Perancangan Kampas Rem Beralur dalam Usaha Meningkatkan Kinerja serta Umur dari Kampas Rem L u b i Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS Surabaya Abstrak Kendaraan adalah merupakan salah satu media atau sarana transportasi bagi manusia dan barang. Keamanan merupakan faktor terpenting bagi keselamatan penumpang, dimana pengereman adalah salah satu hal yang mendukung keamanan pengendara. Kampas rem sebagai salah satu komponen dalam sistem rem secara keseluruhan.memegangperanan penting, hal ini disebabkan kampas rem itulah yang secara langsung bergesekan dengan bagian yang berputar dalam hal ini drum (dalam sistem tromol) atau disk (dalam sistem cakram). Secara umum, kampas rem yang ada di pasaran tidak diberikan alur. Sehingga studi ini dilakukan untuk melihat pengaruh penambahan alur pada kampas rem 'brake shoe' (sistem tromol), dimana penambahan alur tersebut dimaksudkan agar permukaan perpindahan panas menjadi bertambah (sebagai 'fins ) disamping memungkinkan adanya aliran udara melalui alur. Metode yang dipakai adalah uji 'comparative', dimana hasil pengamatan unluk kampas polos dibandingkan dengan hasil pengamatan kampas modifilkasi. Sedangkan pengujian dilakukan berdasarkan prosedur SAE J 108a. Basilpengamatan menunjukkan bahwa kampas modifikasi mempunyai beberapa kelebihan, yaitu pendinginan kampas lebih baik; kampas tidak cepat mengalami fading' dan kemampuan pengereman dalam kondisi basah lebih baik. Kata Kunci : Kampas Beralur, Kampas Modifikasi, 'Fading'. Pendahuluan Kendaraan merupakan alat angkut barang dan manusia. Keamanan bagi pengendara merupakan hal yang sangat penting, dimana pengereman bagi kendaraan merupakan salah satu bagian kendaraan yang mempengaruhi keamanan. Meskipun pengereman dikendalikan oleh pengendara, sistem pengereman juga akan mempengaruhi dan membantu pengendara untuk mengurangi resiko kecelakaan karena sistem rem tidak berfungsi dengan baik. Sifat-sifat pengereman dipengaruhi oleh beberapa hal seperti : kondisi jalan; koefisien gesek ban dan jalan; koefisien gesek kampas serta besar gaya pengereman. Karakteristik dari kampas rem dipengaruhi oleh beberapa hal, yaitu temperatur dan kondisi kampas itu sendiri dimana pada temperatur yang cukup tinggi, kampas rem dapat mengalami penurunan dalam hal kemampuan pengereman yang disebabkan oleh temperatur atau yang lebih dikenal dengan istilah fade (pudar) dan hal ini tidak diharapkan terjadi, untuk itu terlihat adanya peluang untuk memodifikasi salah satu elemen sistem pengereman pada kendaraan, dalam hal ini kampas rem pada sepeda motor, yang mana salah satunya adalah dengan menambahkan alur pada permukaan kampas dengan harapan adanya peningkatan. minimal mencakup dua kriteria, yaitu ; Kemampuan untuk menyerap energi menjadi panas. Kemampuan untuk membuang/melepas panas tersebut. Sehingga dari studi ini diharapkan adanya peningkatan dalam hal kemampuan pengereman dan kemampuan untuk membuang panas hasil gesekan antara drum dengan kampas rem, yang tercermin dari kenaikan temperatur kampas. Karakteristik Pengereman Material Kampas Persyaratan bahan untuk kampas rem, baik untuk drum ataupun disk sangatlah sulit. 21
