Analisa Pengaruh Variasi Beban Pengereman Dan Variasi Kecepatan Putra (RPM) Terhadap Perubahan Struktur Mikro Piringan Cakram Dari Bahan Al Abu Dasar Batubara (Harjo Seputro Dan Arief Wijayanto)
ANALISA PENGARUH VARIASI BEBAN PENGEREMAN DAN VARIASI KECEPATAN PUTAR (RPM) TERHADAP PERUBAHAN STRUKTUR MIKRO PIRINGAN CAKRAM DARI BAHAN AL ABU DASAR BATU BARA Harjo Seputro 1, Arief Wijayanto 2 Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya
Abstract Material cost and lightweight to be a requirement in the automotive world. This requirement led to innovations in the manufacture of Metal Matrix Composite (MMC). Aluminum-based MMC with reinforcement Abu coal base developed as inputs for industries, especially the automotive industry because the material is cheap and easy to come by in the can. The purpose of this study to determine the influence braking loads and rotational speed variai to change the microstructure of the base material disk disc al - ash coal. The research activities begins the process of making a composite with the method of HAS, then how is generated into a disk disc, the next disc-disc diperlakuan T6 heat, further testing with load variations braking and speed, turn while braking loads are used 3kg, 4kg, 5kg and with the rotational speed 600rpm , 700rpm, 800rpm. The test results braking ratio of disc-disc original with disk disc al - bottom ash coal in comparison type of disc discs al - bottom ash coal produces a higher temperature than the disc-disc original because of the heat capacity on the disc al - bottom ash coal is greater compared to the original disk disc. So that the braking load variations and variations in rotational speed (rpm), the micro structure changes that occur are from the compound turned into Al2SiO4 Al2MgSiO4 these changes occur as a result of the heat that builds up during braking.
Keywords : composites, variation of speed, braking loads, microstructure. PENDAHULUAN Di era globalisasi sekarang ini, teknologi berkembang pesat. Perkembangan ini menuntut tersedianya suatu jenis material yang memiliki penampilan atau performa yang sangat baik, adapun kriteria yang harus dipenuhi atau dimiliki material tersebut : ringan, memiliki sifat – sifat mekanik yang baik, tahan lama, mudah dipabrikasi dan tentunya biaya pembuatannya yang murah, jenis material yang dapat memenuhi kriteria ini disebut aluminium. Aluminium mempunyai rasio kekuatan per berat yang relatif tinggi, keuletan yang baik biaya teknologi manufaktur yang lebih rendah, kekuatan dan keuletan aluminium yang baik tersebut, saat ini masih kurang sehingga menimbulkan keinginan untuk menciptakan material yang lebih unggul dari aluminium dan paduannya. Keinginan ini menghasilkan suatu material baru yang kemudian dikenal Metal Matrik Composite (MMC). Dengan teknologi ini kekerasan aluminium yang tidak terlalu tinggi dapat ditingkatkan dengan sifat mekanisnya menjadi lebih baik lagi.( A . Zamheri,2011).
Di dalam sebuah komposit interface merupakan komponen yang sangat penting karena interface mempengaruhi kekuatan specific komposit, kekakuan komposit, keuletan komposit dan keuletan komposit karena di dalam interface terjadi sebuah ikatan kimia yang disebut matriks dan reinforcement juga didukung dengan adanya struktur mikro dengan jumlah dan jenis tertentu yang dapat mempengaruhi kualitas bahan komposit dan sebagai salah satu alat dalam mengontrol sifat bahan komposit matrik pada interface mempunyai sifat mekanik yang baik, tahan terhadap temperatur, ketangguhan yang baik maka matrik berfungsi sebagai pengikat yang dimaksud pengikat yaitu mengikat struktur lain yang ada dalam komposit, reinforcement pada komposit adalah salah satu bahan utama dari komposit yang berfungsi sebagai penguat yang dimaksudkan adalah menjadikan sebuah komposit mempunyai sifat seperti bobot yang ringan, mempunyai kekakuan yang baik. ( M. Husna , 2010 ) . Maka dari itu untuk membuktikan terjadinya ikatan kimia struktur mikro (Interface) didalam komposit kami mengadakan penelitian dengan judul “ analisa pengaruh variasi beban pengereman dan variasi rpm
37
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 2, 2015
