Khafidh, dkk./ ROTASI, Vol. 25  No. 4  (Oktober  2023) Hal. 14-22

## Analisis Sifat Mekanik dan Tribologi pada Cakram Baru dan Bekas
Muhammad Khafidh *) , Santo Ajie Dhewanto, Muhammad Alfaarisi Maulana Kasim, Yustiasih Purwaningrum Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Islam Indonesia Jl. Kaliurang Km 14,5, Ngaglik, Sleman, Yogyakarta, 55581, Indonesia *E-mail: khafidh@uii.ac.id ( corresponding author )

## Abstract
A braking process on vehicles has two important components, namely disc brake and brake pad. The contact between disc brake and brake pad is expected to have enough friction to reduce the speed of vehicles. Moreover, the wear of these components should be minimum to extend the life time of the components. In Indonesia, many vehicle’s owners decide to recycle disc material when the disc is worn. From a sustainable point of view, it will reduce the waste and CO 2 footprint. However, the safety performance of the recycled discs is not yet studied. In this research, the mechanical and tribological performances of various types of disc materials will be analyzed, both new and used disc. There are four materials, namely new discs (Ba), used (Be), used discs + scraped (BeS), and used discs + scraped + sanded (BeS amplas). The analysis carried out includes hardness, roughness, wear mass, friction coefficient, and temperature. The results show that the surface roughness of the Be material is lower than that of the Ba material, while the BeS material has a roughness  approximately  5 times higher than that of the Ba material. The high surface roughness of the BeS material results in low friction and high wear. This situation is undesirable for brake applications because it reduces the  safety  and  service  life  of  the  product.  Giving  sandpaper  treatment  to  BeS  material  can  improve  tribological performance and reduce contact temperature.
Kata kunci: disc brake; roughness; wear; friction; temperatur; recycle

## Abstrak
Proses  pengereman  pada  kendaraan  mempunyai  dua  komponen  penting,  yaitu  piringan  cakram  dan  kampas  rem. Kontak  antara  cakram  dan  kampas  rem  diharapkan  mempunyai  gesekan  yang  cukup  untuk  mengurangi  kecepatan kendaraan.  Selain  itu,  keausan  dari  cakram  dan  kampas  rem  harus  diminimalkan  untuk  memperpanjang  umur komponen. Di Indonesia, banyak pemilik kendaraan yang memutuskan untuk mendaur ulang material cakram ketika cakram sudah aus. Dari sudut pandang lingkungan, hal ini akan mengurangi limbah dan jejak karbon dioksida. Namun, kinerja keselamatan dari cakram daur ulang tersebut belum banyak diteliti. Dalam penelitian ini akan dianalisis kinerja mekanik dan tribologi berbagai jenis bahan cakram, baik cakram baru maupun yang daur ulang. Bahannya ada empat, yaitu cakram baru (Ba), cakram bekas (Be), cakram bekas + sekrap (BeS), dan cakram bekas + sekrap + ampplas (BeS Amplas). Analisis yang dilakukan meliputi kekerasan, kekasaran, massa  aus, koefisien gesek, dan temperatur. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekasaran permukaan material Be lebih rendah dibandingkan material Ba, sedangkan material BeS memiliki kekasaran kurang lebih 5 kali lebih tinggi dibandingkan material Ba. Kekasaran permukaan material  BeS  yang  tinggi  menghasilkan  gesekan  yang  rendah  dan  keausan yang  tinggi.  Situasi  ini  tidak  diinginkan untuk aplikasi rem karena mengurangi keselamatan dan masa pakai produk. Pemberian perlakuan amplas pada material BeS dapat meningkatkan kinerja tribologi dan menurunkan suhu kontak.
Kata kunci: cakram; kekasaran; aus; koefisien gesek; daur ulang

