34
Modeling dan Simulasi Transient Thermal pada Rem
Cakram Sepeda Motor
Agus Sukandi
1, Keni Anggi Prayoga
2, Kurniadi Rasyid
31 Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Jakarta, Jl. Prof. G.A. Siwabessy, Kampus UI, Depok 16425 1,2,3 Program Studi Teknik Mesin, Institut Teknologi Indonesia, Jl. Raya Puspiptek Serpong 15320
Abstrak
Rem suatu piranti untuk memperlambat atau menghentikan gerakan roda yang berputar. Gerak roda diperlambat otomatis gerak kendaraan menjadi lambat. Kondisi ini sangat berpotensi menimbulkan kecelakaan yang fatal. Panas lebih sering terjadi pada rem jenis cakram karena permukaan pemindah panasnya kurang proporsional, pada beban pengeraman yang tinggi. Panas rem cakram memiliki efek pengereman yang besar, tetapi luas bidang pemindahan panasnya relatif kecil, Pendekatan eksperimental telah digunakan untuk mengukur frekuensi rem. Dimana dalam analisa memasukkan laju aliran temperature 110 °C, convention 50 w/m2 °C, heat flow 80 w, heat flux 90 w/m2 pada disc brake modifikiasi sedangkan disc brake standard mendapatkan aliran temperature 100°C dengan heat flux 8,4649 x 105 w/m2 dan di dapatkan Q1 dengan nilai 117.15 w dengan kecepatan 50 km/jam sedangkan Q2 dengan nilai 138.61 w dengan kecepatan 70 km/jam menggunakan perhitungan analitik, serta analisa ini diharapkan dapat menjadi masukan yang baik untuk struktur disc brake yang sudah dibuat maupun yang akan dikembangkan baik dalam proses pembuatan maupun pemilihan material.
Kata-kata kunci: kendaraan, rem cakram, transient thermal, perpindahan panas
Abstract
Brake is a device to slow down or stop the movement of a spinning wheel. Wheel movement is automatically slowed down. This condition is very potentially fatal. Heat is more common on disc brakes because the surface of the heat transfer is disproportionate, at high incubation loads. The heat of the disc brakes has a large braking effect, but the area of the heat transfer field is relatively small, An experimental approach has been used to measure the frequency of the brakes. Where in the analysis include temperature flow rate 110 ° C, convention 50 w / m2 ° C, heat flow 80 w, heat flux 90 w / m2 on a modified disc brake while the standard disc brake obtains a temperature flow of 100 ° C with heat flux 8,4649 x 105 w / m2 and obtained Q1 with a value of 117.15 w with a speed of 50 km / h while Q2 with a value of 138.61 w with a speed of 70 km / h using analytical calculations, and this analysis is expected to be a good input for the disc brake structure already made and that will be developed both in the process of making and selection of materials.
Keywords : vehicle, disc brake, thermal transient, heat transfer
35
1. PENDAHULUAN
Rem merupakan salah satu dari bagian kendaraan yang mempunyai peranan penting untuk kenyamanan dan keselamatan pengendara sepeda motor. Pada dasarnya rem mempunyai fungsi untuk memperlambat dan mengatur gerakan suatu putaran. Adapun rem yang digunakan harus memenuhi syarat dapat bekerja dengan baik dan cepat, dapat dipercaya dan mempunyai daya tekan yang cukup, mudah diperiksa dan disetel. Ketika digunakan secara terus menerus, maka rem dapat mengalami kerusakan akibat dari terjadinya panas berlebih (over heating).
Rem adalah suatu piranti untuk memperlambat atau menghentikan gerakan roda yang berputar. Gerak roda yang diperlambat otomatis gerak kendaraan menjadi lambat. Fungsi rem adalah menyerap baik energi kinetik dari bagian yang bergerak atau energi potensial yg ditimbulkan oleh komponen lain, Prinsip kerja rem cakram pada dasarnya adalah dengan membuat gaya gesek antara piringan cakram yang terhubung dengan roda kendaraan dengan disc breake pada yang ditekan oleh piston, secara umum sama dengan rem tromol yaitu menggunakan bahan friksi pada sepatu rem untuk mengurangi atau menghentikan laju kendaraan [1]. Panas yang berlebihan juga dapat terjadi dalam waktu yang relatif singkat. Misalnya, ketika kendaraan berat melakukan pengereman secara mendadak. Pada kondisi tersebut perbedaan antara laju panas yang diterima dan panas yang berhasil dibuang oleh rem sangat besar. Sehingga, suhu komponen rem meningkat sampai suhu yang berlebihan dalam waktu yang relatif cepat. Kondisi ini sangat berpotensi menimbulkan kecelakaan yang fatal. Secara fisik, panas lebih sering terjadi pada rem jenis cakram karena permukaan pemindah panasnya kurang proporsional, khususnya untuk beban pengeraman yang tinggi.
