BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pada bab ini, akan dibahas tinjauan pustaka yang berkaitan dengan material komposit secara umum, hingga standar pengujian mekanik dari spesimen rem komposit. Pembahasan tinjauan pustaka dimulai dengan materi tentang konsep dasar kereta api dan komponennya, pengereman pada kereta api, material komposit secara umum dan aplikasinya untuk blok rem serta teori tentang gesekan. Selanjutnya akan dibahas tentang konsep desain serta standar-standar pengujian yang dilakukan pada penelitian ini. II.1 Kereta Api II.1.1 Definisi dan Jenis Kereta Api Definisi kereta api adalah suatu kendaraan yang bergerak sepanjang jalur tertentu (guide) untuk mengangkut barang atau penumpang dari suatu tempat ke tempat yang lain (wikipedia.2007). Klasifikasi kereta api menurut sistem propulsinya dapat dibagi menjadi dua, yaitu penggerak tunggal dan multiple units (MU). Kereta api penggerak tunggal adalah rangkaian kereta api yang digerakkan oleh satu lokomotif ketika beroperasi. Sedangkan multiple units adalah rangkaian kereta yang digerakkan oleh beberapa mesin propulsi. Contoh dari multiple units adalah Kereta Rel Diesel (KRD) dan Kereta Rel Listrik (KRL). a b Gambar 2. 1 Kereta penggerak tunggal (a), multiple units (b) 10

2 Kedua jenis kereta api tersebut mempunyai kelebihan dan kekuarangan masing-masing. Kereta api penggerak tunggal memiliki kelebihan antara lain jarak tempuh yang jauh, lebih aman, daya mesin yang besar dan perawatan yang lebih mudah. Sedangkan beberapa kekurangannya adalah konsumsi energi yang lebih boros, percepatan yang rendah dan berat lokomotif yang besar. Jenis lain dari kereta api adalah multiple units. Sistem propulsi dari MU yang digunakan di Indonesia rata-rata memakai propulsi diesel (DMU), diesel elektrik (DEMU) dan elektrik (EMU). Dari ketiga jenis multiple units tersebut, jenis yang memiliki tingkat efisiensi paling tinggi adalah Electric Multiple Units. Kelebihan dari multiple units antara lain adalah percepatan yang tinggi, efisiensi energi yang tinggi dan penggunaan yang lebih mudah. Oleh karena kelebihankelebihan tersebut, multiple units sering digunakan untuk kereta api jarak pendek. Selain itu, multiple units juga memiliki kekurangan yaitu keamanan yang relatif lebih rendah daripada kereta api penggerak tunggal karena mesin propulsi terletak di beberapa kereta yang dinaiki oleh penumpang sehingga dapat membahayakan penumpang jika sistem propulsi mengalami kegagalan. Selain itu, multiple units lebih ringan sehingga dapat digunakan di rel yang mempunyai standar ukuran yang lebih kecil. Gambar 2. 2 Grafik perbandingan beberapa moda transportasi publik [12] 11

3 II.1.2 Sistem Pengereman Kereta Api Pada subbab ini akan dijelaskan tentang sistem pengereman yang diaplikasikan pada kereta api serta komponen-komponen yang terdapat pada sistem pengereman tersebut. Menurut jenisnya, sistem pengereman pada kereta api dapat diklasifikasikan menjadi 2, yaitu: 1. Rem yang mengalami keausan pada komponennya, yaitu : Rem Tangan (hand brake) Rem Udara Tekan (compressed air brake) Rem Vakum (vacum brake) Rem gesek mekanis 2. Rem yang bebas keausan pada komponennya, yaitu : Rem Elektrodinamis (electrodynamic brake) Rem Elektromagnetis (elektromagnetic brake) Rem hidrodinamik (hydrodinamic brake) Berikut ini adalah penjelasan tentang sistem pengereman yang masih digunakan pada kereta api di Indonesia: 1. Rem Tangan (hand brake) Rem tangan masih banyak digunakan pada gerbong barang, terutama gerbong dua gandar (two axle wagon). Gaya rem antara blok rem dengan permukaan bidang jalan roda, dibangkitkan dengan memutar roda tangan. Roda tangan akan mempunyai batang yang mempunyai roda gigi untuk meneruskan momen yang akan menimbulkan gaya tarik pada batang rem. Batang rem akan menggerakkan tuas-tuas rem untuk menarik blok rem sehingga menekan roda. Gerbong dengan rem tangan dalam rangkaian Kereta Api dibatasi kecepatannya sampai maksimum 45 Km/jam, mengingat kapasitas gaya rem dan reaksi pengereman tergantung pada jumlah dan kondisi petugas rem. Rem tangan juga dipergunakan sebagai rem parkir (parking brake) pada kereta penumpang, gerbong barang, lokomotif yang menggunakan rem udara tekan. Rem parkir dioperasikan pada waktu kendaraan rel berhenti di emplasemen tanpa udara tekan untuk menghindari peluncuran, namun fungsinya dapat digantikan dengan pengganjal atau stop block pada rel. 12

