SISTEM PEREDAM BENTURAN (CRASHBOX) PEGAS TEKAN

KERUCUT DENGAN SAMBUNGAN PAKU KELING

GUNA MEMINIMALISASI GAYA BENTURAN AKIBAT TABRAKAN

PADA KENDARAAN RODA EMPAT

Disusun untuk memenuhi persyaratan perlombaan Mechanical Innovation Design

Contest (MIDC) 2015 yang diselenggarakan oleh tim Kreativitas Mesin

Brawijaya (KMB) di Universitas Brawijaya, Malang

Disusun oleh

DARIS FAJAR RAMADHAN 1213010068

IHSAN MAHARDHIKA 1213010076

PROGRAM STUDI D3 TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

POLITEKNIK NEGERI JAKARTA

2015

ABSTRAK

Crashbox atau sistem peredam benturan adalah fitur keamanan pasif pada

kendaraan yang berfungsi untuk meredam energi benturan ketika kendaraan

mengalami kecelakaan. Untuk memaksimalkan kinerja crashbox dalam meredam

energi benturan, maka digunakan komponen berupa pegas helix kerucut 5 mm

dengan jumlah lilitan sebanyak 6 lilitan dan panjang total 150 mm yang diletakkan

di dalam profil struktur berukuran panjang, besar diameter dan ketebalan plat

masing-masing 300 mm, 100 mm dan 2 mm. Rancangan struktur terdiri atas 2 buah

profil yang digabungkan dengan paku keling berukuran panjang dan diameter paku

masing-masing 6 mm dan 5 mm. Material yang diaplikasikan pada komponen

selain pegas adalah alumunium 6061 dan untuk pegas sendiri adalah baja karbon.

Simulasi yang dikenakan pada rancangan crashbox menggunakan bantuan software

Autodesk Inventor dan SolidWorks. Dari rancangan yang dibuat, crashbox ini

mampu meredam energi benturan yang dialami kendaraan hingga lebih dari

setengah dari besaran energi yang diterima kendaraan. Hal ini menunjukkan bahwa

energi yang diteruskan yang telah diminimalisasi oleh crashbox akan mengurangi

risiko, baik bagi bagian mobil yang lain maupun bagi pengendara, penumpang

ataupun pengguna kendaraan tersebut.

Kata Kunci: Crashbox, penyerapan energi benturan, spesifikasi rancangan

iv

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .......................................................................................... i

LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................... ii

LEMBAR PENYATAAN BEBAS PLAGIASI ................................................ iii

ABSTRAK ......................................................................................................... iv

DAFTAR ISI ...................................................................................................... v

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... vi

DAFTAR TABEL .............................................................................................. vi

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ........................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah ...................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah ......................................................................... 2

1.4 Tujuan ........................................................................................ 2

1.5 Manfaat ...................................................................................... 2

BAB II PEMBAHASAN

1.1 Dasar Teori ................................................................................. 3

2.1.1 Beban Tekuk (Buckling) ................................................. 3

2.1.2 Gaya, Energi, Momentum Dan Impuls ........................... 4

2.1.3 Paku Keling .................................................................... 4

2.1.4 Pegas ............................................................................... 5

1.2 Pengembangan Konsep .............................................................. 5

1.3 Mekanisme Kerja Dan Spesifikasi Rancangan .......................... 6

2.3.1 Distribusi Gaya Dan Pembebanan .................................. 7

2.3.2 Spesifikasi ....................................................................... 9

1.4 Percobaan Dan Hasil .................................................................. 10

BAB III PENUTUP

3.1 Kesimpulan ................................................................................ 12

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 13

LAMPIRAN ....................................................................................................... 14

v

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1 Distribusi Gaya ............................................................................. 7

Gambar 2 Tegangan Dan Pola Deformasi Profil Struktur ............................. 8

Gambar 3 Tegangan Dan Pola Deformasi Pegas ........................................... 8

Gambar 4 Spesifikasi Material Baja Karbon ................................................. 9

Gambar 5 Spesifikasi Material Alumunium 6061 ......................................... 9

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Keterangan Analisa Material ........................................................ 11

Tabel 2 Hasil Analisa ................................................................................. 11

vi

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sistem peredam benturan (crashbox) adalah salah satu sistem keamanan pasif

pada kendaraan yang sekarang banyak digunakan. Tujuannya adalah meredam dan

menyerap energi benturan yang terjadi ketika mobil bertabrakan untuk mengurangi

dampak kecederaan pada penumpang. Upaya para ahli dalam mengembangkan

crashbox dengan menemukan dan mengaplikasikan bentuk dan dimensi yang

bervariasi serta bahan-bahan yang memiliki keunggulan kekuatan serta efisiensi

masih terus dilakukan.