Sistem rem dalam suatu kendaraan termasuk sistem yang sangat penting karena berkaitan dengan faktor keselamatan berkendara. Sistem rem berfungsi untuk memperlambat dan atau menghentikan kendaraan dengan cara mengubah tenaga kinetik/gerak dari kendaraan tersebut menjadi tenaga panas. Perubahan tenaga tersebut diperoleh dari gesekan antara komponen bergerak yang dipasangkan pada roda sepeda motor dengan suatu bahan yang dirancang khusus tahan terhadap gesekan. Gesekan (friction) merupakan faktor utama dalam pengereman.
Perpindahan panas pada rem cakram dalam kondisi steady dapat menggunakan salah satu perangkat lunak
(software) pada komputer yaitu Ansys Steady State Thermal 17.0 dengan analisa parameter temperature 120°C, heat flux 300 w/m2, radiasi 300°C, dimana hasil analisa diperoleh bahwa disc yang dimodifikasi (lubang udara
pada disk kemiringan 45°) terdapat penurunan suhu sebesar 0,07°C dibandingkan dengan disc standar. Dari penelitian – penelitian yang sudah dan dilakukan sebelumnya diketahui banyak metode yang digunakan bahwa lubang – lubang pada cakram dan udara alami dapat mempengaruhi proses cepat pendinginan. Maka penelitian yang saya ambil yaitu pengaruh variasi perubahan temperatur pada rem cakram (disc) dengan menggunakan
software 17.0 steady state thermal terhadap laju pendingin udara alami.
Perpindahan panas lebih sering terjadi pada jenis rem cakram karena rem cakram memiliki efek pengereman yang besar, tetapi luas bidang pemindahan panasnya relatif kecil. Selain terjadi over heating juga akan menurunkan koefisien gesek kampas rem secara drastis. Begitu besarnya pengaruh temperatur pada kerusakan rem cakram membuat analisa perpindahan panas pada rem cakram merupakan masalah yang sangat penting dalam mendesain sebuah rem cakram. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui perpindahan panas yang terjadi pada rem cakram menggunakan simulasi software komputer (transient thermal).
Mengetahui besaran gaya yang terjadi pada rem cakram untuk kendaraan mini buggi dengan analisis perhitungan dari komponen rem dengan pembebanan pedal 1kgf, 2kgf, 3kgf, 4kgf, 5kgf, 6kgf, 7kgf, 8kgf, 9kgf dan 10kgf. Besar diameter master silinder 19,20 mm, yang berfungsi untuk mengubah gerak pedal rem kedalam tekanan hidrolik, diameter silinder cakram 32,95 mm dan perbandingan tuas pedal 3,01. Menunjukan semakin besar pembebanan pedal rem maka gaya yang menekan master rem (Fk), gaya tekanan minyak rem (Pe), gaya yang menekan pad rem (Fp), dan gaya gesek pengereman (Fμ) akan semakin besar, sedangkan semakin besar gaya yang menekan pedal rem maka jarak waktu pengereman akan semakin kecil. Tujuan dalam penelitian ini: Untuk mengetahui nilai laju perpindahan panas transient thermal saat pengereman, mengetahui pengaruh modifikasi dan laju perpindahan panas transient thermal, mengetahui design disc brake modifikasi.
2.
LANDASAN
TEORI
Definisi PengeremanPengertian rem secara umum adalah suatu sistem yang bekerja untuk memperlambat atau menghentikan perputaran. Prinsip kerja sistem rem adalah mengubah tenaga kinetik menjadi panas dengan cara menggesekan dua buah logam pada benda yang berputar sehingga putarannya akan melambat, dengan demikian laju kendaraan menjadi pelan atau berhenti dikarenakan adanya kerja rem. Sistem rem pada kendaraan merupakan
36 suatu komponen penting sebagai keamanan dalam berkendara, tidak berfungsinya rem dapat menimbulkan bahaya dan keamanan berkendara jadi terganggu. Oleh sebab itu komponen rem yang bergesekan ini harus tahan terhadap gesekan (tidak mudah aus), tahan panas dan tidak mudah berubah bentuk pada saat bekerja dalam suhu tinggi. Sepatu rem dipasang pada bagian roda yang tidak berputar pada roda yang disebut hub, hub ini diperkuat dengan jalan dipasang sebuah batang logam yang dibaut pada bagian rangka (frame), batang logam ini dapat mencegah bagian hub turut berputar disaat sedang dilakukan pengereman roda. Hub dilengkapi dengan anchor pin dan cam (bubungan), sepatu rem ditempatkan diantara anchor pin dan cam ini, dengan diperkuat dengan dua buah pegas yang dipasang pada masing-masing sepatu rem. Pegas ini berguna untuk mengembalikan posisi sepatu rem setelah proses pengereman roda selesai, disamping itu juga untuk memperkuat kedudukan sepatu rem pada bagian hub roda [2].