terhadap perubahan struktur mikro piringan cakram dari bahan Al-abu dasar batu bara “. STUDI PUSTAKA Material Komposit didefinisikan sebagai campuran makroskopik antara serat dan matriks yang bertujuan untuk menghasilkan suatu material baru yang memiliki sifat dan karakteristik yang berbeda dari unsur penyusunnya. Dengan perbedaan material penyusun komposit maka antara matriks dan penguat harus saling berinteraksi antar muka (Interface) sehingga perlu ada penambahan material katalis. Pada material komposit serat berfungsi untuk memperkuat matrik berfungsi untuk melindungi serat dari efek lingkungan dan akibat keruasakan benturan ( Impact ). Beberapa definisi dasar dari kompoist sebagai berikut : a. Sub – mikro (nano) yang artinya molekul tunggal dari kisi kristal, bila material yang disusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh : senyawa, paduan ( alloy ), polimer dan keramik ). b. Mikro struktur yang artinya pada kristal fase dan senyawa bila material disusun dari dua fase atau senyawa atau lebih disebut komposit (contoh: Fe dan C ). c. Makrotsruktur yang artinya material yang disusun dari paduan dua atau lebih penyusun makro yang berbeda dalam bentuk dan/atau komposisi dan Tidak larut satu dengan yang lain disebut material komposit (deinisi secara makro ini yang bias dipakai dalam mendeinisikan komposit ) Sifat dan karakteristik komposit Sifat maupun karakteristik komposit ditentukan oleh beberapa faktor : a. Material yang menjadi penyusun komposit karakteristik komposit ditentukan karakteristik material penyusun dan dapat ditentukan secara teoritis sehingga akan berbanding secara proporsional . b. Bentuk dan struktur penyusun dari komposit Bentuk (dimensi) struktur (ikatan) penyusun komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit. c. Interaksi antar penyusun Bila terjadi Interaksi antar penyusun akan meningkatkan penyusun dari komposit. Klasifikasi komposit Secara garis besar komposit dapat diklasifikasikan menjadi 4 macam, Berdasarkan matriks yang digunakan komposit dapat dikelompokkan atas :
1. MMC : Metal Matriks Composite (menggunakan matriks logam) 2. CMC : Ceramic Matriks Composite (menggunakan matriks keramik) 3. PMC : Polymer Matriks Composite (menggunakan matriks polimer). 4. Material komposit partikel ( Particulate composites materials ) Terdiri dari satu atau lebih partikel yang tersuspensi di dalam matriks dan matriks lainnya. Abu Dasar Batubara Komposisi penguat didalam suatu komposit sangat berpengaruh pada kekuatan komposit yang dihasilkan. Pada experimen ini penguat yang akan dipakai adalah abu dasar batubara yang merupakan limbah padat dari sisa pembakaran abu batubara. Abu dasar batubara merupakan salah satu material keramik oksidasi yang tersusun lebih dari 70 % AL2O3, SiO2, dan Fe2O3 yang mempunyai angka kekerasan yang cukup tinggi dan mempunyai titik cair hingga diatas 2000° C. Partikel abu dasar batubara juga mempunyai beban yang sangat ringan yaitu 0,4 – 0,6 gr/cm³ sehingga dapat diharapkan mendapat material komposit yang lebih ringan dan kekuatan yang tinggi. Keuntungan dari penggunaan abu dasar batubara sebagai penguat dari material komposit adalah : 1. Mempunyai angka kekerasan yang cukup tinggi. 2. Tahan terhadap temperature tinggi. 3. Mudah difabrikasikan. Harga yang cukup ekonomis karena hasil dari limbah pabrik. Tabel Analisa kimia abu batubara Analisis
Persen
Kimia SiO2
56,0 - 62,7
Al2O3
17,9 - 24,3
Fe2O3
6,4 - 9,1
TiO2
0,1 - 1,1
CaO
2,7 - 4,1
MgO
1,1 – 1,9
Na2O
0,4 – 2,3
K2O
0,5 – 0,8
P22O5
0,2 – 0,4
38
Analisa Pengaruh Variasi Beban Pengereman Dan Variasi Kecepatan Putra (RPM) Terhadap Perubahan Struktur Mikro Piringan Cakram Dari Bahan Al Abu Dasar Batubara (Harjo Seputro Dan Arief Wijayanto)
SO2
2,3 – 8,9
Mn3O4
0,07 – 0,08
Gambar Pad Rem Sumber : PT. Tambang Batubara Bukit asam Jenis penguat dari suatu material komposit sangat berpengaruh pada sifat-sifat material tersebut, selain itu ukuran partikel penguat juga mempengaruhi kekuatan / ketangguhan suatu material komposit hal ini disebabkan beban yang diterima akan di distribusikan ke seluruh bagian partikel penguat, sehingga semakin kecil ukuran partikel penguat maka jumlah penampang akan menjadi lebih besar karena beban yang terjadi akan diterima leh seluruh luas penampang permukaan dari partikel penguat tersebut (Seputro harjo 2002).