## 1. Pendahuluan
Perkembangan  teknologi  yang  berkembang  pesat  menghasilkan  banyak  inovasi  untuk  memenuhi  kebutuhan  manusia, termasuk  dalam  bidang  otomotif  [1].  Produk-produk  otomotif  semakin  memanjakan  pengguna,  kepuasan  konsumen menjadi tujuan utama dalam pengembangan teknologi. Kepuasan konsumen pada bidang otomotif diantaranya meliputi keamanan,  kemudahan,  dan  kenyamanan.  Saat  ini,  kebutuhan  suku  cadang  otomotif  semakin  meningkat,  salah  satu komponen penting pada kendaraan bermotor adalah rem. Rem berfungsi untuk memperlambat kecepatan kendaraan dan sistem ini memiliki peran penting pada keselamatan dan keamanan pengguna [2]. Inovasi terkait sistem pengereman terus dilakukan untuk semakin memastikan keamanan dalam berkendara [3, 4].
Sistem pengereman memiliki dua komponen penting, yakni piringan cakram yang berputar sesuai kecepatan roda dan kampas  rem.  Kedua  komponen  tersebut  dapat  menghambat  kecepatan  kendaraan  dengan  cara  membuat  keduanya berkontak  sehingga  menimbulkan  gaya  gesek.  Komponen  pengereman  akan  mengalami  penurunan  performa  seiring dengan penggunaannya [5]. Hal ini disebabkan oleh aus, baik pada kampas rem maupun piringan cakram [6]. Umumnya
pemilik  kendaraan  akan  mengganti  kampas  rem  apabila  sudah  terlalu  tipis  akibat  terkikis  aus.  Pada  beberapa  kasus, piringan cakram mengalami deformasi plastis dan scratch akibat adanya benda keras diantara kampas rem dan cakram. Beberapa  pengguna  kendaraan  memilih  opsi  untuk  mendaur  ulang  atau  memperbaiki  cakram  tersebut  dengan  proses sekrap. Memperpanjang usia pakai piringan cakram dengan cara mendaur ulang tentu menjadi pilihan yang menarik untuk mengatasi isu lingkungan yang saat ini terjadi, selain itu juga lebih ekonomis bagi pengguna kendaraan bermotor. Tetapi hal itu perlu diikuti dengan kepastian pada aspek keamanan dari sistem pengereman hasil dari daur ulang piringan cakram. Penelitian terkait daur ulang kampas rem sudah dilakukan oleh beberapa peneliti sebelumnya, baik analisis terhadap sifat material maupun tribologinya [7-9]. Tetapi belum banyak ditemukan penelitian tentang daur ulang sistem pengereman yang fokus pada material cakram dan pengaruhnya pada performa tribologinya, seperti aus dan gesekan.
Pada  penelitian  ini,  pengaruh  penggunaan  cakram  bekas  pada  performa  rem  akan  dievaluasi.  Material  cakram  baru, cakram bekas, dan cakram bekas yang disekrap akan dievaluasi kekerasan dan kekasarannya. Selain itu, pengaruhnya terhadap koefisien gesek dan aus pada kampas rem juga akan dipelajari. Perlakuan amplas juga dilakukan pada material bekas yang disekrap untuk meningkatkan performa pengereman.

## 2. Material dan metodologi
Pada penelitian ini, bahan yang digunakan adalah piringan cakram baru dan bekas dari mobil merk Toyota Agya produk orisinal. Bagian yang diteliti adalah bagian permukaan cakram yang bergesekan dengan kampas rem. Piringan cakram dipotong sesuai dengan ukuran spesimen pada alat tribometer pin-on-disk. Spesimen uji yang digunakan pada penelitian ini adalah cakram baru (Ba), cakram bekas (Be), dan cakram bekas dengan disekrap (BeS). Piringan cakram dipotong menggunakan CNC milling sehingga menghasilkan material uji tribometer dengan diameter 35 mm dengan ketebalan 5 mm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
(a) (b) (c)
Gambar 1. Spesimen disk dari piringan cakram: (a) cakram baru (Ba), (b) cakram bekas (Be), (c) cakram bekas dengan disekrap (BeS).
Ketiga  spesimen  tersebut  dilakukan  uji  kekasaran,  kekerasan,  gesek,  dan  aus.  Saat  uji  gesek  sedang  berlangsung, temperatur  kontak  antara  material  cakram  dan  kampas  rem  diukur  dengan Thermal  Imager  Fluke .  Pengambilan  data temperatur dilakukan pada bagian kampas rem dan material cakram yang bergesekan. Temperatur diambil pada menit ke 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, dan 45.
Uji kekasaran dilakukan dengan Stylush Probe/Surfcom Touch 50 Surface Tester dengan sampling length 0,8 mm. Uji kekasaran diulang pada 3 tempat yang berbeda dan dihitung rata-ratanya. Kalibrasi alat Stylush Probe/Surfcom Touch 50 Surface Tester menggunakan standar ISO 1997/2009. Uji kekerasan dilakukan dengan Brinell Hardness Tester dengan pengulangan sebanyak 3 kali. Sedangkan uji gesek dan aus dilakukan dengan tribometer pin-on-disk. Material counter surface yang digunakan pada uji gesek adalah material kampas rem orisinal Toyota. Holder pemegang material kampas rem diproduksi dengan menggunakan 3D print. Kampas rem dipotong dengan diameter 6 mm, lihat Gambar 2.
Khafidh, dkk./ ROTASI, Vol. 25  No. 4  (Oktober  2023) Hal. 14-22
Gambar 3 menunjukkan gambar skematik pengujian tribometer pin-on-disk. Pin kampas rem diberikan gaya dengan arah tegak lurus dengan disk cakram yang diputar dengan kecepatan angular tertentu. Kontak antara pin kampas rem dan disk cakram akan menghasilkan gesekan yang dibaca oleh sensor pada alat tribometer pin-on-disk. Selain itu, akan terjadi aus pada kampas rem. Besar massa aus kampas rem didapatkan dari selisih massa material kampas rem sebelum dan sesudah pengujian gesek. Gaya yang diberikan pada pengujian tribometer pin-on-disk sebesar 12 N, kecepatan angular 728 rpm dan waktu gesek pengujian adalah 45 menit. Pengujian dilakukan pada temperatur kamar dan tanpa pelumas.
Gambar 3. Skematik uji tribometer pin-on-disk.
Spesimen  bekas  dengan  sekrap  (BeS)  diberikan  perlakuan  permukaan  dengan  cara  diamplas.  Hal  ini  dilakukan  agar kekasaran BeS mendekati kekasaran material baru (Ba). Proses pengamplasan dilakukan secara berurutan dari grid kasar sampai halus (220, 500, dan 1000). Durasi pengamplasan masing-masing grid dilakukan menggunakan mesin polishing selama 10 menit dengan kecepatan angular sebesar 300 rpm.