Deskripsi Rem Tromol Pada rem tromol
Penghentian atau pengurangan putaran roda dilakukan dengan adanya gesekan antara pirado sepatu rem dengan tromolnya, cara kerjanya adalah sebagai berikut: Pada saat tuas rem tidak ditekan sepatu rem dengan tromol tidak saling kontak. Tromol rem berputar bebas mengikuti putaran roda, tetapi pada saat tuas rem ditekan lengan rem memutar cam pada sepatu rem sehingga sepatu rem menjadi mengembang dan piradonya bergesekan dengan tromol. Akibatnya, putaran tromol dapat ditahan atau dihentikan. Ditunjukan pada Gambar 1 sebagai berikut:
Gambar 1. Rem Tromol/ Drum brake
Kanvas Rem
Sistem rem berfungsi untuk memperlambat atau menghentikan laju kendaraan saat berjalan. Proses ini terjadi dengan memanfaatkan gesekan antara komponen bergerak yang dipasangkan pada roda dengan suatu bahan yang dirancang khusus tahan terhadap gesekan. Komponen yang dirancang dengan bahan khusus tersebut ialah kanvas rem. Gesekan pada kanvas rem (friction) merupakan faktor utama dalam pengereman. Oleh karena itu komponen ini dibuat harus mempunyai sifat bahan yang tidak hanya menghasilkan gesekan yang besar, tetapi juga harus tahan terhadap gesekan dan tidak menghasilkan panas yang dapat menyebabkan bahan tersebut meleleh atau berubah bentuk. Pada umumnya bahan baku kanvas rem ialah asbestos dengan komposisi. Di tunjukan pada Gambar 2 sebagai berikut:
37
Asbestos 40 s/d 60 %, resin 12 s/d 15%, BaSO4 14 s/d 15%, sisanya karet ban bekas, tembaga sisa kerajinan
dan frict dust. Bahan baku kanvas rem non asbestos: aramyd atau kevlar, rockwool, fiberglass,
potasiumtitanate, carbonfiber, graphite, celullose, vemiculate, steelfiber, BaSO4, resin phenolic, nitrile butadine rubber. Bentuk profil kanvas rem tergantung jenis sistem rem yang digunakan, adapun jenis sistem
rem yang umum digunakan ialah sistem rem tromol, rem cakram dan lain-lain. [3]
Proses CFD
Kode CFD (Computational Fluid Dynamics) disusun dengan menggunakan algoritma numerik yang dapat mengatasi masalah aliran fluida. Secara garis besar proses kerja pada software Komputer dapat dibedakan menjadi 3 jenis, yaitu pre processing, processing, dan post processing. Ditunjukan pada Gambar 3 sebagai berikut:
Gambar 3. Proses pada Software computer
Processing
Processing merupakan proses kedua dari CFD, didalam tahap ini akan dilakukan penentuan kondisi batas (boundary condition) dan pemilihan metode inisiasi. Dalam penentuan kondisi batas akan dimasukkan nilai
dari parameterparameter yang dibutuhkan, adapun parameter yang termasuk kondisi batas adalah:
1. Velocity inlet. Digunakan untuk mendefinisikan kecepatan aliran dan besaran skalar lainnya pada sisi masuk aliran. Kondisi batas ini hanya digunakan untuk aliran inkompresibel.
2. Mass flow inlet. Pada kondisi batas ini harus dimasukkan data laju aliran massa atau fluks massa,
temperature fluida (apabila mengaktifkan persamaan energi), tekanan gauge pada sisi masuk, arah aliran,
dan besaran turbulensi.
3. Pressure inlet. Pada Pressure inlet akan dimasukkan data tekanan total (absolute), tekanan gauge,
temperatur, arah aliran, dan besaran turbulen.
4. Pressure outlet. Pada Kondisi batas ini dipakai pada sisi keluar fluida dan data tekanan pada sisi keluar diketahui atau minimal dapat diperkirakan mendekati sebenarnya. Pada kondisi batas ini harus dimasukkan nilai tekanan statik, temperatur aliran balik (backflow), dan besaran turbulen aliran balik. 5. Outflow. Kondisi batas ini digunakan apabila data aliran pada sisi keluar tidak diketahui. Data pada sisi
keluar diekstrapolasi dari data yang ada pada aliran sebelum mencapai sisi keluar.