22 Jurnal Teknik Mesin, Volume 1, Nomor 1, Mei 2001 Disamping agar dapat memberikan koefisien gesek yang tinggi, juga diharapkan tidak terpengaruh oleh temperatur; tekanan; kecepatan gesek; air; oli dan secara mekanis harus mampu di keling atau di lem pada sepatunya, tidak menimbulkan suara (noise) akibat pengereman, berharga murah dan mempunyai umur pakai yang lama. Bahan dasar kampas secara umum adalah asbestos, dilengkapi dengan bahan inorganik seperti: logam oksida; sulphat; dan silikat. Semuanya dilekatkan bersama dengan berbagai resin organik, karet dan lain-lain. Namun saat ini banyak digunakan material sintetis dimana semua bahan dicampur jadi satu termasuk asbestos fibres; kawat seng dan kuningan dengan menambahkan resin bahan pengikat. Sehingga dengan demikian lebih mudah untuk ditambahkan bahan lain guna meningkatkan kemampuan dari kampas rem, yang kemudian dikenal dengan tipe cetak (moulded tjpe). Perilaku kampas rem terhadap temperatur dapat menunjukkan kemampuan dari kampas rem itu sendiri dan harga koefisien gesek (g) yang stabil pada rentang temperatur kerjanya merupakan suatu hal yang ideal. Penurunan yang besar dari harga koefisien gesek (g) pada temperatur tinggi dapat mengakibatkan fade (pudar) dan ini dapat menurunkan daya pengereman. Dibawah ini dapat dilihat hubungan antara koefisien gesek dengan temperatur kampas saat pengereman, juga hubungan antara temperatur dengan laju keausan. Sebagaimana tampak pada gambar 1 Kenaikan temperatur kampas Pengereman merupakan salah satu bentuk perubahan energi kinetik menjadi energi panas yang tercemin dari adanya kenaikan temperatur, baik pada kampas maupun pada drum. Pada proses pengereman terjadi gesekan antara kampas rem dan drum karena kedua elemen tersebut berada pada putaran yang berbeda, energi yang diserap dalam bentuk panas menyebabkan adanya kenaikan temperatur baik pada kampas atau pada drum. Sebuah obyek yang mempunyai temperatur T 1 mengalami pendinginan oleh udara sekeliling yang mempunyai temperatur T a, maka akan mengikuti hubungan suatu fungsi eksponensial sebagai berikut: Ta-Ti = (Ta-Ti). e Ta-Ti = (Ta-Ti). e AU t mc AU t mc ( 1 ) + Ta ( 2 ) Gambar 1. Hubungan Koefisien gesek dan temperatur saat pengereman Gambar 2. Hubungan laju keausan dengan temeperatur Pada gambar 3 dapat dilihat kurva yang menggambarkan efek pengereman terhadap kenaikan temperatur, dimana pada saat t A, dengan temperatur T a mengalami kenaikan menjadi T 1 akibat pengereman. Walaupun kenaikan temperatur memerlukan selang waktu tertentu, namun hal tersebut diasumsikan terjadi secara singkat. Temperatur kemudian turun mengikuti garis ABC jika rem dilepas kecuali diikuti kembali oleh pengereman yang berikutnya, sehingga pada pengereman yang kedua pada saat t = t B temperatur kembali mengalami kenaikan
Lubi, Perancangan Kampas Rem 23 menjadi T 2 dan kembali akan menurun secara eksponensial seperti sebelumnya jika tidak dilakukan pengereman kembali. Efisiensi pengereman Untuk mengetahui karakteristik dari kemampuan pengereman pada kendaraan, seringkali digunakan perhitungan efisiensi pengereman. Efisiensi pengereman (breaking efficiency) η b adalah didefinisikan sebagai perbandingan dari perlambatan maksimum yang dapat dicapai dalam unit gravitasi g sebelum terjadinya lock pada ban dengan koefisien adhesi dari jalan µ, dan dirumuskan sebagai berikut η b = a / g (3) µ Efisiensi pengereman mengindentifikasikan tingkat sampai sejauh mana kendaraan tersebut memanfaatkan koefisien adhesi jalan yang tersedia selama pengereman. sebagai berikut: (4) Dikarenakan pada saat pengereman dilakukan. kecenderungan pengendara adalah menginjak kopling sehingga kopling menjadi netral maka harga γ b yang dapat didekati dengan harga γ m yang secara umum untuk kendaraan otomotif konvensional didekati dengan harga 1,04. Persamaan 4 diatas dapat diintegrasikan untuk menghitung stopping distance S dari kecepatan awal V 1, hingga kecepatan V 2 yang menghasilkan