## 3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1. Hasil pengujian sebelum perlakuan
Gambar  4  menunjukkan  hasil  pengujian  kekerasan  pada ketiga  spesimen.  Kekerasan  pada  spesimen  Ba  menunjukkan nilai  yang  tertinggi,  sedangkan  kekerasan  pada  spesimen  BeS  mempunyai  nilai  yang  terkecil.  Kekerasan  permukaan berpengaruh  terhadap  karakteristik  tribologi,  seperti  gesekan  dan  aus  [10].  Pada  material  yang  mempunyai  kekerasan tinggi cenderung mempunyai ketahanan aus yang lebih baik. Di sisi lan, material yang keras dapat mengakibatkan aus yang besar pada material lawan yang lebih lunak.
Gaya Kecepatan angular Disk cakram Pin kampas rem
Khafidh, dkk./ ROTASI, Vol. 25  No. 4  (Oktober  2023) Hal. 14-22
Hasil pengujian kekasaran pada ketiga spesimen cakram ditunjukkan pada  Gambar 5. Cakram bekas (Be) mempunyai kekasaran sedikit lebih rendah dibandingkan dengan cakram baru. Hal ini disebabkan cakram bekas sudah melewati fase running-in ,  dimana asperity pada  permukaan  material  sudah  hilang  karena  aus.  Hilangnya asperity menyebabkan kekasaran permukaan pada material menjadi lebih rendah [11]. Pada spesimen cakram BeS menunjukkan nilai kekasaran yang  sangat  tinggi,  sekitar  5  kali  lebih  kasar  dibandingkan  dengan  cakram  Ba.  Perlakuan  sekrap  pada  cakram  bekas menyebabkan kekasaran yang naik secara signifikan.
Gambar 5. Kekasaran permukaan pada ketiga spesimen.
Pengujian koefisien gesek dan aus pada penelitian ini menggunakan alat tribometer pin-on-disk. Output pada pengujian ini berupa koefisien gesek dan massa aus. Pin yang digunakan dalam pengujian ini adalah spesimen yang dibentuk dari produk kampas orisinal Toyota, sedangkan untuk disk yang digunakan adalah spesimen cakram yang sudah disiapkan, lihat Gambar 3. Hasil pengujian gaya gesek terhadap waktu pada salah satu spesimen Be ditunjukkan pada Gambar 6. Pada  awal  pengujian,  koefisien  gesek  meningkat  signifikan.  Hal  ini  disebabkan  terjadinya  banyak  aus  pada  material selama awal proses gesekan antara kampas rem dan material cakram. Aus akan membuat kekasaran permukaan material menjadi lebih halus sehingga akan memperbesar area kontak. Area kontak yang besar akan membuat gaya gesek pada material  menjadi  lebih  besar.  Pada  waktu  tertentu,  aus  yang  yang  terjadi  pada  material  menjadi  sangat  kecil  karena permukaan sudah halus. Pada keadaan tersebut besar gaya gesek akan cenderung stabil dan  koefisien gesek memasuki fase steady state. Pada penelitian ini, gaya gesek yang dianalisis adalah gaya gesek pada fase steady state tersebut.
Gambar 6. Grafik koefisien gesek terhadap waktu pada salah satu spesimen Be.
Khafidh, dkk./ ROTASI, Vol. 25  No. 4  (Oktober  2023) Hal. 14-22
Koefisien gesek saat fase steady state dari semua spesimen dapat ditunjukkan dari Gambar 7. Koefisien gesek material Be  menunjukkan nilai  tertinggi  dibandingkan  dengan  spesimen  lainnya.  Pada  aplikasi  rem,  diharapkan  nilai  koefisien gesek yang tinggi karena proses pengereman membutuhkan gesekan yang besar agar mobil dapat berhenti. Sedangkan material BeS mempunyai nilai koefisien gesek yang paling rendah, hal ini kurang baik dalam proses pengereman. Gambar 8 menunjukan bahwa aus yang terjadi pada kampas rem dengan  cakram BeS  mempunyai  nilai tertinggi dibandingkan dengan spesimen cakram lainnya, hampir dua kali lipat dari aus pada cakram Ba. Hal ini dapat diakibatkan oleh kekasaran dari cakram BeS mempunyai nilai tertinggi sebagaimana ditunjukkan pada Gambar  4. Kekerasan permukaan ini yang membuat terjadinya banyak aus abrasi pada material kampas rem.
Gambar 7. Koefisien Gesek Steady State pada ketiga spesimen.
Gambar 8. Massa aus pada ketiga spesimen.
Temperatur yang terjadi pada titik kontak antara kampas rem dan cakram selama pengujian tribometer ditunjukkan pada Gambar 9. Temperatur menunjukkan kenaikan seiring dengan lamanya kontak antara kampas rem dan cakram. Hal ini sesuai dengan penelitian sebelumnya yang menunjukkan bahwa gesekan akan menghasilkan kenaikan temperatur pada area  kontak  [12].  Temperatur  pada  kontak  yang  melibatkan  material  BeS  menunjukkan  nilai  tertinggi,  hal  ini  dapat disebabkan  oleh  kekasaran  permukaan  yang  tinggi  pada  BeS  menyebabkan  banyak  puncak asperity pada  permukaan material. Puncak asperity menyebabkan tekanan kontak pada menjadi sangat besar dan menimbulkan panas yang lebih besar.
Gambar 9. Temperatur pada titik kontak antara kampas rem dan ketiga spesimen cakram.