6. Pressure far-field. Kondisi batas ini digunakan untuk memodelkan aliran kompresibel, besaran yang harus dimasukkan nilainya adalah tekanan gauge, bilangan March, temperatur aliran, arah aliran dan besaran turbulensi pada sisi keluar.
Post Processing
Post processing merupakan tahapan terakhir dari proses CFD, pada tahapan ini akan ditampilkan hasil dari
proses perhitungan dari kondisi batas dan metode solver yang digunakan. Dalam post processing dapat memberikan tampilan grafis yang menunjukkan mesh, kontur, vektor dan pathline.
1. Displaying Mesh
Displaying Mesh digunakan untuk menampilkan mesh pada model yang sedang dikerjakan pada saat setup
kondisi batas atau pada saat memeriksa solution. 2. Displaying Contours dan Profiles
Pada menu display ini akan ditampilkan bentuk kontur dan profil dari model yang sedang diteliti. Kontur dan profil yang ditampilkan dapat berupa tekanan, temperatur ataupun kecepatan.
38 Pada menu display ini akan ditampilkan bentuk vektor dari model yang sedang diteliti. Vektor yang ditampilkan dapat berupa tekanan, temperatur ataupun kecepatan.
4. Displaying Pathlines
Pathlines digunakan untuk memvisualisasikan aliran partikel tak bermassa yang menjadi domain
permasalahan.
Kelebihan Rem Cakram
Rem cakram dapat digunakan dari berbagai suhu, sehingga hampir semua kendaraan menerapkan sistem rem cakram sebagai andalannya. Selain itu rem cakram tahan terhadap genangan air sehingga pada kendaraan yang telah menggunakan rem cakram dapat menerjang banjir. Kemudian rem cakram memiliki sistem rem yang berpendingin di luar (terbuka) sehingga pendinginan dapat dilakukan pada saat mobil melaju, ada beberapa cakram yang juga dilengkapi oleh ventilasi (ventilated disk) atau cakram yang memiliki lubang sehingga pendinginan rem lebih maksimal digunakan. Kegunaan rem cakram banyak dipergunakan pada roda depan kendaraan karena gaya dorong untuk berhenti pada bagian depan kendaraan lebih besar dibandingkan di belakang sehingga membutuhkan pengereman yang lebih pada bagian depan. Namun saat ini telah banyak mobil yang telah menggunakan rem cakram pada keempat rodanya, terutama jenis mobil sedan.
Kekurangan pada rem
Cakram Rem cakram yang sifatnya terbuka memudahkan debu dan lumpur menempel, lama kelamaan lumpur / kotoran tersebut dapat menghambat kinerja pengereman sampai merusak komponen pada bagian caliper seperti piston bila dibiarkan lama. Oleh sebab itu perlu dilakukan pembersihan sesering mungkin. Bila anda biasa beredar di wilayah perkotaan, kendala seperti ini tidak perlu dikhawatirkan.
Cara kerja rem cakram
Saat tangkai rem atau pedal digerakkan, master silinder mengubah gaya yang digunakan kedalam tekanan cairan. Master silinder ini terdiri dari sebuah reservoir yang berisi cairan minyak rem dan sebuah silinder yang mana tekanan cair diperoleh. Piston di dalamnya akan mengatasi kembalinya spring, menutup port kembali dan bergerak lebih jauh. Tekanan cairan dalam master silinder meningkat dan cairan melalui hose akan menggerakkan caliper. Saat tangkai rem dilepaskan/dibebaskan, piston tertekan kembali ke reservoir lewat port kembali (lubang kembali) [8].
Adapun keuntungan dari menggunakan rem cakram (Disc Brake) adalah sebagai berikut:
1) Panas akan hilang dengan cepat karena rem cakram memiliki sistem berpendingin di luar (terbuka), sehingga pendinginan dapat dilakukan pada saat kendaraan melaju.
2) Tidak akan ada kekuatan tersendiri seperti rem sepatu yang utama pada saat dua buah rem cakram digunakan, tidak akan ada perbedaan tenaga pengereman pada kedua sisi kanan dan kiri dari rem. Sehingga sepeda motor tidak mengalami kesulitan untuk tertarik ke satu sisi.
3) Jika rem basah, maka air tersebut akan akan dipercikkan keluar dengan sendirinya oleh gaya sentrifugal.