4 2. Rem Udara Tekan Rem udara tekan (compressed air brake) merupakan jenis rem standar pada kendaraan rel di Indonesia. Pada pengadaan kendaraan rel baru seperti kereta penumpang dan gerbong barang, diisyaratkan pengunaan rem udara tekan yang tercantum dalam spesifikasi teknis PT KAI. Pada masa lalu pernah digunakan jenis rem vakum sampai sekitar tahun 1960 kemudian digantikan dengan jenis rem udara tekan dengan pertimbangan berbagai keunggulan seperti dimensi lebih kecil, gaya pengereman atau tekanan yang dibangkitkan lebih besar, masalah kebocoran udara dan keandalan dalam operasional. Lokomotif yang menarik kereta penumpang atau gerbong barang dilengkapi dengan peralatan rem udara tekan agar dapat memberi komando pengereman dan pelepasan pada rangkaian kereta api. Pada kereta rel diesel hidrolik (DMU), digunakan rem udara tekan murni sebagai sistem pengereman. Sedangkan pada Kereta Rel Listrik digunakan kombinasi antara rem elektrodinamik dan rem udara tekan. Aplikasi rem elektrodinamik dilakukan saat kereta melakukan pengereman pada kecepatan tinggi, sedangkan rem udara tekan di aplikasikan ketika kereta melakukan pengereman pada kecepatan rendah sampai berhenti. Berikut ini adalah cara kerja dari sistem rem udara tekan pada saat kereta melakukan pengereman: a. Posisi Pengisian/Rem Lepas Posisi pengisian terjadi pada saat pertama rangkaian KA disambung dengan lokomotif atau setiap melepas rem (release). Saat pelepasan rem, udara tekan dari tangki udara utama yang bertekanan 10 Kg/cm 2 pada lokomotif disalurkan melalui handel rem masinis ke pipa udara utama pada rangkaian kereta api. Udara tekan ini akan mengisi tabung udara pembantu pada setiap kereta penumpang atau gerbong barang melalui katup pengatur, sehingga mencapai tekanan 5 Kg/cm 2 termasuk dalam pipa udara utama. Pada posisi pengisian ini balok rem dalam posisi lepas dan tidak menekan roda. Udara pada silinder rem akan berhubungan dengan udara luar. 13

5 b. Posisi Pengereman/Rem terikat Pengereman terjadi pada saat masinis menggerakkan handel rem ke posisi mengerem, sehingga udara dalam pipa utama rangkaian KA akan mengalir ke udara luar di kabin lokomotif. Tekanan udara pada pipa turun dari 5 Kg/cm 2 ke suatu tekanan tertentu. Pada saat tersebut, katup pengatur akan bekerja menghubungkan tangki udara pembantu ke silinder rem, sehingga tercapai tekanan untuk mendorong piston dan batang rem yang selanjutnya terjadi pengereman. II.1.3 Gaya Pengereman pada Kereta Api Pengereman pada kereta terjadi melalui mekanisme berupa batang penghubung (link) yang menghantarkan gaya dari brake cylinder. Gambar 2.3 menunjukkan secara sederhana mekanisme pengereman pada satu kereta api. Gambar detail jaringan batang-batang (leverage) pada satu roda dan penyederhanaannya ditampilkan dalam Gambar 2.3. X Gambar 2. 3 Skema batang penghubung pada sistem pengereman kereta api Mekanisme pengereman pada kereta api secara spesifik pada satu roda ditunjukkan pada gambar berikut: 14

6 Gambar 2. 4 Batang-batang penghubung yang terdapat pada setiap roda Sistem batang penghubung tersebut pemodelan sebagai berikut: dapat disederhanakann menjadi sistem Gambar 2. 5 Penyederhanaan model sistem pengeremann II.2 Material Komposit Material Komposit adalah material yang terdiri dari kombinasi dua atau lebih material dalam skala makroskopik (Robert M. 1995). Kombinasi material tersebut akan menghasilkan kualitas komposit tersebut menjadi lebih baik daripada material penyusunnya. Kelebihan tersebut adalah: 15

