Modeling dan Simulasi Transient Thermal pada Rem Cakram ...

Available online at http://jurnal.pnj.ac.id

Prosiding Seminar Nasional Teknik Mesin Politeknik Negeri Jakarta (2020), p34-p47

34

eISSN 2685-9319

Modeling dan Simulasi Transient Thermal pada Rem

Cakram Sepeda Motor

Agus Sukandi1, Keni Anggi Prayoga2, Kurniadi Rasyid3

1 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

Corresponding author E-mail address: [email protected]

http://semnas.mesin.pnj.ac.id/

Agus Sukandi, et al/Prosiding Semnas Mesin PNJ (2020)

35

eISSN 2685-9319

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 Pengereman

Pengertian 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

eISSN 2685-9319

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:

Gambar 2. Kampas rem cakram


37

eISSN 2685-9319

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.

3. Displaying Vectors


38

eISSN 2685-9319

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

eISSN 2685-9319

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

eISSN 2685-9319

3. METODE PENELITIAN

Diagram Alir

Gambar 5 Diagram Alir Penelitian

selesai

Mulai

Studi liliteratur

Parameter

• Geometry

• Bentuk disc

• Dimensi disc

Analisa parameter

- Laju aliran

- Temperature 110 °C

- Convention 50 w/m2 °C

- Heat flow 80 w

Analisa

Kesimpulan dan saran

SolveTemperatur Total heat flux imensional heat flux

Meshing Set-up,

Automatic solution

NO

YES


41

eISSN 2685-9319

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/m

3

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:

Gambar 6. Meshing Kanvas Rem pada Ansys 17.0. Transient Thermal


42

eISSN 2685-9319

4. PEMBAHASAN DAN ANALISA

Perhitungan Analitik

Pada 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 = 𝑉𝐿

ν =

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

eISSN 2685-9319

= 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


k

= 0,664 (2,53 x 105)1/2 (0,7177)1/3

= 0,664 . 502,99 . 0,905

= 302,25


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 105


k

= 0,664 (3,25 x 105)1/2 (0,7177)1/3

= 0,664 . 570,08 . 0,905

= 342,57


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

eISSN 2685-9319

➢ 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 = 𝑉𝐿

ν =

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


L =

379,1 𝑥 0,02881

0,26 = 42 W/m2.°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 𝛥𝑡

𝐿

=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

eISSN 2685-9319

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

eISSN 2685-9319

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).

Gambar 12. grafik temperature disc brake modifikasi


47

eISSN 2685-9319

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

Teknologi Indonesia.

Modeling dan Simulasi Transient Thermal pada Rem Cakram ...

Documents