Rem dan sasis: gaya dan energi pengereman, rem cakram dan tromol, hidraulik rem, ABS, ban, suspensi, dan kemudi

Sebuah laundry mengantar linen ke hotel di daerah perbukitan. Jalan dari hotel ke kota menurun panjang dengan banyak tikungan. Suatu sore, setelah menuruni jalan itu dengan muatan linen kotor penuh, sopir mobil boks melapor bahwa rem terasa makin dalam dan lemah di bagian bawah turunan, dan sejak itu pedal rem bergetar setiap kali direm di jalan datar. Mekanik yang biasa dipanggil juga menunjukkan bahwa ban depan aus jauh lebih cepat di tepi dalamnya.

Teknisi pengelola armada menelusuri catatan kendaraan dan cara pemakaiannya. Minyak rem belum pernah diganti selama empat tahun. Sopir terbiasa menuruni bukit di gigi tinggi sambil menginjak rem hampir terus-menerus. Cakram rem depan berubah warna kebiruan karena panas berlebih dan ketebalannya tidak rata, sehingga pedal bergetar. Dan penyetelan roda depan bergeser setelah roda menghantam lubang besar beberapa bulan sebelumnya. Rem dan sasis adalah sistem keselamatan utama kendaraan; bab ini menjelaskan cara kerjanya dan hal yang harus diperhatikan teknisi dan pengelola armada, bukan cara memperbaikinya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas rem, ban, suspensi, dan kemudi dari sisi teknisi dan pengelola armada: energi dan jarak pengereman, rem cakram dan tromol, hidraulik rem, panas dan pudar, ABS, rem parkir, ban, suspensi, penyetelan roda, dan pemeriksaan. Perbaikan, penggantian komponen rem, dan penyetelan roda dikerjakan bengkel yang berwenang menurut manual pabrik. Angka untuk kendaraan tertentu diambil dari manual pabrik; angka kisaran yang disebut di bab ini adalah angka tipikal untuk memahami cara kerja, bukan nilai untuk kendaraan tertentu.

Gesekan ada di Bab 4 · Fisika; fluida statis dan hukum Pascal di Bab 9 · Fisika; hidraulik mesin di Bab 11 · Mekanikal & Mekatronika; transmisi, gaya tanjakan, dan hambatan gelinding di Bab 5; kendaraan sebagai aliran energi dan pengereman regeneratif di Bab 1 dan Bab 2; mengangkat dan menyangga beban di Bab 9 · Keselamatan.

Energi dan jarak pengereman

Rem mengubah energi gerak kendaraan menjadi panas:

dengan $E$ energi gerak (J), $m$ massa kendaraan dengan muatan (kg), dan $v$ kecepatan (m/s). Karena energi naik dengan kuadrat kecepatan, kendaraan pada 80 km/jam membawa hampir dua kali energi pada 60 km/jam. Jarak henti (stopping distance) adalah jarak selama waktu reaksi pengemudi ditambah jarak pengereman:

dengan $d$ jarak henti (m), $t_r$ waktu reaksi (s), sekitar 1 detik atau lebih, dan $a$ perlambatan (m/s²). Rumus ini menganggap perlambatan tetap selama pengereman. Perlambatan terbesar dibatasi gesekan ban dengan jalan, kira-kira $a \le \mu g$, dengan $g$ 9,81 m/s² dan koefisien gesek sekitar 0,7 sampai 0,9 di aspal kering dan jauh lebih rendah di jalan basah atau licin, seperti gesekan di Bab 4 · Fisika tentang gesekan dan hambatan gerak. Rem yang kuat tidak dapat menghentikan kendaraan lebih cepat dari batas gesekan ban; di atas batas itu, roda mengunci dan tergelincir.