Crashbox pada umumnya memiliki bentuk lingkaran, persegi atau persegi

panjang dengan bentuk menyerupai struktur dan dibuat dengan material yang

memiliki keuletan tinggi dengan dimensi yang paling efektif yang ditentukan

berdasarkan hasil perhitungan. Benturan pada crashbox akan menyebabkan

crashbox mengalami deformasi sehingga crashbox menjadi rusak yang tujuannya

untuk menyerap energi benturan.

Penulis disini berinovasi untuk mengembangkan konsep tersebut dengan

menambahkan komponen berupa pegas tekan kerucut yang ditempatkan di dalam

struktur lingkaran dan disambungkan dengan paku keling. Tujuannya adalah untuk

memaksimalkan penyerapan energi akibat tabrakan karena dengan penambahan

komponen tersebut, deformasi yang dialami dinding crashbox dapat dibantu dengan

deformasi dari pegas sehingga penyerapan energi akan lebih maksimal dan waktu

tempuh deformasi crashbox hingga mengalami kerusakan akan menjadi sedikit

lebih lama. Selain itu, pegas akan menghasilkan gaya reaksi berupa dorongan akibat

gaya aksi tabrakan yang dapat meningkatkan keamanan pengendara ataupun

penumpang kendaraan.

1

1.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah pada proposal/karya tulis ini adalah sebagai berikut

1. Bagaimana desain crashbox yang dapat menyerap energi benturan secara

maksimal?

2. Material apa yang akan diaplikasikan pada rancangan crashbox?

3. Bagaimana cara kerja dari crashbox yang telah dirancang?

1.3 Batasan Masalah

Sesuai uraian pada latar belakang, untuk memberikan batasan atau ruang

lingkup, maka penyusun menegaskan bahwa materi proposal/karya tulis ini hanya

terbatas pada desain, ukuran, material dan hasil analisis rancangan crashbox.

1.4 Tujuan

Tujuan disusunnya proposal/karya tulis ini adalah sebagai berikut

1. Meningkatkan sistem keamanan pada kendaraan roda empat

2. Memaksimalkan penyerapan energi akibat benturan pada sistem peredam

benturan (crashbox)

3. Menciptakan jaminan keselamatan yang lebih baik kepada pengguna,

pengendara dan atau penumpang kendaraan roda empat

1.5 Manfaat

Manfaat yang ingin dicapai dengan disusunnya proposal/karya tulis ini adalah

sebagai berikut

1. Tingkat kematian pengguna, pengendara dan atau penumpang akibat

kecelakaan berkendara menurun

2. Tingkat kerusakan pada kendaraan roda empat yang mengalami kecelakaan

menjadi lebih ringan

3. Rasa khawatir pengguna, pengendara dan atau penumpang kendaraan roda

empat menjadi berkurang sehingga tidak mengganggu konsentrasi ketika

mengoperasikan kendaraan roda empat

2

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Dasar Teori

Crashbox atau sistem peredam benturan yang diletakan di bagian depan dan

belakang mobil merupakan salah satu fitur keamanan yang bekerja secara pasif

guna menyerap energi benturan ketika mobil mengalami kecelakaan. Dalam kasus

kecelakaan berat, crashbox diharapkan rusak akibat menyerap energi benturan

sebelum bagian mobil lainnya mengalami kerusakan sehingga kerusakan pada

rangka dan kabin serta resiko yang dialami penumpang dapat lebih diminimalisasi.

