Perbandingan Distribusi Temperatur Pada Drum Brakes Standar dan Modifikasi Djoko Sungkono, Feri Fatkur Rizal Jurusan Teknik Mesin FTI- ITS surabaya
Abstrak Cepatnya keausan kampas rem pada kendaraan bus merupakan masalah penting baik dari segi penggantian maupun keterandalan pengereman. Pengereman yang berulang ulang pada kendaraan akan menimbulkan panas yang tinggi pada drum brakes. Pada temperatur yang tinggi, koefisien gesek kampas rem akan banyak menurun. Diperluaspya bidang pengereman mengakibatkan umur pakai kampas rem mejadi lebih lama, sehingga dalam studi eksperimental lapangan diuji dua 'drum brake'yang berbeda yakni 'drum brake' asal produsen (standar) dengan luasan 0. 29 m2 dan drum 2 brake lokal (modifikasi) dengan luasan 0. 41 m2. Pemecahan masalah tersebut diatas di lakukan dengan perbandingan hasil dari pengukuran lapangan dan analisa perhitungan dengan program bantu NISA. Dengan mengetahui distribusi temperatur, dapat diketahui drum brakes mana yang mempunyai temperatur kerja lebih rendah. Hasil pengukuran dan hasil perhitungan program NISA dibandingkan, dan setelah dilakukan analisa diperoleh hasil bahwa drum brakes modiflkasi mempunyai temperatur operasi lebih rendah 39.4X dibandingkan dengan drum brakes standar, yakni untuk 'drum brakes' modifzkasi bertemperatur 467.5 'K dan 'drum brakes' standar 506.9 OK. Dengan modifikasi tersebut umurpakai kampas rem telah meningkat dari ± 15 hari menjadi.± 35 hari, untukpemakaian kendaraan denganjarak tempuh 600 km perhari. Kata Kunci : 'Drum Brake', Program NISA PO AKAS I adalah salah satu perusahaan transportasi besar yang ada di Jawa Timur dengan jumlah armada mencapai ratusan bus. Dengan semakin naiknya harga suku cadang, yang tidak sebanding dengan peningkatan tarif angkutan, maka dapat mempengaruhi kelangsungan hidup perusahaan. Untuk mempertahankan eksistensinya, PO AKAS 1 memandang perlu dilakukan efisiensi biaya operasional kendaraan terutama dibidang teknis. Salah satu langkah efisiensi di bidang teknis tersebut adalah berusaha melakukan inovasi untuk memperpanjang umur pakai kampas rem. Sebagaimana diketahui kampas rem adalah salah satu komponen kendaraan yang mempunyai umur pakai pendek dibanding komponen yang lain. Untuk kendaraan bus dengan jarak tempuh 600 km per hari, pengantian kampas rem harus dilakukan lebih kurang dua minggu sekali.
Apabila jumlah armada bus yang ada mencapai ratusan, maka biaya penggantian ini tidaklah kecil, apalagi dengan semakin naiknya harga suku cadang kendaraan. Diandaikan bisa memperpanjang umur pakai kampas rem dua kali lebih lama saja, maka biaya yang bisa dihemat tentu tidaklah kecil. Keausan kampas rem disebabkan karena gesekan kampas rem dengan drum brakes. Akibat pengereman berulang tanpa disertai waktu yang cukup untuk pelepasan panas, maka terjadi kenaikan temperatur drum brakes yang tinggi dan semakin tinggi. Padahal sifat karakteristik kampas rem, koefisien geseknya akan menurun dengan semakin naiknya temperatur gesekan. Untuk mengurangi tingkat keausan kampas rem, maka diusahakan kenaikan temperatur drum brakes selama pengereman sekecil mungkin. Salah satu usaha untuk itu adalah mempercepat proses pelepasan panas dengan memperlebar ukuran drum brakes. Dengan penambahan luasan 10
11 Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 Nomor 1, Mei 2001 0.12 m2 atau 41% dari ukuran standar, diperkirakan drum brakes tersebut mempunyai temperatur operasi lebih rendah sehingga penurunan koefisien gesek dapat diperkecil.
Dengan penurunan koefisien gesek kampas rem yang kecil, maka, pengereman akan lebih efektif dan tingkat keausan kampas rem akan lebih kecil.
Metode Penyelesaian Metode penyelesaian dilakukan dcngan dua cara, yaitu dengan cara : 1. Uji eksperimen lapangan Eksperimen dilakukan untuk mengetahui kenaikan temperatur selama pengereman pada drum brakes yang standar dan modifikasi, dengan cara melakukan pengukuran temperatur selama pcngereman pada drum brakes yang diuji. 2. Perhitungan Analisa perhitungan dilakukan untuk mencari distribusi temperatur selama pengereman pada drum brakes standar dan modifikasi. Untuk mencari distribusi temperatur tersebut disimulasikan data hasil eksperimen dengan program bantu NISA Heat.
Data Pengukuran Eksperimen dilakukan dengan mengacu pada SAE Recommended Practice No J 86a. Skema percobaan adalah sebagai berikut :
Hasil dari kedua metode diatas kemudian diperbandingkan.