Rem gesek dan sistem hidraulik

Rem cakram dan tromol

Dua jenis rem gesek dipakai pada kendaraan:

1. Rem cakram (disc brake): cakram logam yang berputar bersama roda dijepit kanvas rem oleh kaliper. Ada celah antara lapisan rem dan cakram, yang muncul kembali ketika tekanan dilepas. Rem cakram membuang panas dengan baik dan pulih cepat dari basah.
2. Rem tromol (drum brake): sepatu rem berlapis ditekan ke permukaan dalam tromol yang berputar. Tromol rem merupakan bagian dari naf atau dibaut ke naf, dan gaya pengereman yang dikenakan pada sepatu ditahan oleh pelat dasar. Rem tromol murah dan rem parkirnya mudah dibuat, tetapi lebih lambat membuang panas.

Banyak kendaraan niaga ringan memakai cakram di depan dan tromol di belakang, karena roda depan menanggung bagian terbesar pengereman ketika bobot berpindah ke depan saat direm. Kanvas dan sepatu rem aus dan harus diganti sebelum mencapai batas tebal yang ditetapkan pabrik; lapisan yang habis membuat logam bergesekan dengan logam, merusak cakram atau tromol, dan menurunkan daya rem (Contoh 5).

Sistem hidraulik rem

Pedal rem menekan torak di silinder induk, dan tekanan minyak diteruskan melalui pipa dan selang ke kaliper dan silinder roda, seperti hukum Pascal di Bab 9 · Fisika tentang fluida statis dan prinsip hidraulik di Bab 11 · Mekanikal & Mekatronika tentang pneumatik dan hidraulik mesin. Silinder induk (master cylinder) adalah silinder bertorak yang digerakkan pedal dan membangkitkan tekanan minyak rem. Karena luas torak kaliper jauh lebih besar dari torak silinder induk, gaya pedal yang kecil menjadi gaya jepit yang besar:

dengan $F_{\text{induk}}$ gaya pada torak silinder induk (N), $A_{\text{induk}}$ dan $A_{\text{kaliper}}$ luas torak (mm²), $p$ tekanan minyak (N/mm², sama dengan MPa), dan $F_{\text{kaliper}}$ gaya jepit pada satu torak kaliper (N). Rumus ini memberi gaya pada satu torak kaliper dan belum termasuk penguat rem (Latihan 3). Penguat rem (brake booster) adalah perangkat yang memakai vakum mesin atau pompa listrik untuk melipatgandakan gaya pedal. Sistem dibagi menjadi dua sirkuit, supaya kebocoran di satu sirkuit tidak menghilangkan seluruh rem.

Minyak rem bersifat menyerap air dari udara (hygroscopic). Air menurunkan titik didihnya: minyak rem baru umumnya mendidih di atas sekitar 230 °C, tetapi setelah menyerap beberapa persen air, titik didihnya dapat turun ke sekitar 150 °C untuk jenis yang umum. Jangan memakai apa pun selain minyak yang ditentukan. Jenis minyak rem tidak boleh dicampur sembarangan, dan minyak lain seperti oli mesin merusak karet perapat. Minyak rem juga merusak cat, sehingga tumpahan segera dibersihkan.

Panas dan pudar rem

Pada turunan panjang, rem harus menyerap energi potensial kendaraan:

dengan $E$ dalam joule, $m$ dalam kg, $g$ 9,81 m/s², dan $h$ beda tinggi turunan (m). Energi ini jauh lebih besar dari energi satu kali berhenti, dan bila diserap rem tanpa sempat dibuang, suhu cakram dan tromol naik sangat tinggi (Contoh 2). Akibatnya:

1. Pudar rem (brake fade): koefisien gesek kanvas turun pada suhu tinggi, sehingga pedal yang sama memberi pengereman lebih lemah.
2. Uap di minyak rem: minyak di kaliper yang panas mendidih bila titik didihnya sudah turun, gelembung uap terbentuk, dan pedal menjadi dalam dan lunak (Contoh 3).
3. Cakram melengkung atau tebalnya tidak rata: setelah sangat panas, terutama bila kendaraan berhenti dengan rem tetap diinjak, cakram dapat berubah bentuk, dan pedal bergetar saat direm.

