ANALISA DISTRIBUSI TEGANGAN PADA MODIFIKASI AXLE SLEEVE LANDING GEAR PESAWAT TERBANG DENGAN METODE ELEMEN HINGGA

Willyanto Anggono 1) , Ian Hardianto Siahaan 2) , Ninuk Djonoadji 3) , Fandi Dwiputra Suprianto 4) , Robby stefanus kusnaidi 5) Product Innovation and Development Centre Petra Christian University1,2,3,4,5)

Mechanical Engineering Petra Christian University1,2,3,4,5)

Jalan Siwalankerto 121-131, Surabaya 60236E-mail : willy@petra.ac.id1)

ABSTRAK

Landing gear merupakan konstruksi dari roda pendaratan pesawat terbang yang berfungsi untuk menyerap energi yang terjadi pada saat pesawat mendarat (landing). Pada umumnya, landing gear pada suatu pesawat digolongkan menjadi dua bagian yaitu: nose landing gear (landing gear bagian depan) dan main landing gear (landing gear bagian belakang). Nose landing gear berjumlah satu buah dan main landing gear bermacam-macam jumlahnya bergantung jenis pesawatnya. Untuk pesawat penumpang yang merupakan obyek pada penelitian ini, nose landing gear berjumlah satu buah, dan main landing gear berjumlah dua buah (pada sayap kiri berjumlah satu buah, dan pada sayap kanan berjumlah satu buah). Selain itu, landing gear juga merupakan salah satu bagian vital dari pesawat terbang yang berfungsi untuk menopang keseluruhan bobot pesawat ketika berada di darat, mulai dari landing hingga take off.

Analisa distribusi tegangan pada axle sleeve landing gear pesawat terbang ini, ditujukan untuk mengetahui pengaruh tegangan yang terjadi pada axle sleeve landing gear yang telah dimodifikasi. Pada penelitian ini, kasus yang terjadi adalah kerusakan (keausan) pada ulir (threads) tempat mur pengunci roda (axle nut) yang terdapat pada poros (axle) main landing gear. Jika ulir menjadi rusak dapat mengakibatkan sesuatu hal yang sangat fatal dan memungkinkan mur pengunci roda terlepas. Tindakan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah menganalisa modifikasi axle sleeve baik secara analitis maupun dengan metode elemen hingga (software ANSYS), sehingga dapat memastikan bahwa hasil modifikasi tersebut aman. Untuk mencapai tujuan dan manfaat tersebut, peneliti menyusun suatu strategi agar sistematis dalam menganalisa permasalahan. Sehingga hasil penelitian dapat ditampilkan dalam bentuk informasi, khususnya sebagai masukan bagi perusahaan. Harapan yang dikehendaki dalam penelitian ini adalah dengan keamanan pada axle sleeve landing gear maka dapat menghindari pembuangan landing gear, yang mana membutuhkan biaya yang sangat besar, serta masalah terjadinya kecelakaan dapat diminimalisasi, serta tidak terulang kembali.

Berdasarkan hasil analisa yang dilakukan pada modifikasi axle sleeve landing gear pada bagian ulir axle sleeve landing gear pesawat terbang, material AISI 4340 (Syp= 1675 MPa) dapat dinyatakan aman dipakai. Hasil analisa dengan menggunakan metode elemen hingga terhadap modifikasi axle sleeve landing gear, didapatkan suatu kesimpulan bahwa hasil analisa dengan menggunakan metode elemen hingga (software ANSYS), tegangan maksimum yang terjadi pada bagian ulir axle sleeve landing gear sebesar 10.987 MPa degan prosentase ketelitian sebesar 93.98 %.

Kata kunci : axle sleeve, landing gear, Metode Elemen Hingga.

1. PENDAHULUAN

Dalam dunia penerbangan aspek keselamatan merupakan hal yang paling wajib diperhitungkan, karena berhubungan erat dengan nyawa dari puluhan bahkan ratusan penumpang yang menggunakan jasa transportasi udara. Sehingga dalam pemodifikasian setiap komponennya haruslah dipertimbangkan secara matang, tepat dalam pemilihan material, melalui perhitungan yang benar dan desain yang baik. Dunia penerbangan telah mengalami berbagai jenis kecelakaan pesawat, salah satunya disebabkan karena roda pendaratan yang terlepas dari poros dukungnya. Dengan mempertimbangkan aspek keselamatan tersebut, maka masalah yang dibahas dalam penelitian ini adalah tentang distribusi tegangan pada salah satu bagian dari landing gear pesawat terbang untuk penumpang, yaitu bagian poros dukung (axle).