## 3.2. Hasil pengujian setelah perlakuan pengamplasan
Pada subbab sebelumnya terlihat bahwa spesimen BeS yang mempunyai kekasaran tinggi dan mengakibatkan performa tribologi yang kurang bagus pada saat bergesekan dengan material kampas rem. Pada subbab ini akan dibahas pengarus perlakuan pengamplasan pada spesimen BeS untuk mendapat kekasaran yang mendekati  spesimen Ba. Spesimen BeS hasil pengamplasan kemudian dilakukan uji kekasaran, aus, koefisien gesek, dan temperatur. Terdapat tiga spesimen BeS yang diamplas untuk menguji keberulangan hasil pengujian. Gambar 10 menunjukkan bahwa kekasaran permukaan pada spesimen BeS amplas sudah mendekati nilai kekasaran pada spesimen Ba.
Gambar 10. Kekasaran permukaan spesimen sebelum dan sesudah perlakuan pengamplasan.
Perlakuan  amplas  meningkatkan  sedikit  nilai  koefisien  gesek  dari  material  dibandingkan  dengan  material  BeS,  lihat Gambar  11.  Peningkatan  nilai  koefisien  gesek  dapat  diakibatkan  oleh  semakin  halusnya  permukaan  spesimen  BeS sehingga memperbesar kontak area. Namun nilai koefisien gesek BeS amplas masih sedikit di bawah nilai koefisien gesek Ba. Hasil pengujian aus menunjukkan bahwa massa aus pada kampas rem ketika berkontak dengan spesimen BeS amplas sudah lebih baik dibandingkan dengan massa kampas rem ketika berkontak dengan spesimen Ba dan Be, lihat Gambar 12. Hasil massa aus yang kecil dapat memperpanjang usia pakai dari kampas rem.
Gambar 11. Koefisien gesek spesimen sebelum dan sesudah perlakuan pengamplasan.
Gambar 12. Massa aus spesimen sebelum dan sesudah perlakuan pengamplasan.
Gambar 13. Temperatur pada titik kontak antara kampas rem dan spesimen cakram sebelum dan sesudah perlakuan pengamplasan.
Hasil  pengujian  temperatur  pada  titik  kontak  antara  kampas  rem  dan  spesimen  cakram  ditunjukkan  pada  Gambar  13. Semua spesimen menunjukkan bahwa temperatur konta akan naik seiring dengan lama waktu kontak. Pada spesimen BeS amplas  terjadi  penurunan  temperatur  kontak  yang  signifikan  dibanding  dengan  spesimen  BeS.  Rendahnya  temperatur kontak menjadi salah satu hal yang diinginkan karena dapat mengurangi potensi peristiwa fading yang menyebabkan rem tidak berfungsi.

