## UJI PERFORMASI DISC BRAKE SEPEDA MOTOR MATERIAL KOMPOSIT MATRIKS ALUMINIUM BERPENGUAT PARTIKEL KERAMIK

## Roy Waluyo, Dwi Rahmalina
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Pancasila Jl. Srengseng Sawah, Jagakarsa, Jakarta Selatan 12640
Roy_waluyo@ft.uika-bogor.ac.id

## ABSTRAK
Komposit matriks aluminium berpenguat partikel keramik  banyak dikembangkan untuk aplikasi komponen otomotif. Keunggulan komposit matriks aluminium diantaranya  mempunyai berat jenis rendah dibanding logam ferro serta memiliki performa yang baik seperti kekuatan tinggi, kekerasan  tinggi, sifat tahan aus dan koefisien ekspansi panas rendah. Penelitian ini bertujuan mendapatkan performa , yaitu waktu berhenti saat pengereman pada kecepatan 40 km/jam dari disc brake dengan material komposit matriks (Al- 3Si+1.2Cu) dan partikel penguat  (SiC+Al 2 O 3 ) serta mendapatkan gradien temperatur pada disc brake akibat proses pengereman melalui simulasi termal dengan metode Finite element analysis . Hasil pengujian menunjukan komposit matriks aluminium dengan Cu 1.2%wt.  yang diberi perlakuan aging 180°C dengan holding time 6 jam memiliki waktu berhenti rata-rata 2,70, lebih cepat dibanding disc brake dari logam ferro yang memiliki waktu berhenti rata-rata sebesar 2,84. Hasil simulasi termal menunjukan terjadi gradien temperatur dari 30,2°C yang terjadi pada sepanjang brake lining pusat pengereman dan 29.9°C pada daerah mendekati titik pusat disc brake .
Kata kunci: komposit, performa, disc brake.