7 Kekuatan Kekakuan Ketahanan terhadap korosi Tahan aus Umur fatigue Berat Isolasi termal Isolasi akustik Gambar 2. 6 Tren penggunaan material komposit [1] Material penyusun pertama biasanya disebut penguat (reinforcement), dan yang lain adalah pengikat (matrix). Material penguat lebih kuat dan kaku, tetapi lebih berat, dan mahal. Klasifikasi material komposit berdasarkan tipe geometri dan orientasi dari material penguat adalah sebagai berikut (Robert M.1995): 16

8 Gambar 2. 7 Skema Klasifikasi Komposit [7] Material penyusun komposit terdiri dari 3 jenis, yaitu: 1. Particulate filler: penguat tersusun atas partikel-partikel 2. Discontinous fibers: penguat tersusun atas serat-serat terpotong 3. Continous fibers: penguat tersusun atas serat dalam matriks Dari ketiga jenis komposit tersebut, jenis yang dapat digunakan sebagai rem komposit adalah komposit partikulat. Hal ini dikarenakan komposit partikulat terdiri dari bahan penyusun berukuran partikel sehingga bahan-bahan penyusun komposit bervariasi dan dapat dimodifikasi dengan mudah. II.3 Material Blok Rem Komposit Material komposit untuk blok rem merupakan jenis komposit partikulat (particulate composite). Komposit ini digunakan untuk blok rem karena material komposit memiliki banyak kelebihan daripada material lain seperti besi cor. 17

9 Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, terdapat beberapa kelebihan material komposit dibanding besi cor. Kelebihan tersebut antara lain adalah: 1. Lima kali lebih ringan, sehingga mudah dipasang 2. Lima kali lebih tahan lama 3. Tingkat keausan yang lebih rendah 4. Waktu penggantian rem yang lebih cepat 5. Tingkat kebisingan yang lebih rendah Penggunaan material gesek dari komposit ditujukan untuk memperbaiki beberapa sifat dari material non komposit. Beberapa sifat yang diharapkan dari sebuah material gesek terutama rem antara lain adalah: Koefisien gesek yang stabil dalam berbagai kondisi lingkungan (basah dan kering). Kestabilan koefisien gesek pada temperatur tinggi. Ketahanan terhadap temperatur tinggi. Laju keausan yang rendah dan menghindari keausan pasangan material geseknya misalnya roda kereta api. Daya rekat yang baik pada material penumpunya (backing plate). Ketahanan terhadap korosi. Dapat kontak dengan baik dengan pasangan material geseknya. Kemudahan dan keunggulan ekonomis dalam skala produksi massal. Ketersediaan dan kemudahan akses terhadap sumber bahan baku. Keamanan terhadap kesehatan manusia baik dalam proses pembuatan maupun saat penggunaan. Hebert Frood mengembangkan material untuk rem pertama kalinya dengan menggunakan material cotton-based (Nicholson.1990). Penemuannya mengawali berdirinya perusahaan rem Ferrodo Company hingga sekarang. Berikut ini adalah perkembangan material yang digunakan sebagai rem: 18

10 Tabel 2. 1 Perkembangan material untuk rem kendaraan [6] Material Aplikasi Tahun Cast Iron Kendaraan rel 1870 Cotton Belting Kendaraan wagon dan perkembangan awal mobil 1897 Woven asbestos dengan kuningan dan kawat untuk meningkatkan kekuatan dan Mobil dan truk 1908 performa Molded brake lining dengan serat chrysotile, partikel kuningan, dan low-ash Mobil dan Truk 1926 bituminous coal Dry-mix molded material Kendaraan rel bawah tanah di London 1930 Material komposit dengan matriks resin Brake drum 1930 Resin-bonded metallic brake lining Industri penerbangan 1950 Serat gelas, serat mineral, serat logam, serat karbon dan serat buatan Mobil dan truk 1980 Non-asbestos (fiberglass) Brake drum 1980 Serat karbon Industri penerbangan, mobil dan kereta api 1991 Material penyusun rem komposit pada dasarnya dapat diklasifikasikan menjadi 5 bagian berdasarkan jenis material penyusun rem komposit (Nicholson.1990). Klasifikasi bahan penyusun rem komposit adalah sebagai berikut: 1. Material Abrasif 2. Friction Modifier 3. Material Pengikat (binder) 4. Penguat (reinforcement) 5. Material Pengisi (filler) Selain bahan penyusun utama tersebut, dapat juga ditambahkan bahan penyusun tambahan (additive) yang mempunyai fungsi tertentu sehingga dapat meningkatkan kualitas rem komposit. Akan tetapi penggunaan material tambahan ini juga dapat mempengaruhi karakteristik lain dalam rem komposit tersebut (Nicholson.1990). Berikut ini adalah penjelasan dari klasifikasi bahan penyusun rem komposit: 19

