Rangka/frame sepeda adalah komponen standar sebuah sepeda, dan setiap pabrik sepeda memiliki desain yang berbeda-beda. Komponen penting sepeda lainnya adalah ban, velg, dan pedal. Geometri dari kerangka mengatur sifat dan kinerja sepeda. Panjang dan sudut frame mempengaruhi kenyamanan dan perilaku berkendara pengendara.
Rancangan kerangka/frame sepeda yang paling populer dikenal sebagai diamond/berlian atau segitiga ganda. Desain ini tidak banyak berubah sejak munculnya sepeda di tahun 1880-an. Terbukti penggunaan dengan bahan yang bagus, frame cocok untuk dipakai dalam kondisi ekstrim dan masih bisa dikendarai. Kekuatan desain frame berasal dari bentuk segitiga yang membentuk desain wajik. Secara struktural, bentuk segitiga cukup mengesankan. Jika Anda melihat para insinyur bermain dengan struktur, mereka cenderung kembali ke segitiga dan karena motor/sepeda pada dasarnya adalah tiga segitiga, ternyata strukturnya cukup kuat.
Penampilan sebuah sepeda tidak lagi terbatas pada gaya tradisional; penelitian dan pengembangan telah membuat ergonomi desain frame dengan drag/hambatan rendah, rangka yang ringan, kekuatan yang lebih besar, dan penanganan yang lebih baik untuk memenuhi kebutuhan yang disesuaikan (customized). Ada beberapa tantangan yang dihadapi selama untuk memenuhi kebutuhan pelanggan/pengguna ke dalam proses desain. Dalam banyak kasus, pelanggan tidak memiliki pengetahuan tentang bagaimana merancang produk, dan konfigurasi yang ditentukan oleh pelanggan harus layak dan dioptimalkan untuk kinerja.
Material Pada Frame Sepeda
Rangka sepeda telah dibuat dari berbagai bahan berbeda selama bertahun-tahun, dengan baja awalnya mendominasi. Sekarang pilihan utama adalah antara aluminium dan serat karbon, meskipun baja dan titanium masih umum digunakan. Setiap bahan rangka memiliki pro dan kontra, tergantung pada prioritas Anda sebagai pengendara, termasuk bobot, anggaran, umur panjang, dan karakteristik performa yang Anda inginkan dari rangka.
Aluminium
Bahan rangka sepeda yang paling umum, aluminium dikenal tahan korosi, cukup ringan (tidak seringan serat karbon), dan memiliki rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi. Bahan ini juga cukup terjangkau, menjadikannya pilihan populer bagi pengendara dan pembalap dengan anggaran terbatas.
Paduan aluminium dengan berbagai sifat digunakan dalam struktur teknik. Sistem paduan diklasifikasikan oleh sistem nomor (ANSI) atau dengan nama menunjukkan unsur paduan utama mereka (DIN dan ISO). Memilih paduan yang tepat untuk aplikasi tertentu memerlukan pertimbangan kekuatan tarik, massa jenis, keuletan, kemampuan formability, kemampuan workability, kemampuan weldability, dan ketahanan korosi, untuk beberapa nama. Aluminium paduan digunakan secara luas di pesawat terbang karena rasio kekuatan ke berat tinggi. Di sisi lain, logam aluminium murni terlalu lunak untuk penggunaan seperti itu, dan tidak memiliki kekuatan tarik tinggi yang dibutuhkan untuk pesawat dan helikopter.
Baja
Baja adalah pilihan bahan rangka sepeda paling mainstream jaman dahulu. Tetapi penggunaan telah berkurang dalam beberapa tahun terakhir karena bahan serat karbon dan aluminium sekarang jauh lebih umum di toko sepeda. Alasan utama penurunan baja adalah berat dan biaya. Baja lebih berat dari aluminium dan serat karbon, membuatnya kurang diminati untuk sepeda kelas atas dan lebih mahal untuk pembuatan massal daripada aluminium, menghambat penggunaannya pada model kelas bawah.
Tapi baja dapat menjadi pilihan untuk seseorang yang menginginkan sepeda khusus tanpa label harga titanium yang tinggi. Memang, titanium tetap menjadi bahan yang populer untuk custom, yang memujanya karena karakteristik pengendaraannya yang halus (terutama untuk sepeda touring). Alasannya adalah karena baja lebih mudah dan lebih murah untuk dikerjakan daripada serat karbon, dan juga lebih padat dan lebih kuat daripada aluminium. Hal ini berarti Anda dapat menggunakan tabung pipa berdinding tipis, dan dengan demikian merancang kelenturan vertikal menjadi sepeda.