Software komputer
Software computer yang digunakan adalah ANSYS yaitu sebuah software analisis elemen hingga dengan kemampuan menganalisa dengan cakupan yang luas untuk berbagai jenis masalah . ANSYS mampu memecahkan persamaan differensial dengan cara memecahnya menjadi elemen-elemen yang lebih kecil. Pada awalnya program ini bernama STASYS (Structural Analysis System), kemudian berganti nama menjadi ANSYS yang ditemukan pertama kali oleh Dr. John Swanson pada tahun 1970. ANSYS juga merupakan computer aided engineering (CAE) yang dikembangkan oleh ANSYS, Inc. Perusahaan tersebut telah mengembangkan banyak produk CAE. Program Ansys memiliki dua tingkatan dasar yang ditunjukkan saat awal memulai ansys: tingkat awal dan tingkat prosesor
ANSYS merupakan tujuan utama dari paket permodelan elemen hingga untuk secara numerik memecahkan masalah mekanis yang berbagai macam. Masalah yang ada termasuk analisa struktur statis dan dinamis (baik
linear dan non-linear), distribusi panas dan masalah cairan, begitu juga dengan ilmu bunyi dan masalah elektromagnetik. Teknologi ANSYS mekanis mempersatukan struktur dan material yang bersifat non-linear.
ANSYS multiphysic juga mengatasi masalah panas, struktur, elektromagnetik, dan ilmu bunyi. Program ANSYS dapat digunakan dalam teknik sipil, teknik listrik, fisika dan kimia. [5]
39
Ansys Workbench Environment
Ansys Workbench menyediakan metode yang memungkinkan untuk berinteraksi dengan Ansys family solver. Workbench environment memberikan integrasi yang unik dengan sistem CAD. Ansys Workbench terdiri
dari berbagai aplikasi:
1) Mechanical; untuk melakukan analisa struktur dan termal menggunakan solver Ansys. Meshing juga termasuk dalam aplikasi mechanical.
2) Fluid Flow (CFX); untuk melakukan analisa CFD menggunakan CFX.
3) Fluid Flow (FLUENT); untuk melakukan analisa CFD menggunakan FLUENT.
4) Geometry (Design Modeler); untuk membuat geometri dan menyiapkan model solid yang digunakan dalam aplikasi Mechanical.
5) Engineering Data; untuk mendifinisikan sifat-sifat material.
6) Meshing Application; untuk menghasilkan mesh CFD dan Explicit Dynamics. 7) Design Exploration; untuk analisa optimasi.
8) Finite Element Modeler (FE Modeler); untuk menterjemahkan mesh. NASTRAN dan ABAQUS agar dapat digunakan di Ansys Workbench.
9) BladeGen (Blade Geometry); untuk membuat geometri sudu.
10) Explicit Dynamics; untuk simulasi explicit dynamics dan menampilkan pemodelan nonlinear.
Deskripsi Rem Cakram (Disc brake)
Rem cakram terdiri dari piringan yang dibuat dari metal, piringan metal ini akan dijepit oleh kanvas rem
(brake pad) yang didorong oleh sebuah torak yang ada didalam 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 hydraulic terdiri dari master silinder, silinder roda, reservoir untuk tempat oli rem dan komponen penunjang lainnya. [4]
Secara singkat sistem kerja rem ini adalah sebagai berikut: Ketika handle rem ditarik, bubungan yang terdapat pada handle rem depan akan menekan torak yang terdapat di dalam master silinder. Torak ini akan mendorong oli rem ke arah saluran oli, yang selanjutnya masuk kedalam ruangan pada silinder roda. Pada bagian torak sebelah luar dipasang kanvas yang disebut brake pad, brake pad ini akan menjepit piringan metal dengan memanfaatkan gaya/ tekanan torak kearah luar yang diakibatkan oleh tekanan oli rem tadi. Jadi keunggulan sistem hydraulic adalah dengan hanya membuang sedikit tenaga untuk menekan torak yang ada didalam master silinder, akan didapat tekanan yang cukup besar pada bagian silinder roda.
Ketika proses pengereman roda telah selesai, berarti torak pada master silinder akan mundurkembali dengan bantuan pegas yang terdapat didalam master silinder, akibatnya ruangan didalammaster silinder akan melebar dan oli yang tadi ditekan pada silinder roda akan mengalir kembalikedalam master silinder. dijaga agar pada rangkaian saluran oli remnya tidak terdapat udara, olehsebab itu maka pada bagian silinder rodanya selalu dilengkapi dengan baut untuk membuang udara. Di lihat pada Gambar 4 sebagai berikut: Yang terpenting pada rem dengan sistem hydraulic.