Cara mencegah adalah memakai pengereman mesin dengan gigi rendah di turunan panjang, seperti pemilihan gigi di Bab 5 tentang transmisi dan penggerak, mengurangi kecepatan sebelum turunan, dan mengganti minyak rem menurut jadwal pabrik. Pada kendaraan listrik, pengereman regeneratif mengambil sebagian besar energi turunan dan mengisi baterai, seperti di Bab 1 tentang kendaraan sebagai aliran energi dan Bab 2 tentang baterai, motor traksi, dan pengereman, sehingga rem gesek lebih jarang panas.

ABS, kendali stabilitas, dan rem parkir

ABS dan kendali stabilitas

Roda yang terkunci saat direm tidak dapat dikemudikan dan gesekannya lebih rendah dari roda yang masih berputar sedikit. Sistem rem antiterkunci (anti-lock braking system, ABS) adalah sistem yang menahan pengereman sedikit di bawah titik ketika selip akan dimulai. Sensor kecepatan di setiap roda dan katup pengatur tekanan menurunkan, menahan, dan menaikkan tekanan rem beberapa kali per detik bila satu roda mulai mengunci.

Rasio selip (slip ratio) adalah selisih kecepatan kendaraan dan kecepatan keliling roda dibagi kecepatan kendaraan:

dengan $v$ kecepatan kendaraan (m/s), $\omega$ kecepatan sudut roda (rad/s), $r$ jari-jari roda (m), dan $\omega r$ kecepatan keliling roda. Rasio selip 0 berarti roda menggelinding tanpa selip, dan 1 berarti roda terkunci. Gesekan terbesar biasanya terjadi pada selip sekitar 10 sampai 20 persen, dan ABS menjaga roda di sekitar daerah itu. Pedal yang berdenyut dan bunyi berderak saat ABS bekerja adalah normal; pengemudi tetap menginjak pedal dengan kuat. Lampu peringatan ABS yang menyala berarti fungsi antiterkunci tidak bekerja, walaupun rem biasa masih bekerja.

Rem parkir dan menyangga kendaraan

Rem parkir (parking brake) adalah rem yang menahan kendaraan dengan mekanisme yang terpisah dari pedal, biasanya pada roda belakang. Pada tanjakan basement seperti di Bab 5 tentang transmisi dan penggerak, gaya yang harus ditahan sama dengan gaya tanjakan, yang dapat ribuan newton untuk kendaraan bermuatan (Contoh 6). Saat bekerja dengan kendaraan dan peralatan beroda, ban harus berisi angin dengan benar dan roda harus ditahan agar tidak bergerak. Untuk pekerjaan di bawah atau di sekitar kendaraan, roda diganjal dan kendaraan disangga dengan penyangga yang sesuai, tidak hanya dongkrak, seperti di Bab 9 · Keselamatan tentang mengangkat dan memindahkan beban.

Ban, suspensi, dan kemudi

Ban

Ban memikul bobot, memindahkan gaya dorong, pengereman, dan belok ke jalan, dan meredam guncangan. Peringkat ban dapat ditunjukkan dengan angka jumlah lapis, dan tapak karet divulkanisasi di atas sabuk dan lapisan. Hal yang diperhatikan:

1. Indeks beban dan kecepatan (load index dan speed rating): setiap ban mempunyai beban terbesar dan kecepatan terbesar yang tertera di dindingnya; muatan kendaraan pengantar sering mendekati batas ini (Contoh 4).
2. Tekanan angin: menurut label kendaraan, diperiksa saat ban dingin. Tekanan rendah menaikkan hambatan gelinding dan panas di dinding ban, mempercepat aus di kedua tepi, dan dapat membuat ban pecah.
3. Kedalaman alur: alur yang dangkal mengurangi kemampuan membuang air di jalan basah.
4. Umur: karet menua walaupun alurnya masih dalam; ban yang retak di dinding diganti.
5. Pola aus: aus di tengah menunjuk tekanan terlalu tinggi; di kedua tepi, terlalu rendah; di satu tepi, penyetelan roda yang salah.