Sungkono, Perbandingan Distribusi Tegangan
Selama dilakukan eksperimen data pengukuran yang diambil adalah : 1. Temperatur awal pengereman 2. Temperatur akhir pengereman 3. Massa kendaraan 4. Kecepatan awal pengereman 5. Kecepatan akhir pengereman 6. Waktu pengereman 7. Penyelesaian Dengan Program Nisa Heat Panas yang timbul pada gesekan kampas rem dan drum brakes, sebagian besar (± 95%) akan diserap oleh drum brakes dan selanjutaya akan dikonveksikan dengan udara luar. Jumlah panas tersebut adalah sama dengan perubahan energi kinetik dari kendaraan pada saat terjadinya pengereman. q
=
Konveksi yang terjadi pada udara luar didekati dengan eksternal pada plat datar. konveksi rata-rata bisa persamaan
12
drum brakes dan analisa konveksi harga koefisien dicari dengan
∆KE = 0,5 m (V12 – V22)
dimana: q = panas masuk drum brakes (J) ∆KE = perubahan energi kinetik (J) m = massa kendaraan (kg) V1 = kecepatan awal kenduaan (m/s) V2 = kecepatan akhir kendaraan (m/s) Penggunaan persamaaan di atas dengan merubah kecepatan pada drum brakes menjadi kecepatan translasi dengan asumsi tidak terjadi sliding. Apabila distribusi pengereman tiap roda adalah sama, maka jumlah panas yang masuk tiap drum brakes persatuan waktu adalah:
qr
=
q 4.∆t
dimana: qr = jumlah panas masuk tiap drum brakes (J/s) q = jumlah panas masuk total ∆t = waktu pengereman Jumlah laju panas masuk ke drum brakes per satuan luas:
Dimana bilangan nusselt number berbeda untuk kondisi aliran yang berbeda. o Untuk aliran laminer o Untuk aliran turbulen
13 Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 Nomor 1, Mei 2001
Untuk menentukan apakah aliran udara tersebut laminer atau turbulen digunakan Reynold Number:
Data geometris drum brakes
Bilangan Reynold kritis adalah nilai dari Rex dimana transisi terjadi, dan untuk aliran luar (external flow) bilangan tersebut diketahui 5. 10 5 Hasil Untuk perhitungan, dimisalkan kendaraan mengerem dari kecepatan awal 93 km/jam sampai berhenti dalam waktu 15 detik, temperatur awal drum brakes 5830 K dan temperatur udara luar 300o K. Asumsi yang dipakai antara lain : 1. Perpindahan panas transient 2. Radiasi diabaikan 3. Sifat-sifat material dan udara konstan 4. Suhu awal drum brakes seragam 5. Sifat udara konstan pada 341,5 oK, k =0,0293 W/m2. oK, ρ= 1,023 kg/m3 , -5 µ =1,971x10 , Pr = 0,701 N.s/m2.
Dengan memasukkan data hasil perhitungan diatas, data material dan sifat-sifat udara sebagai input program NISA Heat, maka akan didapat distribusi temperatur drum brakes seperti pada gambar 6 dan 7. Dari perhitungan dengan NISA, bisa diketahui kenaikan temperatur drum brakes selama terjadinya pengereman, seperti ditunjukkan pada grafik berikut :
Data material drum brakes : bahan = cast iron ρ = 7870 (kg/m3) k = 80.2 (WWK) Cp =447 (Jlkg 0K) Data kendaraan : lebar kampas, rem modifilcasi = 0,215 m lebar kampas rem standar = 0,19 m massa bus = 14.200 kg Gambar 5. Grafik Perbandingan Kenaikan temperatur terhadap waktu
Sungkono, Perbandingan Distribusi Tegangan
Tabel 1. Perbandingan Hasil Percobaan dan Perhitungan Temperatur pada detik ke 15 (Hasil Percobaan (Hasil Perhitungan ( 0K) ( 0K) Drum brake asli Drum brake modifikasi
510,5
506,9
473,4
467,5
14
pengereman drum brakes asli lebih tinggi dari pada drum brakes modifikasi, walaupun secara angka tidak persis sama. Hal ini dikarenakan kondisi lapangan berbeda dengan analisa. Pada kondisi lapangan peletakan alat ukur termocouple tidak persis di permukaan gesekan (terdapat celah), disamping itu pada kondisi analisa diambil asumsi-asumsi seperlunya untuk memudahkan analisa. Kesimpulan Dari penelitian ini bisa diambil kesimpulan : 1. Dengan memperlebar drum brakes dan kampas rem, dapat menurunkan temperatur kerja pengereman. 2. Dengan turunnya temperatur kerja pengereman, maka harga koefisien gesek tidak turun terlalu besar, sehingga efektifitas pengereman lebih baik. 3. Dengan menjaga koefisien gesek tidak turun terlalu besar, maka keausan kampas rem menjadi lebih rendah.
Dari gambar 5, 6 dan 7 di atas tampak bahwa kenaikan temperatur permukaan gesek pada drum brakes modifikasi lebih rendah daripada drum brakes standar. Dengan lebih rendahmya tingkat kenaikan temperatur drum brakes, maka keausan kampas rem akan lebih rendah. Disamping telah dibuktikan secara analitis di atas, keunggulan drum brakes modifikasi tclah dibuktikan dilapangan, dimana dari hasil percobaan diperoleh hasil yang sama dimana temperatur akhir
Referensi [1] Crouse William, 1971, “Automotive Chasis and Body”. Fourth Edition, Mc Graw- Hill Book Company. [2] Desai Chandrakant S, 1979, “Dasar-dasar Metode Elemen Hingga”, Prentice Hall, Inc. [3] Incropera F. P. & Dewit D. P. , 1990, “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, Third Edition, John Wiley & Sons, New York. [4] Display II users manual, 1990, Engineering Mechanics Research Corporation. [5] NISA II users manual, 1989, Enginering Mechanics Research Corporation. [6] Ottosen Niels Saabye, 1992, “Introduction to the Finite Element Method”, Prentice Hall International (UK) Ltd. [7] Schulz E. J. , 1982, “Diesel Equipment I” MeGraw-Hill Book Company, [8] Stock-cl Martin Wall, 1974, “Auto Mechanics Fundamentals”, The Goodheart-Willcox Co. Inc. [9] Wcbster Jay, 1987, “Automotive Suspension, Steering and Brakes”, Delmar Publisher Inc.
