Transmisi dan penggerak: rasio roda gigi, kopling, transmisi otomatis dan CVT, diferensial, poros penggerak, dan gaya dorong di roda

Sebuah laundry mengantar linen ke hotel yang ruang penerimaan barangnya berada di lantai bawah tanah, dengan jalan landai yang curam dan tikungan di tengahnya. Mobil boks bertransmisi manual yang bermuatan penuh sering tersendat di tengah tanjakan saat keluar, dan sopir menahan kopling setengah injak supaya mobil tidak mundur ketika menunggu palang pintu terbuka. Beberapa bulan kemudian, tercium bau hangus setiap kali mobil keluar dari basement, dan pada jalan datar putaran mesin naik tanpa kecepatan ikut naik: kopling sudah selip.

Pengelola bertanya apakah mobilnya terlalu lemah untuk muatan itu, atau ada yang salah dengan cara memakainya. Untuk menjawab, teknisi menghitung gaya yang diperlukan untuk menaiki tanjakan dengan muatan penuh, gaya dorong di roda pada setiap gigi, dan kemampuan kopling memindahkan torsi. Hasilnya menunjukkan bahwa mobil itu cukup kuat bila memakai gigi satu, tetapi kebiasaan menahan kopling setengah injak mengubah kopling menjadi rem gesek yang memanaskan dirinya sendiri. Bab ini menjelaskan cara kerja transmisi dan penggerak dengan angka yang dapat diperiksa.

Batas pembahasan

Bab ini membahas transmisi dan penggerak kendaraan dari sisi teknisi dan pengelola kendaraan: gaya hambat, rasio roda gigi, gaya dorong di roda, kopling, transmisi manual, otomatis, dan CVT, diferensial, poros penggerak, efisiensi, dan gejala gangguan. Pembongkaran dan penyetelan transmisi mengikuti manual pabrik dan dikerjakan bengkel. Gaya, torsi, dan transmisi daya ada di Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika; roda gigi dan gearbox di Bab 7 · Mekanikal & Mekatronika; poros dan kopling mesin di Bab 5 · Mekanikal & Mekatronika; pelumasan di Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika; gesekan dan hambatan fluida di Bab 4 · Fisika; trigonometri kemiringan di Bab 8 · Satuan & Matematika; mesin dan torsinya di Bab 3; kendaraan sebagai aliran energi di Bab 1. Sumbernya adalah narasi Mekanikal, terutama buku istilah teknik mesin, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Angka untuk kendaraan tertentu diambil dari manual pabrik; angka umum ditandai nilai literatur umum; angka contoh adalah angka latihan.

Mengapa kendaraan memerlukan transmisi

Mesin pembakaran dalam hanya menghasilkan torsi yang berguna pada rentang putaran tertentu, misalnya sekitar 1.000 sampai 5.000 putaran per menit, dan tidak dapat mulai dari diam dengan beban, seperti dibahas di Bab 3. Roda, sebaliknya, harus berputar dari nol sampai beberapa ratus putaran per menit, dengan gaya yang sangat besar saat mulai dan menanjak dan gaya yang kecil saat melaju datar. Transmisi menjembatani keduanya: pada gigi rendah, torsi diperbesar dan putaran diperkecil; pada gigi tinggi, sebaliknya (nilai literatur umum).

Daya tidak dapat diperbesar oleh transmisi. Hubungan daya, gaya, dan kecepatan di roda, seperti di Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika, adalah:

sehingga gaya dorong yang besar hanya dapat diperoleh pada kecepatan yang kecil untuk daya mesin yang sama. Itulah sebabnya kendaraan bermuatan penuh menanjak pelan di gigi rendah: bila sopir memaksa kecepatan yang lebih tinggi, daya yang diperlukan melampaui daya mesin pada putaran itu, dan mesin melambat sampai hampir mati.