Suspensi

Suspensi (suspension) adalah susunan yang menjaga roda tetap menapak di jalan dan meredam guncangan, dengan pegas yang memikul bobot dan peredam kejut yang meredam ayunan pegas. Bodi dipisahkan dari lendutan sasis oleh dudukan karet. Peredam kejut yang bocor atau lemah membuat kendaraan terus berayun setelah melewati gundukan, roda kehilangan kontak dengan jalan sesaat, dan jarak pengereman bertambah. Pegas yang patah atau kendaraan yang terus dibebani berlebih membuat kendaraan miring dan mengubah penyetelan roda.

Kemudi dan penyetelan roda

Penyetelan roda (wheel alignment) adalah pengaturan sudut roda terhadap kendaraan dan jalan: kesejajaran depan (toe), yaitu apakah roda depan sedikit menguncup atau membuka dilihat dari atas; kemiringan roda (camber) dilihat dari depan; dan sudut sumbu kemudi (caster) dilihat dari samping, yang membuat kemudi kembali lurus. Perubahan kesejajaran menimbulkan aus ban, dan ada keadaan yang membuat bagian depan mobil bergoyang atau bergetar ke kiri dan kanan.

Benturan dengan lubang atau trotoar, sambungan kemudi yang aus, dan bantalan roda yang longgar mengubah penyetelan. Gejalanya adalah ban aus di satu tepi, kemudi tidak lurus saat kendaraan berjalan lurus, kendaraan menarik ke satu sisi, dan getaran kemudi pada kecepatan tertentu. Getaran kemudi juga dapat berasal dari roda yang tidak seimbang, seperti ketidakseimbangan rotor.

Rem pada forklift dan troli listrik

Forklift dan troli listrik di gudang laundry bergerak pelan, tetapi beratnya besar dan pusat beratnya berubah ketika beban diangkat. Hal yang khas pada alat seperti ini:

1. Rem otomatis saat pengemudi melepas kendali: banyak troli listrik mengerem sendiri ketika tuas dilepas atau pengemudi turun; fungsi ini diuji setiap hari, bukan hanya rem utama.
2. Pengereman regeneratif: motor penggerak memperlambat alat sambil mengisi baterai; rem gesek mekanis tetap menjadi rem parkir dan rem darurat.
3. Beban dan jalan landai: dengan beban terangkat tinggi, pengereman mendadak dapat membuat alat terguling ke depan. Di jalan landai, beban diarahkan sesuai petunjuk pembuat, dan alat tidak diparkir di tanjakan.
4. Ban padat atau ban tekan: tidak kempis, tetapi aus dan retak tetap diperiksa karena mengubah tinggi garpu dan pengereman.
5. Lantai basah: lantai laundry yang basah dan berdeterjen sangat licin; kecepatan dan jarak henti disesuaikan.

Pemeriksaan harian sebelum pemakaian, oleh pengemudi yang terlatih, mencakup rem utama, rem parkir, klakson, lampu, dan kebocoran minyak hidraulik.

Pemeriksaan harian dan berkala

Untuk armada kecil, pemeriksaan yang umum:

1. Sebelum berangkat, oleh sopir: lampu rem, ketinggian minyak rem di tabung, rasa pedal, tekanan dan keadaan ban, bocoran di bawah kendaraan, dan lampu peringatan di dasbor.
2. Mingguan: tekanan ban dengan alat ukur, kedalaman alur, dan pola aus.
3. Berkala menurut manual: tebal kanvas dan sepatu, keadaan cakram dan tromol, selang dan pipa rem, penggantian minyak rem, peredam kejut, sambungan kemudi, dan penyetelan roda.
4. Setelah kejadian: benturan dengan lubang atau trotoar, rem terasa berubah setelah turunan, atau bunyi baru dari roda.

Catatan setiap kendaraan memuat tanggal pemeriksaan, temuan, dan pekerjaan bengkel, sehingga pola seperti kanvas depan yang aus sangat cepat pada rute berbukit terlihat dan dapat dijelaskan.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: jarak henti. Dengan waktu reaksi 1 detik dan perlambatan 6 m/s² di jalan kering, jarak henti mobil boks dari 60 km/jam, yaitu 16,7 m/s, adalah $16{,}7 + 16{,}7^2/(2 \times 6) = 16{,}7 + 23{,}2 = 39{,}9$ m. Di jalan basah dengan perlambatan 4 m/s², jaraknya $16{,}7 + 34{,}9 = 51{,}6$ m.