## Pendahuluan
Efisiensi  dalam  penggunaan  energi  dan material  akhir-akhir  ini  menjadi  fokus  dalam banyak  penelitian,  hal  ini  dikarenakan  semakin berkurangnya  sumber  daya  alam  [1].  Upaya untuk  mengurangi  penggunaan  energi  di  sektor transportasi  salah  satunya  adalah  dengan mengurangi  berat  kendaraan.  Kendaraan  yang ringan dibangun dari komponen-komponen yang ringan.  Kendaraan  yang  ringan  membutuhkan bahan  bakar  yang  relatif    sedikit  dibanding dengan kendaraan yang berat, sehingga kendaraan  yang  ringan  akan  menghemat konsumsi bahan bakar.
Salah  satu  komponen  penting  dalam kendaraan  adalah disc  brake .  Pada  kendaraan, saat  pengereman  akan  terjadi  gesekan  antara disc brake dan brake pads sehingga
mengakibatkan energi mekanik berubah menjadi energi  termal  atau  panas . Energi  panas  yang dibangkitkan  sangat  tergantung  pada  berat  dan kecepatan  saat  terjadi  pengereman.  Kendaraan dengan  berat  1500  kg  bergerak  dengan kecepatan  145  km/jam  yang  di  rem  tiba-tiba sehingga  kecepatannya  menjadi  0  km/jam  akan menghasilkan  energi  kinetik  sebesar  240  kW. Dalam  beberapa  saat  dapat  menghasilkan gradien  temperatur  sampai  800 ° C  pada  tempat terjadinya gesekan dan sekitar 500 ° C pada pusat disc brake .
Beberapa  pertimbangan  dalam  pemilihan material disc brake, diantaranya yaitu, kekuatan, kekakuan, ketahanan aus, machinability , corrosion , squel ,  serta  kemampuan  melepas panas.  Pertimbangan  terpenting  dalam  material disc  brake adalah  kemampuannya  terhadap
keausan  akibat  gesekan  dan  stabilitas    material terhadap  temperatur  tinggi  yang  timbul  akibat gesekan [2].
Material disc brake umumnya terbuat dari logam ferrous seperti  besi  cor  kelabu  dan stainless  steel ,  karena  memiliki  sifat  mekanik yang  baik,  konduktivitas  panas  yang  baik  dan ketahanan  aus.  Menurut  penelitian  sebelumnya Vadiraj A, ect all, menyatakan bahwa dari hasil penelitiannya  pada  besi  cor  kelabu  untuk aplikasi disc  brake ,  menghasilkan  kekerasan sebesar  170-180  BHN  atau  sebesar  87-89  HRB [3].  Tiga  tipe gray  cast  iron yang  sering digunakan  adalah,  gray  iron  grade  250,  high- carbon  gray iron and titanium alloyed  gray iron [4].
Untuk  aplikasi disc  brake material gray cast  iron memiliki  sifat-sifat  yang  sesuai.  Sifat mekanik  dan  sifat  termal  dari  material  dapat diperbaiki dengan penambahan elemen pemadu. Kekurangannya  yang  mendasar disc  brake dengan  material cast  iron adalah  memiliki massa yang besar [4].
Untuk  mengatasi  permasalahan  yang  ada, maka  banyak  dikembangkan  material  komposit sebagai  alternatif  pengganti  material cast  iron . Salah  satunya adalah Aluminium  Matrix Composites ( AMCs ).    Alasan  pemilihan AMCs sebagai  material disc  brake karena  keunggulan sifat-sifatnya,  yaitu  ringan  dan  kekuatan  yang dapat  dikendalikan  sesuai  presentase  unsur penguat.  Komponen  dengan  material  komposit matriks  aluminium  60%  lebih  ringan  dibanding dengan  material  yang  terbuat  dari cast  iron . Komposit  dengan  matriks  aluminium  Al-3Si- 6Mg berpenguat 10 f.v % alumina + 5 f.v % SiC memiliki density sebesar 2472 (kg/m 3 ). Koefisien  gesek  dari AMCs 25%-30%  dari cast iron dan  memiliki  ketahanan  aus  yang  baik. Konduktivitas  termal AMCS dua  sampai  tiga kali  dari  material cast  iron .  Keunggulan- keunggulan aluminium komposit sangat potensial sebagai pengganti
material
konvensional ( cast iron ) [5].  Penelitian dan pengembangan  komposit  matriks  aluminium berpenguat  partikel  keramik  telah  banyak
dilakukan,  baik  di  Indonesia  maupun  di  dunia. seperti  dilakukan  oleh  Manoj  Singla  et  al.  [6]. Menurut  hasil  penelitian  mereka  kekerasan  dan ketangguhan impact meningkat seiring bertambahnya  persentase  SiC.  Hasil  terbaik telah  diperoleh  pada  25%  fraksi  berat.  Albin Moniago  et.al.  [7].    telah  melakukan  penelitian mengenai  komposit  Al  berpenguat  SiC  pada Produk  kanvas  rem  kereta  api,  Hasil  pengujian menunjukkan  bahwa  kondisi  optimum  yang diperoleh dari komposisi 18% SiC dengan suhu sintering 600°C menghasilkan  kekerasan 88,96 HRB, keausan 2.575 x 10-5 gram/mm 2
Penelitian  ini  bertujuan  mendapatkan performa  dari disc  brake yaitu  waktu  berhenti saat  pengereman  pada  kecepatan  40  km/jam serta mendapatkan gradien temperatur pada disc brake akibat  proses  pengereman  melalui simulasi  termal  dengan  metode Finite  element analysi s .
Proses penelitian mengikuti diagram  alir seperti terlihat pada Gambar 1.
Mulai
Studi Literatur Pengecoran Disc Brake Heat Treatment Machining A

## Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

## Hasil
Berikut  ini  di  disajikan  tabel  komposisi dari disc  brake komposit  matriks  aluminium yang akan digunakan dalam pengujian.
Tabel 1. Komposisi Kimia Disc Brake Komposit Matriks Aluminium
Material Al (%) Si (%) Cu (%) Al-3Si-1.2Cu +7.5%SiC + 7.5%Al 2 O 3 87.72 11.1 1.25 Mg (%) Mn (%) Zn (%) 0.0125 0.0228 0.170  Simulasi Termal
Pengujian  simulasi  termal  dilakukan dengan  menggunakan  metode Fenite  Element Analysis. Tujuan  simulasi  ini  adalah    untuk mendapatkan  laju  alir  perpindahan  panas  mulai dari  titik  pengereman  sampai  titik  pusat disc brake .  Parameter-parameter  yang  digunakan dalam pengujian adalah sebagai berikut:
Tabel 2. Parameter Simulasi Termal
Gambar 2. Hasil simulasi termal Berdasarkan  Gambar  2 maka,  warna merah  yang  terlihat  menunjukkan  bahwa  panas yang terjadi pada saat pengereman berada dititik temperatur  tertinggi.  Warna  kuning,  hijau  dan biru  muda  menunjukkan  gradien  temperatur
No Uraian Nilai 1 Volume (V) 0,6x10 -6 m 3 2 Massa disc brake (m) 0.16 kg
3 Suhu awal (T o ) 10 o C 4 Suhu Lingkungan (T) 30 o C
5 Suhu maksimum (T 1 ) 100 o C 6 Kecepatan 40 km/jam 7 Waktu pengereman (t) 4 s 8 Heat Power total 10.4307 W 9 Heat Power one brake 31.292 W 10 Koefisien konveksi 12799 W/m 2 .K
Analisis Disc Brake
1. Pengujian Komposisi
2. Pengujian Kekerasan
3. Pengujian Keausan
4. Pengamatan Metalografi
5. Simulasi  Termal
6. Pengujian Jalan Analisis Data Kesimpulan Selesai A
yang turun secara bertahap. Temperatur tertinggi berada  pada  titik  pengereman  sepanjang brake lining yang  ditandai  dengan  warna  merah dengan  temperatur  30.2°C,  temperatur  terendah berada  pada  titik  yang  terjauh  terhadap  pusat pengereman  yang  ditandai  dengan  warna  biru sebesar 29,9°C.

##  Uji Jalan
Uji  jalan  merupakan  uji  performasi  dari disc  brake. Parameter  yang  diukur  dalam  uji disc  brake yaitu  berapa  waktu  yang  dibutuhkan sepeda  motor  untuk  berhenti,  mulai  saat pengereman  pada  kecepatan  40  km/jam  sampai sepeda motor berhenti atau kecepatan 0 km/jam. Pengujian.  Dalam  sistem  pengereman  terdapat gaya  yang  digunakan  pada  saat  melakukan pengereman.  Berikut  ini  adalah  data  hasil perhitungan gaya pengereman :
Tabel 2.  Data Perhitungan Gaya Pengereman
No Parameter Nilai 1 Perbandingan Pedal Rem (K) 4.4375 m 2 Gaya yang keluar dari pedal rem (FK) 887.498 N 3 Tekanan Hidrolik (Pe) 9.34 MPa 4 Gaya yang menekan pad rem (Fp) 8458.971 N 5 Gaya pengereman (P) 8458.971 N
Tabel  3.  menunjukan  hasil  uji  jalan  dari disc brake dengan material komposit. Pengujian dilakukan  pada  kecepatan  40  km/Jam.  Ketika kecepatan sepeda motor sudah konstan dilakukan  pengereman  mendadak.  Pengujian dilakukan sampai sepuluh kali. Dari tabel  dapat dilihat  waktu  yang  dibutuhkan  untuk  berhenti paling lambat  yaitu 3,54 detik dan waktu paling cepat yang dibutuhkan untuk berhenti yaitu 2,09 detik.  Sedangkan  waktu  rata  rata  yang dibutuhkan untuk berhenti adalah 2,70 detik.
Tabel  3.  Hasil  Uji  Jalan  disc  Brake material Komposit
No Sampel Uji Kec. (km/jam) Waktu (s) 1 Disc brake Komposit matriks aluminium (Al-3Si- 1.2Cu+7,5SiC+7
,5% Al 2 O 3 ) 40 km/jam 3,54 2 3,25 3 2,18 4 2,14 5 2,58 6 3,18 7 2,89 8 2,99 9 2,21 10 2,09 Rata-rata 2,70
Sebagai  bahan  perbandingan  berikut  ini disajikan  hasil  pengujian disc  brake dengan material logam ferro.
No Sampel Uji Kec. (km/jam) Waktu (s) 1 Disc brake dari material logam ferro 40 km/jam 3,50 2 3,19 3 2,81 4 2,47 5 2,51 6 3,15 7 2,95 8 2,83 9 2,57 10 2,47 Rata-rata 2,84
Gambar 4.14. Perbandingan waktu berhenti kedua jenis disc brake
Berdasarkan  hasil  perbandingan  waktu pada  gambar  4.13  maka, disc  brake yang memiliki  nilai  waktu  berhenti  tercepat  adalah disc  brake dari  material  komposit  matriks aluminium dengan rata-rata waktu berhenti 2,70 detik, sedangkan disc brake dari material logam ferro rata-rata waktu berhenti selama 2,84 detik. Dari  hasil  itu  mununjukkan  bahwa, disc  brake dari komposit matriks aluminium dapat dijadikan  material  alternatif disc  brake logam ferro.