Pad tersebut biasanya terbuat dari campuran metalic fiber dan sedikit serbuk besi. Pada pad biasanya di beri garis celah untuk menunjukan tebal pad. Dengan demikian dapat mempermudah dalam pengecekan keausan pad.Pada beberapa pad, pengunaan metalic plate di pasangkan pada sisi piston dari pad yang fungsinya untuk mencegah bunyi saat pengereman. Disc (Piringan)
Disk Brake Disc brake di gunakan sebagai pengganti rem teromol, dimana pada dasarnya piringan cakram, terdiri dari cakram yang berputar dengan rotor dan bahan gesek yang mendorong dan menjepit cakram. Daya pengereman di hasilkan oleh adanya gesekan antara pada dan cakram. Pada umumnya cakram atau piringan tersebut terbuat dari besi tuang dan di beri lubang-lubang yang fungsinya untuk ventilasi serta pendingin, dengan adanya ventilasi tersebut maka panas yang di timbulkan akan cepat keluar dan umur pad akan lebih panjang dan tahan lama.
Gambar kontruksi disc brake Pada umumnya komponen-komponen disc brake adalah sebagai berikut: Pad Rem
Kaliper Kaliper atau cylinder body, memegang pistonpiston dan di lengkapi saluran saat minyak rem yang di salurkan ke silinder. Pada disc brake terdapat beberapa jenis kaliper yang di antaranya adalah: a. Tipefixedcaliper(DuoblePiston), pada tipe ini piston di tempatkanpada dua sisi kaliper. Radiasi panas fixed caliper terbatas karena silinder rem berada pada cakram dan velg, menyebabkan sulit tercapainya pendinginan. Untuk itu membutuhkan penambahan komponen yang banyak guna mengatasi hal tersebut. Jenis fixed caliper ini sudah
39
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 2, 2015
jarng di gunakan saat ini. b. Floating caliper (single piston) pada tipe ini piston di tempatkan pada Satu sisi kaliper, sistem kerjanya adalah tekanan hidrolis dari master silinder, kemudian mendorong piston dan selanjutnya menekan pada rotor disc (cakram). Pada saat yang sama tekanan hidrolis menekan sisi pad sehingga menjepit cakram dan terjadilah usaha tenaga pengereman. Dalam tipe ini kemampuan pengeremannyadi bangkitkan oleh kedua pad sehingga daya pengeremannyalebih baik. Tipe ini sering di gunakan pada kendaraan penumpang saat ini. Konsep Dasar Pengereman Pada setiap kendaraan bermotor kemampuan sistem pengereman menjadi suatu yang penting karena mempengaruhi keselamatan berkendara. Semakin tinggi kemampuan kendaraan tersebut melaju maka semakin tinggi pula tuntutan kemampuan sistem rem yang lebih handal dan optimal untuk menghentikan atau memperlambat laju kendaraan.Untuk mencapainya diperlukan perbaikan-perbaikan dalam sistem pengereman tersebut. Sistem rem yang baik adalah sistem rem yang jika dilakukan pengereman baik dalam kondisi apapun pengemudi tetap dapat mengendalikan arah dari laju kendaraannya. Fungsi Rem Laju suatu kendaraan dapat dihentikan dengan beberapa cara, antara lain: penggunaan perangkat pengereman seperti rem cakram maupun rem tromol. Tetapi ada cara lain yang dapat digunakan untuk menghentikan laju kendaraan, yaitu dengan menggunakan bantuan engine brake Prinsipnya dengan menurunkan gigi persnelling pada gigi yang lebih rendah akan memberikan efek pengereman, meskipun tidak sekuat jika dilakukan dengan rem. Biasanya engine brakedigunakan untuk membantu meringankan kerja dari rem tersebut. Perangkat pengereman dari suatu kendaraan dibedakan menjadi dua jenis, yaitu: rem cakram dan rem drum. Rem cakram Rem cakram terdiri dari piringan yang dibuat dari logam, piringan logam ini akan dijepit oleh kanvas rem (brake pad) yang didorong oleh sebuah torak yang ada dalam silinder roda. Untuk menjepit piringan ini diperlukan tenaga yang cukup kuat.Guna untuk memenuhi kebutuhan tenaga ini, pada rem cakram dilengkapi dengan sistem hydraulic, agar dapat menghasilkan tenaga yang