11 1. Material Abrasif Material abrasif memiliki peran yang penting sebagai material gesek dari blok rem komposit yaitu sebagai penimbul gesekan (friction) antara blok rem dengan roda kereta api. Gesekan ini akan mengakibatkan terjadinya perlambatan pada kereta api. Beberapa material yang termasuk dalam klasifikasi material abrasif adalah: Tabel 2. 2 Material yang dapat digunakan sebagai material abrasif [2] Material Keterangan Referensi Oksida aluminium (1) bentuk hindratnya ditambahkan sebagai pelapis, untuk ketahanan aus tetapi dapat menyebabkan fading. Nicholson (1995) (2) bersifat abrasif Oksida besi Hematite (Fe 2 O 3 ) dan magnetite (Fe 3 O 4 ) dapat berfungsi sebagai mild abrasive. Nicholson (1995) Quartz Partikel mineral (SiO 2 ) Erikson (2000) Silika Ditambahkan dalam bentuk alami maupun sintetis Hooton (1969) Zirconium silicate (ZrSiO 4 ) Jang (2000) 2. Friction Modifiers Friction modifiers berfungsi untuk memodifikasi atau mengatur nilai koefisien gesek rem secara keseluruhan. Beberapa material yang dapat digunakan sebagai friction modifiers pada rem komposit antara lain material karbon dan material organik. Berikut ini adalah beberapa contoh material yang dapat dijadikan friction modifiers pada rem komposit: Tabel 2. 3 Material yang dapat digunakan sebagai friction modifier [2] Material Keterangan Referensi Jang (2000); Pelumas padat yang ditambahkan untuk meningkatkan Antimony trisulfide kestabilan gesekan; kondisi operasi pelumasan di atas 450 o Nicholson C; {1995) Sb 2 S 3 dapat bersifat racun. Karbon (grafit) Kuningan Keramik microsphere Murah dan banyak digunakan; tingkat gesekan dipengaruhi oleh kelembaban dan strukturnya; dapat terbakar pada suhu di atas C; beberapa dapat mengandung kontaminasi material abrasif. Penambahan grafit meningkatkan ketahanan aus serta dapat mempengaruhi koefisien gesek. Kelemahannya antara lain mengurangi koefisien adhesif dan dapat meningkatkan kemungkinan karat pada rel. Typ. 62% Cu 38% Zn, meningkatkan koefisien gesek basah; merupakan bahan tambahan yang biasa digunakan. Produk yang terdiri dari alumina-silica dengan kandungan oksida besi dan titanium; ukuran partikelnya mikrometer; mampu mengontrol koefisien gesek. Mullite, Nicholson (1995), Spurr (1972), NABCO (1984) Nicholson (1995) PQ Corporation (1993) 20

12 Tembaga Friction dust Friction powder Oksida timah Metal-fluxing compounds Oksida logam Bermacam-macam sulfida-logam Mineral filler Molybdenum disulfida Petroleum coke dengan susunan 3Al 2 O 3-2SiO 2 biasa digunakan di industri rem secara meluas sebagai material gesek. Digunakan sebagai serbuk untuk mengontrol aliran panas tetapi dapat menyebabkan keausan besi cor yang berlebihan. Pada umumnya terdiri dari resin yang telah diproses, dapat mengandung karet dan bahan tambahan untuk mengurangi terjadinya pembakaran akibat panas yang berlebihan dan berfungsi untuk membantu proses dispersi partikel. Terdiri dari spons Fe (Fe Sponge). Kekerasan, kuantitas dan ukuran partikel dari serbuk besi dapat menentukan karakteristik performansi pengereman yang diinginkan. PbO merupakan friction modifier tetapi bersifat racun. Pb, Sb, Bi, Mo digunakan sebagai fluxing compound yang membantu untuk mengikat oksigen untuk menjaga kestabilan friction-induced films dan menjaganya agar tidak terlalu tebal. Magnetit Fe 3 O 4 dapat meningkatkan koefisien gesek pada keadaan dingin,; ZnO untuk fungsi lubrikasi; Cr 2 O 3 berfungsi untuk meningkatkan koefisien gesek. CuS, Sb 2 S 3, PbS digunakan untuk menjaga kestabilan koefisien gesek rem. mullite, kyanite, sillimanite digunakan untuk mengontrol koefisien gesek dan berfungsi juga untuk mengotrol keausan yang terjadi. Nicholson (1995) Nicholson (1995) Hoegenaes (1990) Hoegenaes (1990) Hooton (1969) Nicholson (1995) Gudmand- Hoyer, et al (1999) Hooton (1969) Pelumas layer-lattice-type yang umum digunakan Spurr (1972) Digunakan untuk mengurangi koefisien gesek dan menekan biaya produksi Nicholson (1995) Salah satu contoh dari Friction modifiers adalah grafit. Material grafit terdiri dari atom karbon yang saling berikatan kuat dengan membentuk struktur kristal hexagonal (Callister.1997). Grafit memiliki sifat-sifat antara lain: ketahanan dan kestabilan terhadap zat-zat kimia pada temperatur tinggi, konduktivitas termal yang tinggi, koefisien ekspansi termal yang rendah, dan ketahanan terhadap thermal shock. 3. Material Pengikat (Binder) Material pengikat memiliki peran penting dalam material komposit yaitu sebagai pengikat antar material penyusun rem komposit tersebut. Pemilihan material pengikat yang tepat sangat penting karena material pengikat dapat mempengaruhi parameter-parameter yang ada pada rem komposit. Parameter yang dapat dipengaruhi oleh material pengikat antara lain koefisien gesek, ketahanan terhadap keausan, ketahanan panas, kebisingan pada saat pengereman, dan lain- 21