## 4. Kesimpulan
Penelitian ini menganalisis pengaruh penggunaan cakram bekas pada mobil terhadap sifat mekanik dan tribologi pada material. Terdapat empat spesimen yang diuji, yaitu cakram baru (Ba), bekas (Be), bekas dengan disekrap (BeS), serta bekas dengan disekrap dan diamplas (BeS amplas). Beberapa kesimpulan dari penelitian ini adalah:
1. Kekasaran permukaan pada material Be lebih rendah dibandingkan dengan material Ba, sedangkan material BeS mempunyai kekasaran 5 kali lebih tinggi dibandingkan dengan material Ba.
2. Kekasaran  permukaan  yang  tinggi  pada  material  BeS  mempengaruhi  performa  tribologinya,  seperti  gesekan yang  kecil  dan  aus  yang  tinggi.  Keadaan  tersebut  diinginka  untuk  aplikasi  rem  yang  menginginkan  gesekan tinggi dan aus yang kecil.
3. Perlakuan amplas pada material BeS menghasilkan kekasaran permukaan yang mendekati material Ba sehingga meningkatkan performa tribologi dan menurunkan temperatur kontak.
Penggunaan material cakram bekas yang disekrap oleh banyak bengkel di Indonesia terbukti dapat menurunkan performa pengereman.  Tetapi  dengan  diberi  perlakuan  tambahan  berupa  penghalusan  permukaan,  performa  tribologi  akan meningkat sehingga mendekati material cakram baru.

## Ucapan Terima Kasih
Terima kasih disampaikan kepada Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam Indonesia yang telah mendanai penelitian ini.

## Daftar Pustaka
[1]  Ili S, Albers A, Miller SJR, Management d. Open innovation in the automotive industry. 2010;40(3):246-55.
[2]  Breuer B, Bill KH. Brake technology handbook2008.
[3]  Denimal E, Sinou J-J, Nacivet SJJoS, Vibration. Influence of structural modifications of automotive brake systems for squeal events with kriging meta-modelling method. 2019;463:114938.
[4]  Vinodkumar S, Jairaman S, Anvesh P, Viswanath GJIRJETI. Improvement of braking efficiency in vehicle by using fusion braking system. 2017;4:527-9.
[5]  Świderski  A,  Borucka  A,  Jacyna-Gołda  I,  Szczepański  EJEiN.  Wear  of  brake  system  components  in  various operating conditions of vehicle in the transport company. 2019;21(1):1-9.
[6]  Verma  PC,  Menapace  L,  Bonfanti  A,  Ciudin  R,  Gialanella  S,  Straffelini  GJW.  Braking  pad-disc  system:  Wear mechanisms and formation of wear fragments. 2015;322:251-8.
[7]  Rajaei  H,  Griso  M,  Menapace  C,  Dorigato  A,  Perricone  G,  Gialanella  SJRiM.  Investigation  on  the  recyclability potential of vehicular brake pads. 2020;8:100161.
[8]  Guo W, Bai S, Ye Y, Li SJCI. A new strategy for high-value reutilization of recycled carbon fiber: Preparation and friction performance of recycled carbon fiber felt-based C/C-SiC brake pads. 2019;45(13):16545-53.
[9]  Agunsoye JO, Bello SA, Bamigbaiye AA, Odunmosu KA, Akinboye IOJJoRiP. Recycled ceramic composite for automobile brake pad application. 2018;39(1):35.
[10]  Ghosh  G,  Sidpara  A,  Bandyopadhyay  PJS,  Technology  C.  Understanding  the  role  of  surface  roughness  on  the tribological performance and corrosion resistance of WC-Co coating. 2019;378:125080.
[11]  Bhushan B. Modern tribology handbook, two volume set: CRC press; 2000.
[12]  Qi HS, Day AJJW. Investigation of disc/pad interface temperatures in friction braking. 2007;262(5-6):505-13.