Landing gear merupakan salah satu bagian pesawat terbang yang berfungsi untuk menyerap energi dari getaran yang muncul selama roda pendaratan bersentuhan dengan landasan. Saat di udara, landing gear akan tersimpan di dalam body pesawat. Hal yang menjadi masalah apabila tidak diperhatikan adalah pengunci roda pesawat yang rusak, dengan demikian kemungkinkan roda pesawat tersebut dapat terlepas dengan sendirinya.

Gambar 1. Landing gear

Kerusakan yang terjadi adalah keausan pada threads yang disebabkan oleh gaya aksial. Apabila gaya aksial yang bekerja pada axle nut melebihi kekuatan dari threads, maka threads tersebut akan aus. Problem yang dianggap sederhana akan menimbulkan dampak yang sangat serius pada landing gear, yaitu mempertaruhkan keberadaan dari landing gear itu sendiri. Penelitian ini ditujukan untuk dapat mengetahui besar dan letak tegangan kritis / konsentrasi tegangan yang terjadi pada landing gear dan untuk memastikan apakah aman bahan yang dipakai sebagai modifikasi landing gear dengan menggunakan Metode Elemen Hingga.

Gambar 2. Ulir pada axle yang menjadi topik permasalahan

2. KAJIAN PUSTAKA

Landing gear merupakan konstruksi dari roda pendaratan pesawat terbang yang berfungsi untuk menyerap energi dari getaran yang terjadi pada saat pesawat mendarat (landing). Pada umumnya, landing gear pada satu pesawat digolongkan menjadi dua bagian, nose landing gear (depan) dan main landing gear (belakang). Nose landing gear berjumlah satu buah, dan main landing gear bermacam-macam jumlahnya bergantung jenis pesawatnya. Untuk pesawat berpenumpang yang merupakan obyek pada studi kasus ini, nose landing gear (shock strut) berjumlah satu buah, dan main landing gear berjumlah dua buah (pada sayap kiri satu buah, dan pada sayap kanan satu buah). Selain itu, landing gear juga merupakan salah satu bagian vital dari pesawat terbang yang berfungsi untuk menopang keseluruhan bobot pesawat ketika berada di darat, mulai dari landing, hingga take off.

Shock strut, merupakan pipa utama (posisi vertikal) dengan sistem pneumatik dan hidraulik yang berfungsi sebagai pegas atau peredam kejutan. Shock strut memiliki dimensi paling besar dari konstruksi landing gear. Axle, merupakan suatu poros yang tidak berputar (posisi horisontal), dimana terpasang konstruksi roda pesawat yang terdiri dari beberapa bagian utama lainnya seperti tire, wheel, multiple disc brake, dan bearings.

Apabila roda pesawat dibuka, maka akan tampak susunan multiple disc brake yang terpasang pada axle seperti yang ditunjukkan pada gambar 3 berikut ini :

Gambar 3. Shock strut, dan multiple disc brake yang terpasang pada axle

3. METODOLOGI PENELITIAN

Gambar 4. Metodologi Penelitian

Dalam penelitian ini akan menetapkan beberapa batasan penelitian, antara lain : Obyek yang dianalisa adalah landing gear pesawat berpenumpang (khususnya bagian modifikasi). Analisa lebih difokuskan pada saat terjadi impact. Faktor ini dianggap sebagai salah satu hal yang

berpengaruh terhadap keberadaan axle sleeve dan pada saat impact, tidak ada prosedur pengereman, sehingga efek pengereman diabaikan.

Material yang digunakan adalah AISI 4340 Obyek yang dianalisa adalah bagian ulir pada axle sleeve landing gear.