13 lain. Material pengikat yang biasa digunakan di rem komposit antara lain adalah polimer sintetis dan elastomer. Polimer adalah material yang terdiri dari gabungan beberapa monomer yang tersusun secara berulang-ulang. Proses pembentukan polimer disebut juga polimerisasi (Callister.1997). Jenis-jenis struktur polimer dapat dilihat sebagai berikut: Gambar 2. 8 Struktur polimer linear (a), bercabang (b), crosslinked (c) dan network (d) [3] 4. Material Penguat (reinforcement) Material penguat memiliki fungsi sebagai peningkat kekuatan, kekerasan maupun kekakuan dari material komposit secara keseluruhan. Material yang termasuk reinforcement antara lain adalah: Tabel 2. 4 Material yang dapat digunakan sebagai reinforcement [2] Material Serat Gelas Serat Organik Kevlar Keterangan Serat gelas biasa, baik dalam bentuk chopped (potongan-potongan kecil) maupun flakes (potongan yang agak panjang) dan disebarkan untuk menaikkan kekuatan tarik/bending dari rem. Rekatif murah dan tersedia Serat organik seperti serat sabut kelapa, serat tumbuh-tumbuhan, serat kayu dapat digunakan sebagai material penguat. Lebih kuat dan ulet dibanding serat gelas, dengan ketahanan terhadap temperatur tinggi yang lebih baik. Material ini tergolong mahal. 22

14 5. Material Pengisi (filler) Material pengisi berfungsi untuk menjaga komposisi keseluruhan material. Material pengisi dapat berupa logam dan paduannya, keramik dan matrial organik. Jenis-jenis material yang termasuk filler beserta fungsinya antara lain: Tabel 2. 5 Material yang dapat dijadikan sebagai filler [2] Material Keterangan Referensi Antioksidan berfungsi untuk menjaga ketebalan lapisan Antioksidan oksida pada blok rem pesawat. Jumlah antioksidan Hooton (1969) yang terlalu banyak akan menyebabkan koefisien gesek yang tidak stabil. Asbestos Filler yang umum digunakan pada rem kompostit tetapi Spurr (1972). bersifat racun sehingga pada tahun-tahun terakhir ini di Rhee (1974), Negara maju dilarang penggunaannya. Asbestos dapat Nicholson (1995) menyebabkan asbestosis (WHO,2000). Barium sulfat BaSO 4 bersifat inert. Filler ini dapat meningkatkan kerapatan massa rem komposit serta dapat meningkatkan ketahanan aus rem komposit. Stabil pada Nicholson (1995) Kalsium karbonat temperatur tinggi. Kalsium karbonat dapat digunakan sebagai pengganti barium sulfat karena lebih ekonomis. Filler ini tidak stabil pada temperatur tinggi Nicholson (1995) Cashew nut Mengurangi suara yang dihasilkan pada saat shell oil pengereman. Nicholson (1995) Kapas Fiber yang diperkuat untuk matriks. Spurr (1972) Serat yang diperkuat, contoh komposisinya adalah sebagai berikut : silica (40-50 wt%), alumina (5-15 Fiber-mixed wt%), calcia (34-42 wt%), magnesia (3-10 wt%) dan oxide bahan anorganik lainnya (0-7 wt%); fungsi filler ini Sloss antara lain adalah untuk mengontrol fading dan meningkatkan efektifitas pengereman Limestone Potassium titanat Karet, nitrile Ca(OH) 2 digunakan untuk menghindari korosi akibat penambahan additive Fe dan membantu untuk meningkatkan temperatur fading. Material pengisi yang inert dapat digunakan sebagai insulator dan dapat menggantikan asbestos. Karet berfungsi untuk mengurangi kekerasan rem komposit serta untuk meningkatkan kualitas kontak antara blok rem dengan permukaan roda. Kontak yang kurang baik antara permukaan roda dengan blok rem komposit akan menyebabkan hot spot dan crack. Karet yang biasa digunakan adalah karet jenis nitril yang memiliki ketahanan panas yang baik. Nicholson (1995) Jang (2000) K.-C Gong et al.(1985) II.4 Konsep Dasar Desain Desain adalah proses untuk membuat suatu produk yang belum pernah ada sebelumnya (Dieter. 2000). Desain mempunyai makna yang sangat lebar, tidak hanya engineer saja yang melakukan proses desain tetapi ada banyak pihak yang dapat melakukan proses desain seprti desainer baju, artis dan lain-lain. 23