Contoh 2: energi turunan. Turunan dengan beda tinggi 200 m untuk kendaraan 3.500 kg menghasilkan $3.500 \times 9{,}81 \times 200 = 6{,}87$ MJ. Bila seluruhnya diserap cakram dan tromol bermassa total 36 kg dengan kalor jenis 0,46 kJ/kgK tanpa pendinginan, suhunya naik $6.870/(36 \times 0{,}46) = 415$ K. Pendinginan mengurangi angka ini, tetapi menunjukkan mengapa pengereman mesin diperlukan.

Contoh 3: titik didih minyak rem. Bila kaliper mencapai 180 °C setelah turunan panjang, minyak rem baru yang mendidih di atas sekitar 230 °C masih cair, tetapi minyak berumur empat tahun yang titik didihnya turun ke sekitar 150 °C mendidih dan membentuk gelembung uap, sehingga pedal menjadi dalam dan lunak.

Contoh 4: beban ban. Poros belakang mobil boks bermuatan penuh menanggung 2.400 kg, yaitu 1.200 kg per ban tunggal. Ban dengan beban terbesar 1.120 kg menurut indeks bebannya kelebihan beban sekitar 7 persen, sehingga muatan dikurangi atau ban diganti dengan indeks beban yang sesuai menurut manual kendaraan.

Contoh 5: umur kanvas rem. Kanvas baru setebal 10 mm dengan batas ganti 3 mm, dan pada rute berbukit aus sekitar 0,5 mm per 1.000 km. Kanvas mencapai batas setelah sekitar $(10 - 3)/0{,}5 \times 1.000 = 14.000$ km, jauh lebih cepat dari rute datar.

Contoh 6: rem parkir di tanjakan. Gaya tanjakan untuk kendaraan 3.500 kg pada kemiringan 12 persen sekitar 4.090 N, seperti di Bab 5 tentang transmisi dan penggerak. Bila rem parkir hanya mampu menahan 3.500 N pada keadaan kanvas belakang yang aus, kendaraan dapat bergerak turun; roda diganjal dan rem parkir diperiksa.

Kondisi berhenti

Hentikan pemakaian kendaraan dan serahkan kepada bengkel yang berwenang bila:

1. Pedal rem terasa dalam, lunak, atau turun perlahan saat ditahan, atau ketinggian minyak rem turun tanpa sebab yang jelas.
2. Ada bunyi gesekan logam dari roda, bau rem hangus terus-menerus, atau kendaraan menarik keras ke satu sisi saat direm.
3. Ban menunjukkan benjolan, sobekan, kawat terlihat, atau aus sampai batas.
4. Kemudi terasa longgar, berat sebelah, atau bergetar keras.
5. Pekerjaan di bawah kendaraan akan dilakukan tanpa penyangga dan ganjal roda.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 4 · Fisika tentang gesekan dan hambatan gerak memberi batas gesekan ban dengan jalan, Bab 9 · Fisika tentang fluida statis memberi hukum Pascal, dan Bab 11 · Mekanikal & Mekatronika tentang pneumatik dan hidraulik mesin memberi prinsip hidraulik di balik silinder induk dan kaliper. Bab 5 tentang transmisi dan penggerak memberi pemilihan gigi untuk pengereman mesin dan gaya tanjakan yang harus ditahan rem parkir. Bab 1 tentang kendaraan sebagai aliran energi dan Bab 2 tentang baterai, motor traksi, dan pengereman membahas pengereman regeneratif, dan Bab 9 · Keselamatan tentang mengangkat dan memindahkan beban membahas dongkrak dan penyangga. Bab 7 tentang baterai traksi dan pengisian melanjutkan rak ini.

Latihan dan pembahasan