persamaan dibawah ini : (5) Dengan mensubtitusikan persamaan 3 ke persamaan 5 diatas dan mengabaikan transmition resistance, sehingga didapat : (6) Dengan mengganti R a dengan C ac,v 2, maka akan didapatkan ; (7) Gambar 3. Pengaruh pengereman terhadap kenaikan temperatur Stopping distance Stopping distance adalah salah satu parameter lain yang digunakan secara luas untuk mengevaluasi kemampuan pengereman secara keseluruhan dari kendaraan. Untuk memperkirakan stopping distance, digunakan prinsip-prinsip dasar dalam dinamika. Perumusan yang menghubungkan antara stopping distance, gaya pengereman, massa kendaraan dan kecepatan kendaraan, dalam bentuk persamaan differensial adalah dan untuk kecepatan akhir V 2 = 0, maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi : (8) Dimana dalam hal ini torsi pengereman yang dihasilkan oleh sistem, rem sudah mencakup bagian-bagian yang berputar yang dihubungkan terhadap roda, sehingga pengereman maksimum yang terjadi pada bidang kontak antara ban dan jalan digunakan
24 Jurnal Teknik Mesin, Volume 1, Nomor 1, Mei 2001 untuk memperlambat/menghambat efek inersia dalam arah translasi. Maka faktor massa γ b berharga 1 dan stopping distance minimum S min, dapat dirumuskan : (9) Prosedur Dan Hasil Pengujian Kampas rem uji Pengujian ini dilakukan baik terhadap kampas standar (polos) maupun kampas modifikasi, dimana dalam hal ini dicobakan 4 buah modifikasi sebagai mana tampak pada gambar 3. Adapun kampas rem standar dan modifikasi ini mempunyai spesifikasi yang sama, dalam artian bahwa kampas tersebut berasal dari pabrik yang sama. Pada kampas modifikasi mempunyai luasan yang lebih besar atau dengan kata lain alur dapat dianggap sebagai fin yang sekaligus dapat memberikan kontribusi berupa memungkinkannya aliran udara melewati permukaan kampas melalui alur tersebut, dimana hal ini dapat menaikkan kemampuan membuang panas sehingga kenaikan temperatur kampas akibat pengereman relatif lebih kecil. Hal ini dapat tercermin dari hasil pengamatan yang tersajikan pada gambar - gambar dan grafik. Prosedur percobaan dan hasil pengujian Dengan mengacu pada prosedur standar pengujian berdasarkan SAE J 108a yang secara umum bertujuan untuk menguji kemampuan sistem pengereman, disamping untuk melihat : 1. Hubungan antara perlambatan atau stopping dengan gaya input akibat kecepatan kendaman, temperatur kampas clan pemakaian. 2. Karakteristik kampas rem. 3. Karakteristik drum. Gambar 3. Modifikasi kampas rem
Lubi, Perancangan Kampas Rem 25 Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam pengujian ini antara lain, adalah bahwa pada setiap langkah pengujian (diaplikasikannya gaya input pada pedal rem), kopling harus netral atau tidak terhubungkan dengan mesin (disengaged). Parameter yang dicatat di dalam pengukuran adalah: Temperatur akhir kampas setiap pegamatan. Waktu henti setiap pengamatan. Temperatur udara sekeliling. Jarak henti atau stopping distance Modifikasi 2 Adapun urutan pengujian tersebut adalah sebagai berikut : 1. Uji efektivitas pertama Pada langkah ini bertujuan untuk mendapatkan hubungan antara gaya input dengan perlambatan atau stopping distance pada masing-masing kecepatan awal, dimana kondisinya adalah Kecepatan awal: 30; 40; 50; 60;70 km/jam. Temperatur awal kampas 37 0-80 0 C b) model modifikasi Gambar 4. Hasil uji efektifitas pertama, kecepatan awal versus perlambatan a) model polos 2. Uji kikis Pada uji kikis dilakukan dengan pembebanan yang konstan dan dilakukan hingga 100 kali, dimana dalam hal ini pencatatan dilakukan setiap 10 kali yang yang meliputi : Stopping distance. Temperatur awal kampas rem Kecepatan awal pada uji ini 50 km/jam dengan gaya input pada pedal rem sebesar 8 kg. Modifikasi 1