cukup kuat. Sistem hidrolis terdiri dari master silinder, silinder roda, reservoir untuk tempat oli rem dan komponen penunjang lainnya. Pada kendaraan roda dua, ketika handel rem ditarik, bubungan yang terdapat pada handel rem akan menekan torak yang terdapat dalam master silinder. Torak ini kan mendorong oli rem ke arah saluran oli, yang selanjutnya masuk ke dalam ruangan silinder roda. Pada bagian torak sebelah luar dipasang kanvas atau brake pad, brake pad ini akan menjepit piringan metal dengan memanfaatkan gaya/tekanan torak ke arah luar yang diakibatkan oleh tekanan oli rem tadi. Prinsip kerja disc brake Sistem rem piringan bekerja dengan adanya suatu gerak gaya gesek antara pad rem yang diam dengan piringan yang berputar. Pada kendaraan berjalan mesin berfungsi mengubah energi panas menjadi energi kinetik maka sebaliknya dari prinsip kerja rem yaitu mengubah energi kinetik menjadi energi panas dimana pada saat pengereman akan terjadi gesekan antara pad rem dengan piringan yang akan menghasilkan panas yang selanjutnya panas di lepas ke udara bebas. Pengunaan rem selanjutnya berulang-ulang sesuai dengan kebutuhan, maka akan timbul panas karena adanya gesekan antara pad rem dan cakram. Selama proses pengereman berlangsung, temperatur pad dan cakram akan naik sehingga akan menyebabkan cakram memuai. Cakram yang panas akan mengurangi daya pengereman. Rem cakram mempunyai batas pembuatan pada bentuk dan ukurannya.Karena berkaitan dengan aksi self energising limited.Sehingga perlu tambahan tekan hidrolik yang lebih besar untuk mendapatkan daya pengereman yang efisien. Komponen tersebut dinamakan boster rem. Boster rem mampu melipat gandakan daya penekanan pedal, waktu penekanan pedal lemah mampu di teruskan menjadi daya pengereman yang besar
METODE PENELITIAN Dalam melakukan penelitian ini yaitu pertama tama mencari variasi beban pengereman dan variasi rpm terhadap perubahan struktur mikro pada piringan cakram terlebih dahulu perlakuan panas, setelah itu pengujian menggunakan mikroskop optik / SEM-EDX bertujuan untuk mengetahui distribusi partikel alumnia dalam matrik dan struktur mikro yang dihasilkan untuk masing - masing parameter hasil uji. Sebelum melakukan pengamatan dengan mikroskop optik sampel uji harus melakukan serangkaian tahapan preparasi, setelah itu dengan variasi beban dan rpm (rotation per minute) rpm 600rpm, 700rpm, 800rpm dengan beban 3kg, 4 kg, 5kg dan waktu 1 detik, dan
40
Analisa Pengaruh Variasi Beban Pengereman Dan Variasi Kecepatan Putra (RPM) Terhadap Perubahan Struktur Mikro Piringan Cakram Dari Bahan Al Abu Dasar Batubara (Harjo Seputro Dan Arief Wijayanto)
sebelum pengujian noise yang akan kami lakukan adalah melakukan perlakuan panas T6 terhadap spesimen ( piringan cakram ). Alat yang digunakan untuk proses T6 adalah dapur mavel merk Thermolyne Tipe 30400. Langkah-langkah proses T6 adalah melakukan pelarutan yaitu benda uji (piringan cakram) dipanaskan pada suhu 540oC dan ditahan selama 6 jam kemudian didinginkan cepat dengan media air dengan variasi 100oC,75oC,50oCsampai pada suhu kamar, untuk menghindari kerusakan/bengkok pada piringan cakram. Selanjutnya dilakukan proses aging yaitu piringan cakram dipanaskan kembali sampai suhu 180 o C ditahan 6 jam kemudian didinginkan di dalam dapur pemanas sampai suhu kamar. Dan setelah itu melakukan pengujian SEM EDX alat yang digunakan pengujian SEM - EDX adalah zeiis - bruker dalam melakukan pengujian ini akan mendapatkan data struktur mikro (antar muka) kemudian kita menganalisa pengaruh variasi beban pengereman dan variasi rpm terhadap perubahan struktur mikro.
terlebih dahulu kemudian baru di lakukan uji pengereman untuk mengetahui temperatur suhu yang di hasilkan setiap spesimen, Dan adapun data yang di hasilkan tertera pada tabel di bawah ini. Tabel. Menyajikan data hasil uji pengereman dengan variasi kecepatan putar (rpm) dan variasi beban terhadap temperatur piringan cakram Al- abu dasar batubara.