Gambar 4. Rem cakram (Disc Brake)
Untuk menyeimbangi pembebanan pada rem cakram, blok rem diletakkan di antara kedua sisi cakram dan untuk mendinginkan cakram yang panas akibat gesekan saat pengereman, dibuat lubang-lubang kecil pada cakram dimana udara sebagai pendingin dapat mengalir melalui lubang tersebut [6]
40
3. METODE
PENELITIAN
Diagram AlirGambar 5 Diagram Alir Penelitian
selesai
Mulai
Studi liliteratur
Parameter
• Geometry
• Bentuk disc
• Dimensi disc
Analisa parameter
-
Laju aliran
-
Temperature 110
°C
-
Convention 50 w/m
2 °C
-
Heat flow 80 w
Analisa
Kesimpulan dan saran
SolveTemperatur Total heat
flux imensional heat flux
Meshing Set-up,
Automatic solution
NO
41
Material Model
Pada Engineering Data ditentukan karakteristik material yang digunakan dari sebuah sistem yang akan dianalisis. Karakteristik dari kanvas rem cakram yang digunakan merupakan karakteristik kanvas rem. Namun untuk kanvas rem didapat 2 jenis karakteristik, yaitu nilai densitas dan nilai kekuatan tekan. Untuk melengkapi
Engineering Data yang akan di simulasikan, diambil data karakteristik dari penelitian K. Jenis karakteristik
yang di-input merupakan jenis karakteristik standar untuk material Non Linier pada Ansys 17.0. Transient
Thermal. Engineering Data untuk material kanvas rem yang akan di simulasikan ditunjukkan pada Tabel 1
sebagai berikut:
Table 1. Engineering Data Material Kanvas Rem pada Simulasi
Properties Nilai
Thermal conductivity (asbes) 2,06 w/mk
Density (palm slag) 2690 kg/m3
Specific heat (asbes) 691 J/kg.°K
Poisson's ratio (asbes) 0,25
Thermal expansion (asbes) 1,0 (10-5/°C)
Elastic modulus (asbes) 14,25 GPa
Coefficient of friction (asbes) 0,2
Compressive ultimate strength (palm slag) 76,2 MPa
Kondisi Batas
Prinsip kerja kanvas rem yaitu memperlambat dan menghentikan putaran poros atau roda dari kendaraan, dimana kanvas rem mendapat gesekan pada permukaan kontaknya karena diberi tekanan saat melakukan pengereman. Kondisi batas dari simulasi kanvas rem cakram yang dilakukan yaitu piringan cakram diberikan putaran dengan nilai tertentu pada arah sumbu –X dan kedua kanvas rem dilakukan penekanan secara bersamaan Koneksi antar geometri kanvas rem pada sistem simulasi yang di-input kedalam Ansys 17.0.
Transient Thermal yaitu dengan tipe frictional menggunakan nilai koefisien gesek sebesar 0,2. Frictional
merupakan gesekan yang terjadi pada sebuah produk dengan memberikan nilai koefisiennya. Kontak yang terjadi yaitu antara permukaan kanvas rem dengan permukaan piringan cakram [7]
Meshing
Meshing pada kanvas rem yang digunakan yaitu tipe Triangular. Secara umum untuk ukuran mesh yang
digunakan pada software komputer. Transient Thermal dilakukan otomatis (default size), namun pada bagian-bagian yang mengalami kontak dan rentan (mengalami tegangan yang besar) seperti pada permukaan kontak kanvas rem digunakan refinement 2 kali seperti ditunjukkan pada Gambar 6. sebagai berikut:
42
4. PEMBAHASAN DAN ANALISA
Perhitungan AnalitikPada Gambar 7. merupakan penampang disc brake dimana terlihat skema gaya, disc brake dalam bentuk
standard sebagai berikut:
Gambar 7. Skema Gaya Disc Brake
Pada Gambar 7 merupakan skema gaya disc brake memperlihatkan arah T1 dan T2 merupakan arah pengereman pada disc brake, Dalam perhitungan laju perpindahan panas pada disc brake digunakan perhitungan pada kondisi transient thermal.data-data yang dimasukan antara lain sebagai berikut:
