 atau wrought Aluminium Alloy pada tabel machinery’s handbook-typical mechanical properties mempunyai tegangan yield material sebesar 40 ksi atau 275 x 106 N/m2. Karena tegangan maksimum pada komponen top tube masih dibawah yield strength material Al-6061 maka aman.

31

Komponen Seat Stay Proses sama dengan analisa sebelum-nya untuk mendapatkan hasil simulasi von mises sebagai berikut:

Gambar Simulasi Pembebanan dan Hasil Visualisasi Von Mises Stress Pada Komponen Seat Stay.

Dari gambar static case solution von mises stress (nodal value) didapat tegangan maksimum pada warna merah yaitu 6,3867 x 105 N/m2. Komponen seat stay tersebut menggunakan material Al-6061 yang memiliki yield strength 275 x 106 N/m2. Karena tegangan maksimum pada komponen top tube masih dibawah yield strength material Al-6061 maka perencanaan memenuhi syarat aman.