Keterangan Kode : Persiapan Alat dan bahan Bahan - bahan yang digunakan untuk proses perlakuan panas T6 Garam murni. Piringan cakram Al- abu dasar batubara. Air murni. Alat yang digunakan untuk perlakuan Proses perlakuan panas T6 Langkah – langkah pada proses perlakuan panas T6 adalah : 1. Piringan cakram Al – Abu dasar batubara dipanaskan sampai pada suhu 540o. 2. Ditahan pada suhu 540o selama 6 jam. 3. Didinginkan cepat denagn media air garam dengan variasi 100oC, 75oC , 50oC sampai pada suhu kamar. 4. Piringan cakram dipanaskan kembali sampai suhu 180oC ditahan 6 jam. 5. Kemudian piringan cakram didinginkan secara normal di dalam dapur pemanas sampai suhu kamar kembali• Studi lapangan 6. Selain melakukan studi literature, penulis DATA DAN PEMBAHASAN
kode S R
Kecepatan putar 600 rpm 700 rpm
T
800 rpm
Kode 1 2 3 Pembahasan
Beban 3 kg 4 kg 5 kg
Hasil uji SEM kode spesimen S3.
Gambar. specimen dengan temperature 33,7 Hasil uji SEM kode spesimen RI.
Data Pengujian Total spesimen yang dilakukan uji pengereman ada 9 pcs dimana seluruh spesimen piringan cakram tersebut telah melalui proses T6 dan artifical aging
39
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 2, 2015
DAFTAR PUSTAKA
Gambar. specimen dengan temperature 35,1 Hasil uji SEM kode spesimen T1.
Hasil uji SEM kode spesimen T3.
1) Ian Hardianto Siahaan, Hoo Young Sen. Kinerja rem tromol terhadap kinerja rem cakram kendaraan roda dua pada pengujian stasioner. Yogyakarta, 16 oktober 2008. 2) Agus Suprihanto, budi setyana. Pengujian mekanik dan fisik pada metal matrix composite (MMC). Undip 4 oktober 2006. 3) Anne Zulfia. Proses penuaan(aging) pada paduan aluminium AA 333 hasil proses sand casting. Universitas indonesia 2009. 4) Sukamto, AJ.Bardi. Analisis perpindahan panas kampas rem pada sepeda motor. Universitas Janabadra 2013 5) Deepak Biradar, Experimental analysis and investigation for thermal behaviour of ventirated disc brake rotor using CFD. Universitas of pune, india 2014 Joni Dewanto, andreas wijaya. Sistem pendinginan paksa anti panas lebih (over heating) pada rem cakram( Disc Brake) kendaraan. Universitas petra surabaya 2010
Gambar. specimen dengan temperature 37,6 KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan Setelah dilakukan penelitian tentang analisa pengaruh variasi beban pengereman dan variasi kecepatan putar (rpm) terhadap perubahan struktur mikro piringan cakram dari bahan al – abu dasar batu bara selanjutnya dapat ditarik dari kesimpulan hasil penelitian ini, antara lain. Pada berbagai variasi beban pengereman dan variasi kecepatan putar (rpm), perubahan struktur mikro yang terjadi adalah dari senyawa Al2MgSiO4 berubah menjadi Al2SiO3 terhadap MgO perubahan ini terjadi akibat dari panas yang timbul pada saat pengereman. Saran Berdasarkan hasil pengujian dan analisa pengaruh beban pengereman dan variasi kecepatan putar (rpm) terhadap perubahan struktur mikro piringan cakram al – abu dasar batubara masih ada kekurangan dalam pengujian, oleh karena itu saya menyarankan kedepannya penelitian yang akan melakukan lagi atau melanjutkan kembali untuk memperhatikan metode pengujian yang akan dilakukan agar mendapatkan hasil yang maksimal.
42
