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
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
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
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/cm2 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/cm2 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
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/cm2 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
B ng penghubu ung yang terddapat pada seetiap roda Gaambar 2. 4 Batang-batan
Sisteem batang penghubunng tersebut dapat disedderhanakann menjadi sistem s pemodelann sebagai beerikut:
Gambar 2. 2 5
Penyedderhanaan model m sistem pengeremann
II.2 Matterial Komposit Material Kompposit adalahh material yang terdirri dari kom mbinasi duaa atau lebih material dalam m skala makkroskopik (Robert ( M.1995). Kom mbinasi maaterial tersebut akan a mengghasilkan kualitas k ko omposit terrsebut mennjadi lebih baik daripada material m pennyusunnya. Kelebihan tersebut t adaalah:
15
9 Kekuatan
9 Umur fatigue
9 Kekakuan
9 Berat
9 Ketahanan terhadap korosi
9 Isolasi termal
9 Tahan aus
9 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
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
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
Tabel 2. 1 Perkembangan material untuk rem kendaraan[6] Material Cast Iron Cotton Belting Woven asbestos dengan kuningan dan kawat untuk meningkatkan kekuatan dan performa Molded brake lining dengan serat chrysotile, partikel kuningan, dan low-ash bituminous coal Dry-mix molded material Material komposit dengan matriks resin Resin-bonded metallic brake lining Serat gelas, serat mineral, serat logam, serat karbon dan serat buatan Non-asbestos (fiberglass) Serat karbon
Aplikasi Kendaraan rel Kendaraan wagon dan perkembangan awal mobil
Tahun 1870 1897
Mobil dan truk
1908
Mobil dan Truk
1926
Kendaraan rel bawah tanah di London Brake drum Industri penerbangan
1930 1950
Mobil dan truk
1980
Brake drum Industri penerbangan, mobil dan kereta api
1980
1930
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
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 Oksida aluminium Oksida besi Quartz Silika Zirconium silicate
Keterangan (1) bentuk hindratnya ditambahkan sebagai pelapis, untuk ketahanan aus tetapi dapat menyebabkan fading. (2) bersifat abrasif Hematite (Fe2O3) dan magnetite (Fe3O4) dapat berfungsi sebagai mild abrasive. Partikel mineral (SiO2) Ditambahkan dalam bentuk alami maupun sintetis (ZrSiO4)
Referensi Nicholson (1995) Nicholson (1995) Erikson (2000) Hooton (1969) 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 Antimony trisulfide
Karbon (grafit)
Kuningan Keramik “microsphere”
Keterangan Pelumas padat yang ditambahkan untuk meningkatkan kestabilan gesekan; kondisi operasi pelumasan di atas 450oC; Sb2S3 dapat bersifat racun. Murah dan banyak digunakan; tingkat gesekan dipengaruhi oleh kelembaban dan strukturnya; dapat terbakar pada suhu di atas 7000C; 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 10-359 mikrometer; mampu mengontrol koefisien gesek. Mullite,
Referensi Jang (2000); Nicholson {1995)
Nicholson (1995), Spurr (1972), NABCO (1984) Nicholson (1995) PQ Corporation (1993)
20
Tembaga
Friction dust
Friction powder Oksida timah Metal-fluxing compounds Oksida logam
dengan susunan 3Al2O3-2SiO2 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 Fe3O4 dapat meningkatkan koefisien gesek pada keadaan dingin,; ZnO untuk fungsi lubrikasi; Cr2O3 berfungsi untuk meningkatkan koefisien gesek.
Nicholson (1995) Nicholson (1995) Hoegenaes (1990) Hoegenaes (1990) Hooton (1969) Nicholson (1995)
Bermacam-macam sulfida-logam
CuS, Sb2S3, PbS digunakan untuk menjaga kestabilan koefisien gesek rem.
GudmandHoyer, et al (1999)
Mineral filler
mullite, kyanite, sillimanite digunakan untuk mengontrol koefisien gesek dan berfungsi juga untuk mengotrol keausan yang terjadi.
Hooton (1969)
Molybdenum disulfida
Pelumas layer-lattice-type yang umum digunakan
Spurr (1972)
Petroleum coke
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 lain21
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
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 Antioksidan
Asbestos
Barium sulfat Kalsium karbonat Cashew nut shell oil Kapas
Fiber-mixed oxide
Limestone Potassium titanat
Karet, nitrile
Keterangan Antioksidan berfungsi untuk menjaga ketebalan lapisan oksida pada blok rem pesawat. Jumlah antioksidan yang terlalu banyak akan menyebabkan koefisien gesek yang tidak stabil. Filler yang umum digunakan pada rem kompostit tetapi bersifat racun sehingga pada tahun-tahun terakhir ini di Negara maju dilarang penggunaannya. Asbestos dapat menyebabkan asbestosis (WHO,2000). BaSO4 bersifat inert. Filler ini dapat meningkatkan kerapatan massa rem komposit serta dapat meningkatkan ketahanan aus rem komposit. Stabil pada temperatur tinggi. Kalsium karbonat dapat digunakan sebagai pengganti barium sulfat karena lebih ekonomis. Filler ini tidak stabil pada temperatur tinggi Mengurangi suara yang dihasilkan pada saat pengereman. Fiber yang diperkuat untuk matriks. Serat yang diperkuat, contoh komposisinya adalah sebagai berikut : silica (40-50 wt%), alumina (5-15 wt%), calcia (34-42 wt%), magnesia (3-10 wt%) dan bahan anorganik lainnya (0-7 wt%); fungsi filler ini antara lain adalah untuk mengontrol fading dan meningkatkan efektifitas pengereman 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.