➢ V1 = 50 km/jam ➢ V2 = 70 km/jam ➢ V3 = 90 km/jam ➢ V4 = 110 km/jam ➢ L = 0,26 m ➢ tplat = 110°C 110+27 2 = 68,5°C → 70°C ➢ tudara = 27°C
Dari tabel pada 70°C:
➢ ρ = 1,028 kg/m3 ➢ k = 0,02881 W/m.°C ➢ ν = 1,995 x 10-5 m2/s ➢ Pr = 0,7177 Perhitungan Analitik 1. Kecepatan (V1)
V1 = 50 𝑘𝑚 jam. 1000 3600 = 13,8 m/s Re = 𝑉𝐿ν = 13,8 .0,26 1,995 𝑥 10−5 = 1,798 x 105
Bentuk plat data Re < 5.105 → laminar Re > 5.105 → turbulen
➢ Nusselt (Nu) = 0,664 (Re)1/2 (Pr)1/3 = ℎ𝐿
k = 0,664 (1,798 x 105)1/2 (0,7177)1/3 = 0,664 . 424,02 . 0,905 = 254,80 ➢ h = 𝑁𝑢 𝑥 𝑘 L = 254,80 𝑥 0,02881 0,26
43 = 28,23 W/m2.°C ➢ konveksi Q = h A (ΔT) =28,23. 0,05 m2 . (110°C - 27°C) = 1,4115 (83) = 117,15 W ➢ Konduksi t = 5 detik Q = K.A.t 𝛥𝑡 𝐿 = 0,02881 x 0,05 x 5 x (110°C − 27°C)0,26 = 2,29 w 2. Kecepatan (V2) V2 = 70 𝑘𝑚 jam. 1000 3600 = 19,44 m/s Re = 𝑉𝐿 ν = 19,44 .0,26 1,995 𝑥 10−5 = 2,53 x 105
➢ Nusselt (Nu) = 0,664 (Re)1/2 (Pr)1/3 = ℎ𝐿 k = 0,664 (2,53 x 105)1/2 (0,7177)1/3 = 0,664 . 502,99 . 0,905 = 302,25 ➢ h = 𝑁𝑢 𝑥 𝑘 L = 302,25 𝑥 0,02881 0,26 = 33,4 W/m2.°C 3. Kecepatan (V3) V3 = 90 𝑘𝑚 jam. 1000 3600 = 25 m/s Re = 𝑉𝐿 ν = 25 . 0,26 1,995 𝑥 10−5 = 3,25 x 10 5
➢ Nusselt (Nu) = 0,664 (Re)1/2 (Pr)1/3 = ℎ𝐿 k = 0,664 (3,25 x 105)1/2 (0,7177)1/3 = 0,664 . 570,08 . 0,905 = 342,57 ➢ h = 𝑁𝑢 𝑥 𝑘 L = 342,57 𝑥 0,02881 0,26 = 37,96 W/m2.°C ➢ konveksi Q = h A (ΔT) = 37,96 . 0,05 m2 . (110°C - 27°C) = 1,89 (83) = 157,53 W ➢ Konduksi t = 9 detik Q = K.A.t 𝛥𝑡 𝐿 = 0,02881 x 0,05 x 9 x (110°C − 27°C)0,26 = 4,13 w
44 ➢ konveksi Q = h A (ΔT) = 33,4 . 0,05 m2 . (110°C - 27°C) = 1,67 (83) = 138,61 W ➢ Konduksi t = 7 detik Q = K.A.t 𝛥𝑡 𝐿 =0,02881 x 0,05 x 7 x (110°C − 27°C) 0,26 = 3,21 w 4. Kecepatan (V4) V4 = 110 𝑘𝑚 jam. 1000 3600 = 30,55 m/s Re = 𝑉𝐿ν = 30,55 . 0,26 1,995 𝑥 10−5 = 3,98 x 105 Nusselt (Nu) = 0,664 (Re)1/2 (Pr)1/3 = ℎ𝐿
k =0,664(3,98 x 105)1/2 (0,7177)1/3 = 0,664 . 630,87 . 0,905 = 379,1 ➢ h = 𝑁𝑢 𝑥 𝑘 L = 379,1 𝑥 0,02881 0,26 = 42 W/m 2.°C ➢ konveksi Q = h A (ΔT) = 42 . 0,05 m2 . (110°C - 27°C) = 2,1 (83) = 174,32 W ➢ Konduksi t = 11 detik Q = K.A.t 𝛥𝑡𝐿 =0,02881 x 0,05 x 11x (110°C − 27°C) 0,26 = 5,05 w Perbandingan Analisa
Dari hasil analisa menggunakan Ansys Transient Thermal 17.0 menggunakan perbandingan lubang Disc
Brake modifikasi yang telah di tentukan dimensi lubangya untuk memperlihatkan hasil perbedaan pada
distribusi panas dan sirkulasi pendinginan yang terjadi pada permukaan Disc Brake ditunjukan pada Gambar 8. sebagai berikut:
45
Gambar 8. Disc brake temperature modifikasi
Transient Thermal temperature pada ansys 17.0 Gambar 9. di perlihatkan aliran panas yang terjadi pada disc brake saat terjadi pengereman, nilai panas yang terjadi pada suhu 21,99°C masih berwarna biru, pada disc brake standar memiliki nilai panas terendah pada suhu 22,364°C.
Gambar 9. Disc brake standard
Sedangkan pada saat pengereman suhunya sampe 110,01°C yang menunjukkan warna merah pada saat pengereman terjadi, warna merah menunjukan pengereman pada kecepatan tinggi untuk disc brake modifikasi. Sedangkan pada disc brake standard pada Gambar 7. menunjukan temperature tertinggi pada suhu 100,01°C, perbedaan antara disc brake modifikasi dan disc brake standard pada penyerapan panas.
