10  

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).

Gambar 2. 1 Kereta penggerak tunggal (a), multiple units (b)

a b 

11  

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 kelebihan-

kelebihan 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]

12  

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.

13  

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.

14  

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.

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:

X

 

Ga

Siste

pemodelan

II.2 Mat

Mat

lebih mat

tersebut a

daripada m

ambar 2. 4 B

em batang

n sebagai be

Gambar 2

terial Kom

erial Komp

erial dalam

akan meng

material pen

Batang-batan

penghubun

erikut:

2. 5 Penyed

posit

posit adalah

m skala mak

ghasilkan k

nyusunnya.

ng penghubu

ng tersebut

derhanaan m

h material

kroskopik (

kualitas ko

Kelebihan t

ung yang terd

dapat dised

model sistem

yang terdir

(Robert M.

omposit ter

tersebut ada

dapat pada se

derhanakan

pengereman

ri dari kom

1995). Kom

rsebut men

alah:

 

etiap roda

n menjadi s

n

mbinasi dua

mbinasi ma

njadi lebih

15 

sistem

a atau

aterial

baik

16  

Kekuatan Umur fatigue

Kekakuan Berat

Ketahanan terhadap korosi Isolasi termal

Tahan aus 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):

17  

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.

18  

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:

19  

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 performa

Mobil dan truk 1908

Molded brake lining dengan serat chrysotile, partikel kuningan, dan low-ash bituminous coal

Mobil dan Truk 1926

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:

20  

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. (2) bersifat abrasif

Nicholson (1995)

Oksida besi Hematite (Fe2O3) dan magnetite (Fe3O4) dapat berfungsi sebagai mild abrasive. Nicholson (1995)

Quartz Partikel mineral (SiO2) Erikson (2000) Silika Ditambahkan dalam bentuk alami maupun sintetis Hooton (1969) Zirconium silicate (ZrSiO4) 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

Antimony trisulfide Pelumas padat yang ditambahkan untuk meningkatkan kestabilan gesekan; kondisi operasi pelumasan di atas 450oC; Sb2S3 dapat bersifat racun.

Jang (2000); Nicholson {1995)

Karbon (grafit)

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.

Nicholson (1995), Spurr (1972), NABCO (1984)

Kuningan Typ. 62% Cu – 38% Zn, meningkatkan koefisien gesek basah; merupakan bahan tambahan yang biasa digunakan.

Nicholson (1995)

Keramik “microsphere”

Produk yang terdiri dari alumina-silica dengan kandungan oksida besi dan titanium; ukuran partikelnya 10-359 mikrometer; mampu mengontrol koefisien gesek. Mullite,

PQ Corporation (1993)

21  

dengan susunan 3Al2O3-2SiO2 biasa digunakan di industri rem secara meluas sebagai material gesek.

Tembaga Digunakan sebagai serbuk untuk mengontrol aliran panas tetapi dapat menyebabkan keausan besi cor yang berlebihan.

Nicholson (1995)

Friction dust

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.

Nicholson (1995)

Friction powder Terdiri dari spons Fe (Fe Sponge). Kekerasan, kuantitas dan ukuran partikel dari serbuk besi dapat menentukan karakteristik performansi pengereman yang diinginkan.

Hoegenaes (1990)

Oksida timah PbO merupakan friction modifier tetapi bersifat racun. Hoegenaes (1990)

Metal-fluxing compounds

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.

Hooton (1969)

Oksida logam Magnetit Fe3O4 dapat meningkatkan koefisien gesek pada keadaan dingin,; ZnO untuk fungsi lubrikasi; Cr2O3 berfungsi untuk meningkatkan koefisien gesek.

Nicholson (1995)

Bermacam-macam sulfida-logam

CuS, Sb2S3, PbS digunakan untuk menjaga kestabilan koefisien gesek rem.

Gudmand-Hoyer, 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 lain-

22  

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 Keterangan

Serat Gelas 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 Serat organik seperti serat sabut kelapa, serat tumbuh-tumbuhan, serat kayu dapat digunakan sebagai material penguat.

Kevlar Lebih kuat dan ulet dibanding serat gelas, dengan ketahanan terhadap temperatur tinggi yang lebih baik. Material ini tergolong mahal.

23  

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

Antioksidan berfungsi untuk menjaga ketebalan lapisan oksida pada blok rem pesawat. Jumlah antioksidan yang terlalu banyak akan menyebabkan koefisien gesek yang tidak stabil.

Hooton (1969)

Asbestos

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).

Spurr (1972). Rhee (1974), Nicholson (1995)

Barium sulfat

BaSO4 bersifat inert. Filler ini dapat meningkatkan kerapatan massa rem komposit serta dapat meningkatkan ketahanan aus rem komposit. Stabil pada temperatur tinggi.