Carbon Fiber/Serat Karbon
Serat karbon adalah bahan ajaib yang sangat mudah beradaptasi yang dapat dibentuk dan disesuaikan dengan kebutuhan yang tepat, menyeimbangkan kekakuan, kenyamanan, dan kinerja aerodinamis. Serat karbon bukannya tanpa kejatuhannya. Rangka sepeda serat karbon mahal dan bisa lebih rentan terhadap kerusakan akibat tabrakan daripada bahan lainnya.
Untuk menghasilkan serat karbon, atom karbon terikat bersama-sama dalam kristal yang kurang lebih sejajar sejajar ke sumbu panjang serat sebagai keselarasan kristal memberikan rasio kekuatan terhadap volume tinggi serat (dengan kata lain, kuat untuk ukurannya). Beberapa ribu serat karbon dibundel bersama untuk membentuk derek, yang dapat digunakan dengan sendirinya atau ditenun menjadi kain.
Serat karbon biasanya dikombinasikan dengan bahan lain untuk membentuk komposit. Saat diolesi dengan plastik resin dan dipanggang, bentuknya diperkuat serat karbon polimer (sering disebut sebagai serat karbon) yang memiliki rasio kekuatan dengan berat yang sangat tinggi, dan sangat kaku meskipun agak rapuh. Serat karbon juga dikomposisikan dengan bahan lain, seperti grafit, untuk membentuk komposit karbon-karbon bertulang, yang memiliki toleransi panas yang sangat tinggi.
Stress Analysis Pada Frame Sepeda
Aplikasi praktis analitis dan komputasi mekanik menggunakan model yang sederhana dan menarik. Kerangka analisis ini terdiri dari desain berbantuan komputer (CAD). Frame terdiri dari top tube, head tube, bottom tube, seat tube, seat stay dan chain stay roda dan komponen lainnya terhubung. Sedangkan simulasi dan pengujian menggunakan finite element analysis (FEA), analisis sensitivitas untuk desain optimasi, dan disesuaikan interface pemrograman.
Analisis pengaruh: (a) gaya luar pada belokan, (b) gaya luar pada pengereman, (c) gaya luar pada berat pengereman dan belok, dan (d) gaya inersia dan gesekan pada berat pengereman dan sepeda berbelok.
Analisis Pembebanan Struktur Statis
Simulasi analisis pembebanan struktur statis pada rangka sepeda dilakukan untuk menentukan tekanan maksimum model rangka sepeda pada beban-beban yang berbeda. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software FEA pada PC. Input gaya yang digunakan mengikuti referensi dengan penyederhanaan, dimana ada gaya pada stang/handle bar yang mana disederhanakan menjadi momen yang bekerja pada head tube.
Sering diasumsikan bahwa kontak antara ban sepeda dan tanah adalah tanpa gesekan. Jika permukaan kontak tanpa gesekan, maka gaya pada permukaan ini akan tegak lurus terhadap permukaan. Jika tanahnya kasar atau bergelombang, ban akan menghasilkan gaya tangensial untuk mencegah gerakan relatif antara ban dan tanah, termasuk rolling dan sliding. Hambatan seperti itu disebut gesekan (gaya gesek). Gaya gesek ini memiliki batas tertentu; jika pedal kaki atau pegangan mengatur kekuatan yang cukup besar, hal itu dapat mencegah gerakan.
Contoh post process simulasi FEA pada frame sepeda
Output yang biasa diinginkan pada analisis statis adalah tegangan dan perpindahan beberapa jenis rangka sepeda. Tegangan maksimum pada batas desain adalah von-mises stress. Menganalisis berbagai frame sepeda tipis, sudut tabung atas-bawah, jarak pusat tabung atas-bawah, ketebalan tabung, dan tabung atas-bawah radius target parameter menunjukkan maksimum nilai tegangan, sedangkan analisis sensitivitas global dan lokal menghasilkan desain massa keseluruhan optimal.
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
D. Satrijo, O. Kurdi, dan S. Wijaya. (2021). Static Linear Stress Analysis of Road Bike Frame Design Using Finite Element Method. Advances in Engineering Research Vol. 210: 430-433.
C.C. Lin, S.J Huang, dan C.C Liu. (2017). Structural Analysis and Optimization of Bicycle Frame Designs. Advances in Mechanical Engineering 9(12): 1-10.
G. Gnanakumar, Santosh K. S, Praveen R.S, Praveen R.J, dan Nethaji. M. (2021). Design and Analysis of Bicycle Frame with Various Engineering Materials. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) 8(4): 646-650.