15 Engineering design dapat didefinisikan sebagai membuat komponen, proses atau sistem yang mempunyai fungsi spesifik lebih optimal dari sebelumnya (Dieter. 2000). Setiap desain pasti memiliki batasan dalam proses desainnya. Mechanical design adalah salah satu bagian dari engineering design. Mechanical design ini mencakup beberapa bagian yaitu sistem mekanik, komponen dan produk. Produk dari mechanical design sangat bervariasi dari sistem yang simple seperti baut atau poros sampai produk yang kompleks seperti mobil, kereta dan pesawat terbang. Menurut literatur yang ada (Dieter. 2000), terdapat beberapa kemampuan dasar yang harus dimiliki pendesain. Di dalam konsep ini, pendesain harus dapat berpikir secara bebas, terbuka dan kreatif. Terdapat empat C yang merupakan aturan dasar dari konsep desain (Dieter. 2000) yaitu: 1. Creativity : Proses desain membutuhkan kreasi atau sesuatu yang belum pernah ada sebelumnya. 2. Complexity : Proses desain memutuhkan keputusan dari banyak variabel dan parameter. 3. Choise : Proses desain membutuhkan keputusan diantara banyak kemungkinan di segala proses, dari konsep dasar sampai detail bentuk. 4. Compromise : Proses desain membutuhkan keseimbangan pilihan dari kemungkinan yang kadang-kadang bertentangan. Berikut ini adalah rangkuman dari kemampuan yang dibutuhkan dalam mechanical design expert: Engineering Analysis, kemampuan untuk menggunakan ilmu dasar keteknikan untuk menganalisis komponen, sistem atau produk yang akan di desain. Production Process, kemampuan untuk menggunakan ilmu produksi untuk membuat produk atau sistem yang akan di desain. Di dalam proses desain, ada beberapa aturan yang harus diikuti oleh pendesain. Berikut ini aturan dalam proses desain yang ditampilkan dalam bentuk flowchart: 24

16 S T A R T DESIGN PROBLEM GATHER INFORMATION AND DATA PROPOSE IDEA AND INITIATIVE FIND ALTERNATIVE SOLUTIONS CHOOSE THE DESIRED SOLUTION ANALYZE AND SYNTHESIZE DESIGN, SUCH AS STRENGTH OF MATERIAL, MATERIAL SELECTION, SATISFYING SOLUTION NO yes DESIGN DETAILS PRODUCTION, TESTING, AND PROTOTYPE DEVELOPMENT F I N I S H Gambar 2. 9 Flowchart dalam proses desain [5] 25

17 II.5 Pengujian Mekanik Di dalam ilmu material, terdapat tiga hal yang penting dan saling berkaitan. Hal tersebut menjadi konsep dasar dari ilmu material. Tiga konsep dasar tersebut adalah struktur, sifat dan proses. Ketiga hal dasar tersebut saling berkaitan dan saling mempengaruhi satu sama lain. Gambar Tiga konsep dasar ilmu material [9] Dari ketiga konsep tersebut, hal yang akan dibahas adalah sifat material. Untuk mengetahui sifat-sifat yang dipunyai oleh material, hal yang harus dilakukan adalah pengujian material. Pengujian material dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu: 1. Sifat Mekanik Kekuatan tarik, kekuatan puntir, kekakuan, keuletan, kekerasan, koefisien gesek, dan sebagainya. 2. Sifat Fisik Titik cair, koefisien muai, berat jenis 3. Sifat Kimiawi Ketahanan korosi 4. Sifat Teknologi Mampu bentuk, mampu las, mampu mesin 26