4. HASIL PENELITIAN DAN ANALISA

Sebelum melakukan analisa dan perhitungan ada beberapa hal yang perlu dipahami yaitu tahap-tahap pesawat dalam melakukan landing. Dalam hal ini cara landing seorang pilot tidak dapat memastikan cara landing selalu benar yang dikarenakan adanya berbagai kondisi yang tidak mendukung (contoh : cuaca hujan dan berkabut). Sehingga dalam melakukan analisa dipilih posisi landing (touch down) yang dianggap cukup ekstrim yaitu touch down dengan satu main landing gear terlebih dahulu.

Gambar 5. Touch down dengan satu main landing gear terlebih dahulu dan kecenderungan arah roda untuk bergeser

Dengan posisi touch down yang seperti pada gambar 5 akan mengakibatkan gaya searah sumbu horisontal semakin besar, gaya pada sumbu horisontal inilah yang akhirnya menjadi masalah karena dapat mengakibatkan ulir axle sleeve menjadi rusak.

Jika hal tersebut yang terjadi maka dapat dipastikan bahwa bagian yang mengalami kerusakan pada bagian ulir adalah roda B dan D (gambar 5), karena gaya searah sumbu horisontal yang timbul akibat posisi pesawat yang miring. Berdasarkan pertimbangan yang mengakibatkan terjadinya kecelakaan pesawat salah

satunya adalah karena ulir pada landing gear rusak dan hasil modifikasi sebenarnya jika dilihat secara teknik hanyalah memodifikasi bagian ulir saja (gambar 6).

Gambar 6. landing gear sebelum modifikasi (kiri) dan landing gear setelah modifikasi (kanan)

Pertimbangan lain dalam penelitian ini adalah posisi roda yang lebih dahulu menerima beban, roda yang menerima beban terbesar dan roda yang berdasarkan konstruksinya (posisi mur) akan mengalami kerusakan pada ulir yang terparah. Dengan pertimbangan tersebut, maka analisa hanya dilakukan pada salah satu roda saja yaitu roda B (gambar 5).

4.1. Perhitungan dengan Metode Analitis

Dalam penelitian ini akan melakukan proses perhitungan hanya sebatas pada elemen yang modifikasi saja. Dengan begitu dibutuhkan data-data awal sebagai penunjang dalam analisa secara manual yang berupa gaya-gaya luar yang di alami oleh elemen yang berguna dalam analisa manual. Data tersebut adalah sebagai berikut :

• Gaya-gaya luar pada axle sleeve yang diperlukan : 1. Mbending max = 9614.607327 Nm 2. Ftorque = 512.7790574 N 3. Faxial = 21275.11916 N 4. fshrink = 0.14 • Material yang digunakan adalah AISI 4340 dengan

Sy = 1675 MPa • Gambar yang menunjukan dimensi dari axle sleeve.

Gambar 7. Dimensi-dimensi utama dari axle sleeve

Pada perhitungan tentang elemen mesin ini hal yang menjadi fokus analisa yaitu gaya yang terjadi pada ulir, Karena bagian tersebut merupakan daerah yang kritis.

4.1.1. Gaya yang terjadi pada bagian ulir

Kerusakan ulir sebagai akibat tegangan geser, maka perhitungan tegangan geser dilakukan pada permukaan geser (Ashear) yang terjadi (bila Dminor

= 0.0724 m, dan panjang ulir yang berhubungan h = 0.019 m).

Tekanan yang diterima ulir juga dapat mengkibatkan pada ulir, maka perhitungan tegangan tekan pada permukaan tekan (Acompression) yang terjadi (bila Dmajor

= 0.0743 m, dan jumlah ulir yang berpasangan z = 12).

4.1.2. Teori Kegagalan

Setelah dilakukan berbagai perhitungan dan kemudian didapatkan tegangan-tegangan yang dialami elemen tersebut, maka kemudian perlu pemeriksaan apakah elemen yang kita analisa tersebut aman atau tidak. Untuk itu diperlukan tegangan-tegangan prinsipal tersebut dan digunakan untuk mendapatkan berapa nilai angka keamanannya jika divalidasikan dengan data materialnya. Dan perhitungannya adalah sebagai berikut :

• Bagian ulir

• Maximal Normal Stress Theory :

• Distortion Energy Theory (von Mises Theory) :

Kemudian setelah didapatkan tegangan-tegangan prinsipal diatas kita perlu melihat berapakah angka keamanan dari elemen tersebut (axle sleeve pada roda B) yang dianalisa. Dan cara mendapatkan angka keamanan tersebut adalah sebagai berikut :

Material sleeve : AISI 4340 dengan Sy = 1675 MPa.