Nicholson (1995)

Kalsium karbonat

Kalsium karbonat dapat digunakan sebagai pengganti barium sulfat karena lebih ekonomis. Filler ini tidak stabil pada temperatur tinggi

Nicholson (1995)

Cashew nut shell oil

Mengurangi suara yang dihasilkan pada saat pengereman. Nicholson (1995)

Kapas Fiber yang diperkuat untuk matriks. Spurr (1972)

Fiber-mixed oxide

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

Sloss

Limestone Ca(OH)2 digunakan untuk menghindari korosi akibat penambahan additive Fe dan membantu untuk meningkatkan temperatur fading.

Nicholson (1995)

Potassium titanat

Material pengisi yang inert dapat digunakan sebagai insulator dan dapat menggantikan asbestos. Jang (2000)

Karet, nitrile

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.

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.

24  

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:

25  

Gambar 2. 9 Flowchart dalam proses desain[5]

DESIGN PROBLEM

S T A R T

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

DESIGN DETAILS

PRODUCTION, TESTING, AND PROTOTYPE DEVELOPMENT

F I N I S H

yes

NO 

 

II.5 Pen

Di d

Hal terseb

adalah str

saling mem

Dari

Untuk m

dilakukan

bagian, ya

1

2

3

4

gujian Mek

dalam ilmu

but menjadi

ruktur, sifat

mpengaruhi

Gam

i ketiga kon

engetahui

adalah pen

aitu:

1. Sifat Me

Kekuata

koefisien

2. Sifat Fis

Titik cai

3. Sifat Ki

Ketahan

4. Sifat Te

Mampu

kanik

material, te

konsep das

t dan prose

i satu sama

mbar 2. 10

nsep terseb

sifat-sifat

ngujian mat

ekanik

an tarik, ke

n gesek, dan

sik

ir, koefisien

imiawi

nan korosi

eknologi

bentuk, ma

erdapat tiga

sar dari ilm

s. Ketiga h

lain.

Tiga konsep

but, hal yan

yang dipun

erial. Pengu

ekuatan pu

n sebagainy

n muai, bera

ampu las, m

hal yang p

mu material.

hal dasar ter

p dasar ilmu m

ng akan dib

nyai oleh

ujian materi

untir, kekak

ya.

at jenis

mampu mesin

enting dan

Tiga konse

rsebut salin

material[9]

bahas adala

material, h

ial dibagi m

kuan, keule

n

saling berk

ep dasar ter

ng berkaitan

ah sifat mat

hal yang

menjadi beb

etan, keker

26 

kaitan.

rsebut

n dan

terial.

harus

berapa

rasan,

27  

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

28  

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.

29  

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:

(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 :

(2.2)

Dengan:

P : beban yang bekerja L : panjang sesimen

σI

=

P L h( ) ( )4 2

σ

12

=

PL L( )( )4 2

3bh

30  

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]

31  

Rumus perhitungan tegangan (stress) maksimal:

.F Aσ = (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:

/L Lε = Δ (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 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

32  

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:

Nf .μ= (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:

 

Gam

pembeban

Titikmesin uji tempat dimerupakan

Anapada spesitersebut m

Perh

Ga

mbar beriku

nan pada spe

Gam

k A merupagesek dengimana terjan tempat ba

alisis ini dimimen uji jik

maka dilakuk

∑ F

∑ M

hitungan pem

∑ M

BN =

A 

NA

ambar 2. 17

ut adalah s

esimen uji.

mbar 2. 18

akan titik tumgan mengguadi pembeatang AC dimaksudkan ka dilakukankan perhitun= 0F = 0M

mbebanan y100 ⇔=AM

CW7,2=

7 Mesin uji g

skema geo

Skema dime

mpu batangunakan samb

banan padiberi beban.untuk mengn pembebanngan denga

yang terjadi.00 −BNmm

B 

NB

gesek

ometri batan

ensi pada bat

g AC yang dbungan eng

da spesimen getahui besanan pada titian menggun

i adalah seb.270− CWmm

ng yang d

tang carrier[10

dihubungkasel. Pada titn uji. Sed

ar pembebaik C. Untukakan persam

agai beriku0=C

Batang pe

Spesimen

Piringan G

digunakan u

0]

an dengan ratik B merup

dangkan tit

anan yang tek mengetahumaan beriku

ut:

emegang (ca

n

Gesek

C

33 

untuk

angka pakan tik C

erjadi ui hal ut ini.

(2.6)

(2.7)

(2.8)

arrier)

C 

Wc

34  

NB dan WC dalam N.

Jika besar Nb dan Wc diketahui, maka besar koefisien gesek dapat diketahui

dengan menggunakan persamaan:

Nbfc

=μ

(2.9)

Besarnya fc dapat diketahui dari hasil keluaran alat uji.