18 Pengujian mekanik dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat mekanik yang dipunyai oleh material uji. Hasil pengujian lebih merupakan sifat spesimen dibandingkan dengan sifat material atau konstruksi material. Berikut ini adalah beberapa kriteria karakteristik pengujian yang baik: 1. Daerah tegangan yang merata 2. Dimensi spesimen (skala ke-homogen-an) 3. Tidak terdapat cacat lokal pada material 4. Minimisasi end-effect (cara memegang spesimen, ukuran dan geometri spesimen) 5. Hasil pengujian yang berulang dan mewakili 6. Memenuhi standar pengujian umum (ASTM, JIS, DIN, ISO, Boeing, MIL-HDBK, dan lain-lain) Sebelum melakukan pengujian, perlu dilakukan persiapan yang cukup agar hasil dari pengujian dapat mewakili nilai yang sebenarnya. Selain itu, pengujian material biasanya memakan biaya yang tidak sedikit. Oleh karena itu diperlukan adanya perencanaan dan perancangan pengujian. Hal-hal tersebut adalah: a. Sifat material yang dibutuhkan b. Jenis pengujian yang dipilih c. Jumlah pengujian (cukup untuk hasil yang akurat) d. Jumlah pengujian (tidak terlalu banyak untuk memperkecil biaya) Pengujian mekanik terdiri dari beberapa macam untuk mendapatkan karakteristik yang diinginkan. Pengujian mekanik tersebut antara lain adalah: 1. Pengujian Statik Uji Tarik (Tensile Test), Uji Tekan (Compression Test), Uji Kekerasan (Hardness Test), Uji Bending (Flexural-Bending Test), Uji Gesek (Friction Test) 2. Pengujian Dinamik Uji Lelah (Fatigue Test) 3. Pengujian Kejut Uji Impak (Impact Test) : Charpy, Izod, Drop weight, Ballistic 27

19 Dari banyak pengujian tersebut, pengujian yang dilakukan pada material rem komposit adalah uji tekan, uji bending dan uji gesek. Berikut ini adalah penjelasan dari masing-masing pengujian tersebut. 1. Pengujian Bending Pengujian bending dilakukan untuk mengetahui kekuatan tarik akibat pembebanan bending pada setiap spesifikasi pembuatan spesimen. Dari beban yang diaplikasikan dan defleksi yang terjadi, maka dapat dibuat grafik tegangan regangan. Selain itu, kekuatan maksimal dari material juga dapat diketahui. Gambar Prinsip uji bending [9] Prinsip dasar pengujian ini adalah dengan memberikan beban pada material uji dengan arah radial. Beban tersebut akan menyebabkan material uji mengalami beban bending. Secara umum, pengujian bending mempunyai fungsi sebagai berikut: Menentukan kekuatan material pada pembebanan lentur Menentukan modulus elastisitas material Sebagai acceptance test yang cepat untuk material getas Berikut ini adalah diagram benda bebas, distribusi gaya dan momen yang terjadi pada material uji pada saat pengujian. 28

20 Gambar Diagram benda bebas material uji [9] Diagram momen lentur yang terjadi di setiap penampang melintang dan diagram gaya geser transversal. Pada pembebanan di daerah elastis, momen lentur tersebut menyebabkan timbulnya tegangan pada penampang melintang. Perhitungan tegangan pada penampang melintang adalah sebagai berikut: σ = PL h ( )( ) 4 2 I (2.1) Dengan: σ : Tegangan normal M b : Momen lentur di penampang melintang yang ditinjau C : Jarak dari sumbu netral ke elemen yang dituju I : Momen inersia penampang Spesimen rem komposit untuk pengujian bending mempunyai bentuk penampang persegi panjang. Untuk spesimen yang mempunyai penampang segi empat, maka tegangan normal maksimum pada penampang adalah : PL L ( )( ) σ = 4 2 bh 3 12 (2.2) Dengan: P : beban yang bekerja L : panjang sesimen 29