σmax = 263.9245556 MPa

Berdasarkan hubungan :

Dimana : σ = tegangan yang sebenarnya. Sy

= tegangan yang didesain. Sf = faktor keamanan (safety factor).

Dari rumus diatas didapatkan bahwa faktor keamanan yang didapat adalah 6.5. faktor keamanan digunakan dalam mendesain komponen pesawat adalah sebesar 1,5. Dengan demikian jika dibandingkan dengan faktor keamanan standar yang digunakan dalam mendesain komponen pesawat terbang, maka dapat dinyatakan bahwa dengan angka (faktor) keamanan sebesar 6.5 adalah aman.

4.2. Perhitungan dengan Metode Elemen Hingga

Perancangan dengan metode elemen hingga membutuhkan model yang akan digunakan untuk analisa. Untuk suatu benda tertentu, pemodelan bisa dilakukan dengan banyak cara, tergantung pertimbangan dari seorang modeller. Pemodelan yang sederhana terkadang diperlukan dengan pertimbangan kemudahan dan waktu untuk membangun model yang lebih singkat (dapat dianggap cukup mewakili model yang sebenarnya).

Gambar 8. Model sebenarnya dari Axle sleeve (kiri) danmodel dari Axle sleeve yang telah disederhanakan (kanan)

Penyederhanaan pada Axle sleeve ini bertujuan untuk memudahkan analisa dalam komputer tanpa mengurangi keakuratan hasil analisa dan tidak mengalami penyimpangan dari tujuan. Sehingga dalam proses penganalisaan tidak memakan waktu yang lebih lama.

Model yang disederhanakan tersebut mengalami penyederhanaan pada bagian chamfer pada diameter dalam Axle sleeve karena dianggap tidak berpengaruh dalam penganalisaan, bagian pin yang dihilangkan karena pin merupakan bagian tumpuan dari Axle sleeve yang dalam hal ini semua tumpuan dianggap baik karena alasan kerusakan yang terjadi hanya pada bagian ulir (seperti yang telah diketahui dalam batasan masalah), sehingga nantinya dalam penganalisaan bagian yang diberi beban adalah bagian ulir (16 ulir) dan bagian badan dari Axle sleeve yang mengalami pemendekan karena dianggap hanya debagai tumpuan.

Langkah-langkah dalam melakukan analisa pada Axle sleeve dengan software ANSYS adalah Pemodelan, Meshing, Analisa, dan yang terakhir adalah Solusi.

Pada tahap awal ini hanya dilakukan proses penggambaran Axle sleeve dengan dimensi sebenarnya yang telah disederhanakan dan melakukan pemilihan tipe elemen beserta material yang digunakan.

Gambar 9. Model dari Axle sleeve yang telah disederhanakan

tampak samping (kiri) dan model dari Axle sleeve tampak 3-D (kanan)

Dalam hal ini tipe elemen yang dipilih adalah elemen solid 95, dengan alasan : • Jumlah node yang dimiliki banyak (20 node) sehingga memungkinkan ketelitian yang tinggi dalam pendistribusian tegangan. • Punya 3 derajat kebebasan sehingga gaya yang diterima dapat didistribusikan sesuai dengan kenyataan. • Kemampuannya dalam pemodelan yang berbentuk lengkungan atau kurva.