Pada disc brake modifikasi didapatkan nilai terendah 0,003756 w/m2 terlihat pada Gambar 8. yang menunjukan distribusi aliran panas, sedangkan disc brake standard menujukan nilai 0,66179 w/m2, disc brake modifikasi heat flux menunjukan nilai tertinggi pada 1,9729 x 106 w/m2 sedangkan pada disc brake standard menujukan nilai 8,4649 x 105 w/m2 terlihat pada Gambar 10. Dimana disc brake standard lebih mudah menyerap panas dari pada disc brake modifikasi
46
Gambar 10. disc brake standard heat flux
Hasil Analisa dengan Software Ansys Transient Thermal 17.0
Pada Gambar 11. Menunjukan grafik temperature disc brake standard yang dimana grafik menunjukan perbandingan derajat (°C) dengan waktu dalam (s)
Gambar 11. grafik temperature disc brake standard
Pada Gambar 12. Menunjukan grafik temperature disc brake modifikasi yang dimana grafik menunjukan perbandingan derajat (°C) dengan waktu dalam (s).
47 Pada Gambar 12. grafik temperature disc brake standard menujukan grafik antara temperature dan waktu yang dimana pada waktu 0,875 detik suhu mencapai 100,01°C, untuk grafik temperature disc brake modifikasi mendapatkan nilai temperature 110,57 °C pada saat pengereman sedangkan dengan waktu 1 detik. Dari
temperature grafik menunjukan bahwa disc brake standard lebih mudah mendistribusikan panas merata dari
pada disc brake modifikasi terlihat pada simulasi FEM yaitu ansys transient thermal.
5. KESIMPULAN
Penelitian ini menggunakan dua metode, yaitu metode studi literatur dan simulasi software engineering ansys transient thermal 17.0 didapatkan kesimpulan sebagai berikut:
1. Nilai laju perpindahan panas (Q) didapatkan dari laju kecepatan yaitu:
A. (V1) 50 km/jam dengan (Q) 117,15 W B. (V2) 70 km/jam dengan (Q) 138.61 W C. (V3) 90 km/jam dengan (Q) 157.53 W D. (V4) 110 km/jam dengan (Q) 174.32 W 2. Perpindahan panas pada rem cakram pada ansys
transient thermal 17.0 dengan analisa parameter Temperature 110°C, heat flux 90 w/m2, convention 50 °C w/m2, heat flow 80 W, dimana hasil analisa diperoleh bahwa disc brake yang dimodifikasi terdapat penurunan sampai 21.99 °C.
3. Pada simulasi temperature menunjukan bahwa disc brake standard lebih mudah menyerap panas dengan nilai suhu 100,01°C, sedangkan disc brake modifikasi mendapatkan nilai 110,01°C
REFERENSI
[1] Alazhar, R. P., S, D. D., & B, E. P. pengaruh geometri penampang kampas rem cakram terhadap
getaran dan indikasi squel yang muncul saat pengereman pada Molina. Universitas Negri Sriwijaya,
Palembang, 2016.
[2] Arif, Fathoni. Simulasi Perubahan Temperatur dan Tegangan Termal pada Rem Cakram. Tugas Akhir. 2003. Universitas Indonesia.
[3] Astibiani. Analisis dan Simulasi Pendinginan pada Disk Brake (Piringan Rem) dengan Menggunakan
Aplikasi CFD.: Tugas Akhir. 2007 Universitas Indonesia.
[4] Dadang, H.. Gaya Tekan Pad Rem Terhadap Disk Rotor Pada Kendaraan Mini Buggy. Tugas Akhir. 2016. Institut Teknologi Indonesia.
[5] Dewanto, Andreas. Sistem Pendingin Paksa Anti Panas Lebih (Over Heating) Pada Rem Cakram (Disk
Brake) Kendaraan. Surabaya: Universitas Kristen Petra. 2010
[6] Frandi Barasa1, Muftil Badri2, Y. Kaji Pembuatan Kamvas Rem Sepeda Motor Bahan Komposite
Dengan Filler Palm Slag., Surabaya. Universitas Kristen Petra. vo1(2), 2014. 1–10.
[7] Gnanesh P. Finite Element Analysis Of Normal And Vented Disc Brake Rotor. School of Mechanical Engineering RGM College of Engg. & Technology; 2014 India.
[8] Perdanansyah, R. S., & Tuapetel, J. V. Simulasi Perubahan Temperatur Pada Rem Cakram Dengan
Menggunakan Software Ansys 14 . 0 Steady-State Thermal ( Simulation of Temperature Changes in Disc Brakes Using Ansys 14 . 0 Steady-State Thermal Software ). Tugas Akhir. 2017. Institut