21 b : lebar spesimen h : tebal spesimen Dari tegangan yang didapatkan tersebut, maka kekuatan maksimal tarik dari material dapat diketahui. Hasil tegangan tersebut juga dapat digabungkan dengan data regangan sehingga akan didapatkan kurva tegangan regangan seperti yang dihasilkan pada uji tarik. 2. Pengujian Tekan Pada prinsipnya, pengujian tekan hampir sama dengan pengujian tarik. Perbedaan hanya terletak pada arah beban, pengolahan data, dan hasil akhir pengujian yang berupa tegangan tekan terhadap regangan tekan. Sedangkan pada pengujian tarik, hasil yang didapatkan adalah tegangan tarik terhadap regangan tarik. Setelah didapatkan hasil tersebut, kekuatan maksimal dari material juga akan dapat diketahui. Gambar Pengujian tekan pada mesin uji Perhitungan dalam uji tekan cukup sederhana. Berikut ini cara perhitungannya: Gambar Ilustrasi material uji pada saat uji tekan [9] 30

22 Rumus perhitungan tegangan (stress) maksimal: σ = F. A (2.3) Dengan: A = luas permukaan penampang material uji F = beban maksimal pada saat pengujian tekan Selain itu, hal yang perlu dihitung juga adalah regangan (stain). Rumus perhitungannya adalah sebagai berikut: ε =Δ L / L (2.4) Dengan: ΔL = Perubahan panjang dari material uji L = Panjang awal dari material uji Dari dua jenis data yang telah dihitung sebelumnya, data tersebut kemudian di plot ke grafik tegangan regangan (stress strain curve). Contoh grafik dari hasil pengujian tekan adalah sebagai berikut: Gambar Contoh grafik hasil uji tekan [9] Dari grafik tersebut, dapat diketahui kekuatan luluh (yield strength) dan kekuatan maksimal (ultimate strength) dari material yang telah diuji akibat pembebanan tekan. Kekuatan yang didapat dari uji ini adalah kekuatan tekan. Berbeda dengan kekuatan tarik, kekuatan tekan biasanya mempunyai harga lebih besar. 3. Pengujian Gesek Pengujian gesek adalah pengujian yang dilakukan untuk mengetahui koefisien gesek statik maupun kinetik. Koefisien gesek yang dibutuhkan untuk analisis rem komposit adalah koefisien gesek kinetik. Koefisien gesek merupakan parameter penting yang akan mempengaruhi parameter-parameter lainnya seperti 31

23 jarak pengereman, waktu pengereman kapasitas pengereman dan lain-lain pada saat blok rem digunakan. Berdasarkan hukum Newton, besar gaya gesek yang dialami oleh permukaan sebuah benda dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut: f = μ.n (2.5) dengan : ƒ = gaya gesek (N) μ = koefisien gesek N = gaya normal (N) Gambar Ilustrasi terjadinya gesekan [17] Gaya gesek statik terjadi ketika balok diberi gaya dorong, namun balok tersebut belum mengalami pergeseran. Besarnya gaya dorong tersebut lebih kecil dari gaya gesek statik yang dialami balok tersebut. Gaya gesek statik maksimum terjadi saat balok tersebut tepat akan bergerak. Sedangkan koefisien gesek kinetik terjadi ketika balok tersebut telah mengalami pergeseran. Dari prinsip gesekan di atas, pengujian gesekan dilakukan sehingga didapatkan nilai koefisien gesek yang diinginkan. Berikut ini adalah gambar mesin uji gesek: 32

24 Batang pemegang (carrier) Spesimen Piringan Gesek Gambar Mesin uji gesek Gambar berikut adalah skema geometri batang yang digunakan untuk pembebanan pada spesimen uji. N A C A B W c N B Gambar Skema dimensi pada batang carrier [10 0] Titik A merupakan titik tumpu batang AC yang dihubungkan dengan rangka mesin uji gesek dengan menggunakan sambungan engsel. Pada titik B merupakan tempat dimana terjadi pembebanan pada spesimen uji. Sedangkan titik C merupakan tempat batang AC diberi beban. Analisis ini dimaksudkan untuk mengetahui besar pembebanan yang terjadi pada spesimen uji jika dilakukan pembebanan pada titik C. Untuk mengetahui hal tersebut maka dilakukan perhitungan dengan menggunakan persamaan berikut ini. F = 0 M = 0 Perhitungan pembebanan yang terjadi adalah sebagai berikut: M M A = 0 100mm. N B 270mm. W N B = 2,7W C (2.8) C = 0 (2.6) (2.7) 33

25 N B dan W C dalam N. Jika besar Nb dan Wc diketahui, maka besar koefisien gesek dapat diketahui dengan menggunakan persamaan: fc μ = (2.9) Nb Besarnya f c dapat diketahui dari hasil keluaran alat uji. 34