Energi yang diterima oleh crashbox saat terjadi benturan diserap melalui

deformasi plastis yang dimiliki crashbox itu sendiri. Hal ini dapat dipengaruhi juga

oleh seberapa ideal ukuran dan material yang diaplikasikan pada crashbox.

Crashbox menyerap energi benturan dan mengurangi gaya aksial maksimal dengan

mendistribusikannya secara merata yang kemudian diteruskan ke bagian yang ada

di belakangnya dengan besaran gaya yang sudah diminimalisasi dan tidak melebihi

nilai yang diijinkan agar struktur dan bagian yang lain terlindung dari kerusakan

yang parah.

2.1.1 Beban Tekuk (Buckling)

Buckling atau penekukan dapat didefinisikan sebagai sebuah fenomena

kegagalan yang terjadi akibat tekanan kompresif yang terjadi pada sebuah struktur

sehingga menyebabkan terjadinya perubahan bentuk struktur tersebut berupa

defleksi lateral ke bentuk kesetimbangannya yang lain. Perumusannya adalah

sebagai berikut

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 =𝜋𝜋2𝐸𝐸𝐸𝐸4𝐿𝐿2

3

2.1.2 Gaya, Energi, Momentum dan Impuls

Gerakan mendorong atau menarik yang menyebabkan benda bergerak disebut

gaya. Gaya yang dikerjakan pada suatu benda akan mempengaruhi benda tersebut.

Gaya terhadap suatu benda dapat mengakibatkan benda bergerak, berubah bentuk,

dan berubah arah. Gaya dirumuskan dengan

𝐹𝐹 = 𝑚𝑚. 𝑎𝑎

Oleh karena mobil yang mengalami tabrakan memiliki data massa dan

kecepatan, maka peristiwa ini akan menimbulkan energi kinetik dan momentum.

Energi adalah kemampuan suatu benda dalam melakukan kerja. Energi

terbagi ke dalam 3 bagian, yaitu energi mekanik, potensial dan kinetik yang masing-

masing perumusannya adalah sebagai berikut

𝐸𝐸𝐸𝐸 =12𝑚𝑚𝑣𝑣2 | 𝐸𝐸𝐸𝐸 = 𝑚𝑚𝑚𝑚ℎ | 𝐸𝐸𝑚𝑚 = 𝐸𝐸𝐸𝐸 + 𝐸𝐸𝐸𝐸

Momentum adalah besaran hasil kali antara massa dengan kecepatan sebuah

benda yang bergerak. Momentum dirumuskan dengan

𝐸𝐸 = 𝑚𝑚𝑣𝑣

Impuls adalah hasil kali dari gaya total yang mempercepat partikel dan

waktu yang diperlukan untuk percepatan suatu benda yang mengalami tumbukan.

Impuls dirumuskan dengan

𝐸𝐸 = ∆𝐸𝐸 = 𝐹𝐹.∆𝑡𝑡 = 𝑚𝑚(𝑣𝑣𝑡𝑡 − 𝑣𝑣0)

2.1.3 Paku Keling

Paku keling merupakan komponen sambungan konstruksi yang berfungsi

untuk menyambungkan dua plat atau lebih. Sambungan dengan paku keling ini

umumnya bersifat permanen dan sulit untuk melepaskannya karena pada bagian

ujung pangkalnya lebih besar daripada batang paku kelingnya. Oleh karena itu

pengelingan banyak dipakai pada bangunan-bangunan bergerak atau bergetar untuk

menerima pembebanan dinamis. Paku keling dalam ukuran yang kecil dapat

digunakan untuk menyambung dua komponen yang tidak membutuhkan kekuatan

yang besar.

4

Pertimbangan dalam menyambungkan konstruksi menggunakan paku keling

adalah tipe sambungan, jarak antar paku keling, jenis dan ukuran paku keling, jenis

dan ukuran lubang serta material. Ukuran diameter paku keling mengacu kepada

ketebalan plat yang disambungkan, yaitu

1,2√𝑡𝑡 < 𝒅𝒅 < 1,4√𝑡𝑡 dengan 𝑑𝑑 = �4.𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝜋𝜋.𝜏𝜏𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹

Di samping itu, ukuran lubang untuk memasukkan paku keling adalah 116

" lebih

besar dari pada diameter nominal paku keling.