## Kesimpulan
1. Temperatur  tertinggi berada  pada  titik  pengereman  sepanjang brake  lining yang  ditandai  dengan  warna merah dengan temperatur 30.2°C,
temperatur  terendah  berada  pada  titik  yang terjauh  terhadap  pusat  pengereman  yang ditandai dengan warna biru sebesar 29,9°C
2. Kecepatan  berhenti  rata-rata  dari  uji  jalan disc brake dari komposit matriks aluminium yaitu  2,70  detik.  Kecepatan  berhenti  rata- rata  dari  uji  jalan disc  brake dari  material logam ferro sebesar  2,84  detik.  Dari  data tersebut  performa  dari disc  brake komposit matriks  aluminium  dapat  menyamai  disc brake dengan material logam ferro sehingga dapat dijadikan material alternatif.
Saran
1. Perlu  dilakukan  pengujian  lebih  lanjut  untuk mengetahui durability dari disc  brake komposit matriks aluminium.

## Daftar Pustaka
[1] Telang,  Rehman,  Dixit,  Das.  2010. Alternate  materials  in  automobile  brake Disc  Applications  With  Emphasis  on  Al Composites  -  a Technical  review. Journal of Engineering Research and Studies . Vol. I No.1: 35-46
[2]    Maleque  M.A.,  Dyuti  S.,  and  Rahman M.M.  2010. Material Selection Method  in Design  of  Automotive  Brake  Disc. Proceedings  of  the  World  Congress  on Engineering 2010 Vol III June 30 - July 2, 2010, London UK.
[3]   Sowjanya  K.,  Suresh  S.  2013.  Structural Analysis of Disc Brake Rotor .
International Journal of Computer Trends and Technology (IJCTT) Volume 4: No. 7: 2295-2298.
[4]    Cueva  G.,  Sinatora  A.,  Guesser  W.L., Tschiptschin  A.P.  2003.  Wear  resistance of  cast  irons  used  in  brake  disc  rotors. Journal Wear . No. 255: 1256–1260
[5]     Singh  J.,  Chauhan  Amit. 2016.  Overview of wear performance of aluminium matrix composite sreinforced with ceramic materials under the influence of controllable  variables. Journal  Ceramics International . Vol 1 No. 1: 56–81
[6]   Singla  Manoj,  Deepak  D.  D.,  Singh
Lakhvir, Chawla Vikas. 2009. Development of Aluminium Based Silicon Carbide Particulate Metal Matrix Composite. Journal  of  Minerals  & Materials Characterization &
Engineering . Vol. 8, No.6: 455-467.
[7]   Simanjuntak A.M., Abda Syahrul Abda. 2013 . Karakterisasi Komposit Matriks Logam Al-SiC Pada Produk Kanvas Rem Kereta Api. Jurnal e-Dinamis , Volume. 6,
No.2: 61-69.