Gambar 10. Model dari Axle sleeve tampak samping yang di meshing

Kemudian akan muncul hasil analisa yang berupa gambar yang menunjukan pendistribusian tegangan yang terjadi pada Axle sleeve tersebut. Gambar hasil penditribusian tegangan oleh komputer seperti tampak pada gambar berikut ini:

Gambar 11. Distribusi tegangan pada Axle sleeve tampak 3-D (kiri) dan Distribusi tegangan pada Axle sleeve yang diperbesar (kanan)

Pada gambar 11 ditunjukan bahwa Axle sleeve telah mengalami tegangan kritis pada bagian lembah ulir (bagian yang berwarna merah), dan dari gambar tersebut yang telah menampakkan ulir yang miring tidak dapat langsung diambil kesimpulan bahwa ulir mengalami kegagalan atau deformasi seperti pada gambar. Gambar tersebut hanya menyatakan arah deformasi dan deformasi yang akan terjadi jika beban yang diterima sangat besar (melebihi tegangan ijin ) dan juga distribusi tegangan yang terjadi pada Axle sleeve (besarnya tegangan yang terjadi adalah seuai dengan penunjukan warnanya, semakin kearah warna merah maka semakin besar pula tegangan yang terjadi).

Pada langkah solusi merupakan langkah akhir, komputer metampilkan hasil solusi yang berupa tabel tegangan yang dialami tiap node pada Axle sleeve landing gear. Berikut adalah hasil solusi maksimum dan minimum pada node dari elemen solid axle sleeve landing gear :

Gambar 12. Hasil solusi maksimum dan minimum pada node dari elemen solid axle sleeve landing gear

Dari hasil solusi yang diatas kita mendapatkan tegangan maksimum yang terjadi pada axle sleeve landing gear sebesar 10.987E+06 Mpa. Kevalidan antara metode analitis dengan metode elemen hingga dapat dicari melalui prosentase kesalahan berikut ini dengan data sebagai berikut : • Berdasarkan hasil perhitungan metode analitis σeq = 10.47440 MPa • Berdasarkan perhitungan dengan metode elemen hingga σeq = 10.987MPa maka Prosentase kevalidan (keseksamaan) adalah 93.98%

Dari hasil analisa antara metode analitis dengan metode elemen hingga terdapat selisih hasil akhir yang dikarenakan dalam analisa dengan metode analitis tidak dapat menganalisa distribusi tegangan pada axle sleeve landing gear, sedangkan dalam analisa dengan metode elemen dilakukan analisa distribusi tegangan. Dengan menganalisa distribusi teganganny maka tingkat ketelitian hasilnya menjadi lebih akurat.

6. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil analisa yang dilakukan pada modifikasi axle sleeve landing gear pada bagian ulir axle sleeve landing gear pesawat terbang, material AISI 4340 (Syp= 1675 MPa) dapat dinyatakan aman dipakai. Hasil analisa dengan menggunakan metode elemen hingga terhadap modifikasi axle sleeve landing gear, didapatkan suatu kesimpulan bahwa hasil analisa dengan menggunakan metode elemen hingga (software ANSYS), tegangan maksimum yang terjadi pada bagian ulir axle sleeve landing gear sebesar 10.987 MPa degan prosentase ketelitian sebesar 93.98 %.

7. REFERENSI

[1] Beer, Ferdinand P. and Johnston, E Russel., Mekanika untuk Insinyur : Statika edisi keempat Penerbit Erlangga, Jakarta (1991)

[2] Logan. Daryl L, A First Course in The Finite Element Method, PWS Publishing Company, Boston, (1996)

[3] Deutschman, Aaron D, Machine Design Theory and Practice, Macmillan Publishing Co, Inc, New York, (1975)

[4] Dobrovolsky. V, Zablonsky. K, Mak. S, Radchik. A and Erlikh. L, Machine Elements A Text Book, translated from the Russian by Troitsky. A, second printing, Peace Publishers, Moscow, (1982)

[5] Hertzberg. W Richard, Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, third edition, John Wiley and Sonsst, (1986)

[6] Roskam Jan; Airplane design, part IV, layout design of landing gear system, Roskam aviation & engineering corp. 1st, (1986)

[7] Kusnaidy, Robby S; Analisa Distribusi Tegangan Pada Modifikasi Axle Sleeve Landing Gear Pesawat Dengan Metode Elemen Hingga, Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin, Universitas Kristen Petra, Surabaya, (2006)

[8] Singer Ferdinand. L; Strength of Materials, second edition, Harper and Row Publisher; New York, Evanston, and London, (1962)

[9] Sularso and Suga, Kiyokatsu, Dasar Perencanaan Elemen Mesin, Cetakan IX,PT. Pradya Paramita, Jakarta, (1997)