2.1.4 Pegas

Pegas didefinisikan sebagai sebuah elemen elastis yang mempunyai fungsi

untuk berubah ketika dibebani dan kembali ke bentuk awalnya ketika beban

dilepaskan. Salah satu kegunaan penting dari pegas ini adalah untuk menyerap

energi dan untuk menyerap beban kejutan dan getaran.

Adapun perumusan untuk pembebanan dan penyerapan energi pada pegas

adalah sebagai berikut

𝑈𝑈 =12𝑊𝑊𝑊𝑊

2.2 Pengembangan Konsep

Konsep terhadap rancangan crashbox yang telah ada akan dikembangkan

dengan harapan memiliki kinerja dan peranan yang jauh lebih baik dari rancangan

sebelumnya. Pengembangan konsep ini adalah berdasarkan dasar teori yang

tercantum pada sub-bab 2.1 di proposal/karya tulis ini.

Pengembangan-pengembangan konsep yang dilakukan terhadap rancangan

crashbox yang baru antara lain sebagai berikut

1. Gaya aksial akibat benturan yang dikenakan terhadap penampang melintang

crashbox akan menyebabkan crashbox mengalami kegagalan struktur yang

berujung pada penekukan atau buckling. Hal ini dapat menyebabkan

penyerapan energi yang dilakukan oleh crashbox menjadi tidak maksimal.

Maka dari itu, profil struktur crashbox dibuat atas 2 segmen yang berbeda

yang kemudian dihubungkan sehingga membentuk struktur utuh

5

2. Penyambungan antara 2 segmen tersebut dilakukan dengan bantuan paku

keling karena paku keling ini dapat membantu meredam energi. Tujuannya

adalah untuk membantu proses deformasi dan kerusakan pada struktur

crashbox sehingga pola deformasinya akan menjadi lebih terstruktur

3. Penyerapan energi yang dapat dilakukan crashbox pada umumnya berkisar

antara 23 – 25 kJ sekali benturan. Data ini dapat ditingkatkan dengan

menambahkan komponen berupa pegas ke dalam rancangan crashbox karena

pegas merupakan komponen yang menyerap energi benturan dan beban kejut

4. Pegas helix yang dikenakan gaya aksial akan mengalami regangan dan

penekukan/buckling, maka dari itu pegas helix yang diaplikasikan pada

rancangan crashbox adalah pegas tekan helix kerucut

5. Profil struktur crashbox diberikan beberapa lubang sebagai pemutus gaya

terusan benturan dari arah tabrakan agar crashbox mengalami kehancuran

yang parah sehingga energi benturan yang diteruskan ke bagian belakang

crashbox dapat diminimalisasi

2.3 Mekanisme Kerja dan Spesifikasi Rancangan

Crashbox yang diaplikasikan pada mobil diperlukan untuk hancur agar dapat

menyerap energi secara maksimal. Hal ini menyatakan bahwa rancangan crashbox

yang dibuat adalah barang sekali pakai dan pemasangan atau penggunaanya harus

mudah.

Mekanisme kerja dari rancangan adalah menerima gaya tabrakan dari arah

depan dan mendistribusikannya ke semua bagian crashbox. Pegas yang

ditempatkan di dalam profil struktur dibuat setengah kali panjang profil. Profil

struktur depan akan hancur terlebih dulu ketika mengalami gaya tabrakan.

Kemudian setelah struktur terdeformasi dan hancur, gaya mulai disitribusikan ke

arah pegas dan pegas mulai meredam energi akibat tabrakan. Pola deformasi dan

kehancuran struktur akan dibantu oleh kinerja dari paku keling yang ikut meredam

energi juga. Kemudian energi yang masih ada diteruskan ke bagian belakang

crashbox. Untuk meminimalisasi energi yang tersisa, peranan dari lubang yang ada

pada struktur mulai bekerja dengan memutuskan energi dan gaya terusan dari arah

depan dengan mentransfernya ke bagian crashbox lain sehingga membuat crashbox

6

hancur. Pegas juga membuat sentuhan mobil dengan benda yang ditabrak menjadi

lebih lama sehingga energi yang terjadi akibat tabrakan akan menjadi semakin

maksimal sesuai dengan hokum impuls dan momentum dimana waktu tubrukan

yang semakin lama akan membuat energi tumbukan menjadi terasa lebih kecil.