26 Jurnal Teknik Mesin, Volume 1, Nomor 1, Mei 2001 3. Uji efektivitas kedua Pada uji ini prosedurnya sama dengan uji efektivitas pertama sehingga hal ini merupakan pengulangan dari uji efektivitas pertama. 4. Uji pudar dan pulih pertama Pada uji pudar ini bertujuan untuk melihat adanya penurunan efektivitas pengereman sementara akibat kenaikan temperatur pada kampas rem, dimana pengamatan dilakukan sebanyak 10 kali dengan kondisi sebagai berikut: Kecepatan awal 70 km/jam. Temperatur awal kampas (pengamatan 1) : 650C. Gaya input (untuk memberikan a = 4,5 m/det2.) : 9 kg. Setelah melakukan uji pudar diatas kemudian kendaraan dipakai sejauh 1,6 km. Untuk pendinginan, yang kemudian dilanjutkan dengan uji pulih. Pada uji pulih ini, kondisi pengujian sama dengan uji pudar. Hanya pengamatan dilakukan sebanyak 12 kali dan parameter yang diamati sama, yaitu : stopping distance dan temperatur akhir pada setiap henti. Disamping itu juga dicatat temperatur udara sekeliling dan waktu henti setiap pengamatan. Gambar 6. Hasil perbandingan uji pudar pertama Gambar 5. Grafik uji kikis Gambar 7. Grafik perbandingan hasil uji pulih pertama
Lubi, Perancangan Kampas Rem 27 5. Uji kikis ulang pertama Pada uji kikis ulang pertama ini kondisi pengujian sama dengan uji kikis, tetapi jumlah pengamatan yang dilakukan sebanyak 35 kali dan parameter yang diamati sama dengan uji kikis. Gambar 8. Hasil perbandingan uji pudar kedua Gambar 9. Hasil perbandingan uji pulih kedua 6. Uji pudar dan pulih kedua Pada uji ini kondisi pengujian sama dengan uji pudar dan uji pulih pertama. 7. Uji Kikis ulang kedua Kondisi pengujian sama dengan uji kikis ulang pertama. 8. Uji efektifitas akhir Kondisi pengujian sama dengan uji efektifitas pertama dan kedua Gambar 10. Perbandingan Perlambatan yang dihasilkan
28 Jurnal Teknik Mesin, Volume 1, Nomor 1, Mei 2001 9. Uji pulih air Pada uji pulih air ini bertujuan untuk mengamati efektivitas pengereman pada saat kampas rem basah, dimana terlebih dahulu rem dibasahi dengan air kemudian dilakukan pengamatan dengan kondisi sebagai berikut : Jumlah pengamatan : 15 kali Kecepatan awal :40 km/jam Gaya input (untuk memberikan a =2,5 m/dee.) : 7 kg Referensi [1] SAE Handbook, 1979, Society of Automotive Engineers Inc. 400 Commonwealth Drive, Warrendale, Pa. 15096. [2] Giles, J.G. Vehicle Equipment, Automotive Technology Series, Vol.5. [3] Wong LY, Theory of Ground Vehicle, A.Willey Interscience Publication, John Willey & Sons. [4] Robinson, John, 1994, Motorcycle Tuning : Casis, Second Edition, British Library Cataloguing in Publication Data. [5] Shigley, Joseph Edward, 1997, Mechanical Engineering Design, First Edition Mc. Graw-Hill Book Company. [6] Deutschman, Aaron D, 1975, Machine Design Theory and Practice, Macmillan Publishing Co. Inc., New York. Gambar 11. Perbandingan hasil uji pulih air 5. Kesimpulan Dari hasil pengamatan dari beberapa Pengamatan diperoleh bahwa: 1. Penambahan alur pada kampas rem mempunyai pengarufl yang lebih baik terhadap karakteristik kampas, terutama pada uji pudar dan uji pulih air, dan terjadi penurunan pada uji efektivitas. 2. Kenaikan temperatur kampas modifikasi relatif lebih rendah dibanding kampas polos (standar). 3. Pada uji modifikasi 3 dan modifikasi 4 mempunyai perbedaan yang cukup berarti, sedangkan pada uji pulih air semua modifikasi mengalami kenaikan dimana modifikasi 4 mengalami kenaikan terbesar.