Referensi Hooton (1969) Spurr (1972). Rhee (1974), Nicholson (1995) Nicholson (1995)
Nicholson (1995) Nicholson (1995) Spurr (1972)
Sloss
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
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: ¾ Engineering Analysis, kemampuan untuk menggunakan ilmu dasar keteknikan untuk menganalisis komponen, sistem atau produk yang akan di desain. ¾ 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
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
II.5 Pengujian Mek kanik Di dalam d ilmu material, teerdapat tiga hal yang penting dan saling berk kaitan. Hal tersebbut menjadi konsep dassar dari ilm mu material. Tiga konseep dasar terrsebut adalah strruktur, sifatt dan proses. Ketiga hal h dasar terrsebut salinng berkaitan n dan saling mem mpengaruhii satu sama lain.
[9] Gam mbar 2. 10 Tiga konsep p dasar ilmu material m
Darii ketiga konnsep tersebbut, hal yan ng akan dibbahas adalaah sifat matterial. Untuk mengetahui sifat-sifat yang dipun nyai oleh material, hhal yang harus ujian materiial dibagi m menjadi beb berapa dilakukan adalah penngujian material. Pengu bagian, yaaitu: 1 Sifat Meekanik 1. Kekuataan tarik, keekuatan pu untir, kekakkuan, keuleetan, kekerrasan, koefisienn gesek, dann sebagainy ya. 2 Sifat Fissik 2. Titik caiir, koefisienn muai, beraat jenis 3 Sifat Kiimiawi 3. Ketahannan korosi 4 Sifat Teeknologi 4. Mampu bentuk, maampu las, mampu m mesinn
26
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
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 2. 11
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
Gambar 2. 12 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 Mb : 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 )( ) 4 2 σ= 3 bh 12 (
(2.2)
Dengan: P : beban yang bekerja L : panjang sesimen 29
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 2. 13 Pengujian tekan pada mesin uji
Perhitungan dalam uji tekan cukup sederhana. Berikut ini cara perhitungannya:
Gambar 2. 14 Ilustrasi material uji pada saat uji tekan[9] 30
Rumus perhitungan tegangan (stress) maksimal:
σ = F .A Dengan: A = luas permukaan penampang material uji
(2.3)
F = beban maksimal pada saat pengujian tekan Selain itu, hal yang perlu dihitung juga adalah regangan (stain). Rumus perhitungannya adalah sebagai berikut:
ε = ΔL / L Dengan: ΔL = Perubahan panjang dari material uji L
(2.4)
= 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 2. 15 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
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 2. 16 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
Batang pe emegang (ca arrier) Spesimen n Piringan G Gesek
Gaambar 2. 177 Mesin uji gesek g
Gam mbar berikuut adalah skema s geo ometri batanng yang ddigunakan untuk u pembebannan pada speesimen uji. NA
C C
A
B Wc NB
Gam mbar 2. 18 Skema dimeensi pada battang carrier[100]
Titikk A merupaakan titik tum mpu batang g AC yang dihubungka d an dengan raangka mesin uji gesek denggan mengguunakan samb bungan engsel. Pada tittik B merup pakan da spesimenn uji. Seddangkan tittik C tempat diimana terjaadi pembebanan pad merupakann tempat baatang AC diiberi beban. Anaalisis ini dim maksudkan untuk meng getahui besaar pembebaanan yang teerjadi pada spesiimen uji jikka dilakukann pembeban nan pada titiik C. Untukk mengetahu ui hal tersebut maka m dilakukkan perhitunngan dengaan menggunakan persam maan beriku ut ini.
∑F = 0 ∑M = 0
(2.6) (2.7)
Perhhitungan pem mbebanan yang y terjadii adalah sebagai berikuut:
∑M
A
= 0 ⇔ 10 00 mm.N B − 270 mm.WC = 0
NB = 2,7WC
(2.8)
33
NB dan WC dalam N. Jika besar Nb dan Wc diketahui, maka besar koefisien gesek dapat diketahui dengan menggunakan persamaan: μ=
fc Nb
(2.9)
Besarnya fc dapat diketahui dari hasil keluaran alat uji.
34