Setelah semua proses distribusi energi dilakukan dan crashbox hancur,

barulah gaya yang minimal diteruskan ke bagian mobil lain sehingga keamanan

penumpang akan lebih terjaga.

2.3.1 Distribusi Gaya Dan Pembebanan

Dengan mengasumsikan bahwa tabrakan terjadi dari arah depan mobil

sehingga crashbox mengalami gaya tekan aksial, maka dibuat ilustrasi sebagai

berikut

Gambar 1. Distribusi Gaya

ΣMA = 0

Faksial.(0,4 m) – Freaksi 2.(0,8 m) = 0

Freaksi 2 = ½ (Faksial)

= ½ (1000 kg.9,81 m/s)

= 4905 N

7

Freaksi 1 Freaksi 2

Faksial

A

B

C

800 mm

Gambar 2. Tegangan Dan Deformasi Profil Struktur

Ekinetik = ½ mv2

= ½ (1000 kg).(33,33 m/s)2

= 555444,45 Joule

Ekinetik = Freaksi.jarak

555444,45 J = 4905 N.jarak

Jarak = 113,24 m

Gambar 2. Tegangan Dan Deformasi Pegas

k = F/x Ekinetik = ½ kx2

= 4905 N/0,04 m = ½ 122625 N/m.(0,04 m)2

= 122625 N/m = 98,1 Nm

8

2.3.2 Spesifikasi

Adapun spesifikasi yang mendukung untuk perlakuaan gaya dan energi

benturan akibat kecelakaan adalah sebagai berikut

1. Profil struktur

Material : Alumunium 6061

Dimensi : Tebal plat 2 mm

Panjang 30 cm

Diameter profil 10 cm

Dimensi sambungan 27 mm

2. Paku keling

Material : Alumunium 6061

Dimensi : Diameter nominal 6 mm

Panjang 10 mm

3. Pegas

Material : Baja karbon

Dimensi : Diameter pegas 5 mm

Jumlah lilitan 6 lilitan

Panjang pegas 15 cm

Gambar 4. Spesifikasi Material Baja Karbon

9

Gambar 5. Spesifikasi Material Alumunium 6061

2.4 Percobaan Dan Hasil

Analisa data dilakukan dengan menggunakan software Autodesk Inventor dan berikut adalah hasil percobaan dan data yang ditampilkan dalam gambar dan tabel

Gambar 6. Hasil Analisa

10

Tabel 1. Keterangan Analisa Material

Name Minimum Maximum Volume 349548 mm^3 Mass 1.09284 kg Von Mises Stress 0.000264976 MPa 411.277 MPa 1st Principal Stress -63.8764 MPa 422.693 MPa 3rd Principal Stress -442.451 MPa 69.1334 MPa Displacement 0 mm 0.966065 mm Safety Factor 0.668648 ul 15 ul Stress XX -294.168 MPa 342.139 MPa Stress XY -91.8295 MPa 91.9399 MPa Stress XZ -203.594 MPa 190.339 MPa Stress YY -283.291 MPa 272.084 MPa Stress YZ -126.171 MPa 126.857 MPa Stress ZZ -400.124 MPa 180.632 MPa X Displacement -0.263429 mm 0.266751 mm Y Displacement -0.183281 mm 0.18225 mm Z Displacement -0.966062 mm 0.0251136 mm Equivalent Strain 0.00000000352151 ul 0.00539951 ul 1st Principal Strain -0.00000792264 ul 0.00594353 ul 3rd Principal Strain -0.0059049 ul -0.00000000175698 ul Strain XX -0.00319262 ul 0.00438857 ul Strain XY -0.00177262 ul 0.00177475 ul Strain XZ -0.00393004 ul 0.00367417 ul Strain YY -0.00266555 ul 0.00335172 ul Strain YZ -0.00243552 ul 0.00244877 ul Strain ZZ -0.00566524 ul 0.00265477 ul Contact Pressure 0 MPa 462.062 MPa Contact Pressure X -319.593 MPa 325.008 MPa Contact Pressure Y -295.967 MPa 316.671 MPa Contact Pressure Z -400.904 MPa 273.837 MPa

Tabel 2. Hasil Analisa

11

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Dari hasil rancangan dan percobaan yang telah dilakukan pada crashbox,

didapatkan simpulan sebagai berikut

1. Crashbox adalah alat yang berguna untuk meredam energi benturan ketika

mobil bertabrakan

2. Energi yang diterima crashbox didistribusikan ke seluruh bagian crashbox

sehingga crashbox menjadi hancur. Semakin besar tingkat kerusakaan yang

dialami crashbox, semakin besar pula energi benturan yang berhasil diredam

3. Untuk memperbesar redaman energi benturan, crashbox dihubungkan dengan

paku keling dan pegas serta lubang. Tujuannya untuk mengakumulasikan

semua kemungkinan peredaman energi sehingga redaman energi yang

dilakukan menjadi lebih maksimal

4. Material yang diaplikasikan terhadap struktur dan paku keling adalah material

yang ulet tetapi memiliki kekuatan yang besar. Sedangkan untuk pegas,

material yang diaplikasikan harus memiliki kekuatan yang besar.

5. Tumbukan ketika tabrakan tergantung kepada momentum dan impuls.

Semakin lama waktu tabrakan crashbox dengan benda yang ditabrak, energi

yang diredam akan semakin besar. Semakin besar energi yang diredam,

keselamatan pengendara dan penumpang akan menjadi lebih terjamin

6. Dimensi rancangan crashbox yang diaplikasikan adalah dimensi yang

disesuaikan dengan pasar/pabrikan di Indonesia sehingga mudah didapatkan,

maka biaya produksi akan lebih murah

12

DAFTAR PUSTAKA

[1] Tawaf, Nanang dan Asroni. Jurnal Analisa Deformasi Crashbox Dengan

Variasi Diameter Dengan Simulasi Software ANSYS 14.5. ISSN 2301-6663

Vol. 2 Nomor 1. Indonesia.

[2] Awali, Jatmiko. Choiron, Moch. Agus. Irawan, Yudy Surya. 2014. Jurnal

Rekayasa Mesin: Pengaruh Variasi Geometri Crashbox 2 Segmen Terhadap

Kemampuan Menyerap Energi Impak Dengan Simulasi Komputer. ISSN

0216-468X Vol. 5 Nomor 2 halaman 113-118. Malang.

[3] Muhammad, Farid. Choiron, Moch. Agus, Purnowidodo, Anindito. Jurnal

Analisis Pola Deformasi Dan Penyerapan Energi Crashbox Hexagonal Dua

Segmen Dengan Variasi Panjang Sambungan Pada Oblique Impact Test.

Malang.

[4] Adhityahim. 2008. Metode Elemen Hingga. Indonesia.

[5] Nakozawa, Yoshiaki. Tamura, Kenji. Yoshida, Michitaka. Takagi,

Katsutoshi. Kano, Mitsutoshi. 2005. Development Of Crash-Box For

Passanger Car With High Capability For Energy Absorption. Japan.

[6] Saripudin, Aip. Rustiawan K., Dede. Suganda, Adit. Praktis Belajar Fisika.

Jilid 2. Grafindo Media Pratama.

[7] Young, Freeman. Sears Dan Zemansky Fisika Universitas. Edisi 10 Jilid 2.

Erlangga.

[8] Pramono, Dr. Drs. Agus Edy, S.T., M.Si. 2013. Buku Ajar Elemen Mesin I

Politeknik Negeri Jakarta. Depok

[9] Pramono, Dr. Drs. Agus Edy, S.T., M.Si. 2014. Buku Ajar Elemen Mesin II

Politeknik Negeri Jakarta. Depok

13

Lampiran halaman 14

Lampiran halaman 15

Lampiran halaman 16

Lampiran halaman 17

Lampiran halaman 18

Lampiran halaman 19