Gaya hambat kendaraan

Gaya yang harus diatasi kendaraan terdiri dari empat bagian (nilai literatur umum):

dengan $C_{rr}$ koefisien hambatan gelinding ban, sekitar 0,008 sampai 0,015 untuk ban kendaraan di jalan beraspal, $C_d$ koefisien hambat udara, sekitar 0,3 untuk mobil penumpang dan 0,4 sampai 0,6 untuk mobil boks, $A$ luas depan kendaraan, dan $\theta$ sudut tanjakan. Hambatan gelinding dan hambatan udara dijelaskan sebagai gesekan dan hambatan fluida di Bab 4 · Fisika, dan sudut tanjakan dari persen kemiringan di Bab 8 · Satuan & Matematika.

Pada kecepatan rendah, hambatan udara kecil dan tanjakan mendominasi. Pada kecepatan tinggi di jalan datar, hambatan udara mendominasi karena naik dengan kuadrat kecepatan.

Rasio roda gigi dan gaya dorong di roda

Gaya dorong di roda dari torsi mesin (nilai literatur umum):

dengan $T_e$ torsi mesin, $i_g$ rasio gigi transmisi, $i_f$ rasio akhir di diferensial, $\eta$ efisiensi penggerak, dan $r_w$ jari-jari roda dengan ban. Kecepatan kendaraan pada putaran mesin tertentu:

dengan $n_e$ putaran mesin per detik. Rasio gigi dan torsi pada roda gigi dibahas di Bab 7 · Mekanikal & Mekatronika. Narasi Mekanikal mengutip buku istilah teknik mesin bahwa gearbox berasio lebar dipakai pada sepeda motor jalan tanah dan uji ketangkasan, yaitu kendaraan yang memerlukan gigi sangat rendah untuk menanjak curam dan gigi tinggi untuk melaju.

Kopling gesek

Pada transmisi manual, kopling gesek menghubungkan dan memutus mesin dari transmisi. Narasi Mekanikal mengutip buku istilah teknik mesin bahwa hub kopling dipasang pada poros masuk gearbox, dan bahwa untuk menghidupkan mesin, gearbox harus netral dan kopling terhubung. Plat kopling yang berlapis bahan gesek dijepit di antara roda gila dan plat penekan oleh pegas (nilai literatur umum).

Torsi terbesar yang dapat dipindahkan kopling sebelum selip:

dengan $\mu$ koefisien gesek lapisan, $F_n$ gaya jepit pegas, $r_m$ jari-jari rata-rata lapisan, dan $z$ jumlah permukaan gesek, yaitu 2 untuk kopling plat tunggal. Selama kopling selip, perbedaan putaran di kedua sisinya mengubah daya menjadi panas di lapisan:

Saat mulai bergerak normal, selip ini hanya berlangsung satu atau dua detik dan panasnya kecil. Inilah yang terjadi ketika kopling ditahan setengah injak: sebagian besar daya mesin menjadi panas di lapisan kopling, lapisan terkikis dan mengilap, koefisien geseknya turun, dan pegas kehilangan kekuatannya karena panas. Kopling seperti bagian yang dibahas untuk kopling mesin di Bab 5 · Mekanikal & Mekatronika, tetapi dirancang untuk selip sebentar saat mulai bergerak, tidak untuk menahan kendaraan di tanjakan.

Transmisi manual

Transmisi manual berisi beberapa pasang roda gigi yang dipilih pengemudi, dengan penyerempak yang menyamakan putaran roda gigi sebelum terkait supaya perpindahan gigi halus (nilai literatur umum). Rasio gigi satu yang umum untuk kendaraan niaga ringan sekitar 4 sampai 5, dan gigi tertinggi sekitar 0,7 sampai 1 (nilai literatur umum; angka kendaraan dari manual).

Penyerempak yang aus membuat gigi berbunyi gemeretak saat dipindah, terutama ke gigi dua dan tiga, dan memaksa tuas gigi hanya mempercepat keausan itu. Pemakaian yang baik untuk tanjakan curam dengan muatan adalah memasuki tanjakan dengan gigi rendah yang sudah dipilih sebelumnya, tidak menunggu mesin hampir mati lalu berpindah gigi di tengah tanjakan. Untuk berhenti di tanjakan, rem tangan atau rem kaki dipakai menahan kendaraan, dan kopling hanya dilepas pelan saat mulai bergerak.

Transmisi otomatis dan pengubah torsi

Transmisi otomatis klasik memakai pengubah torsi dan perangkat roda gigi planet yang dipindah oleh kopling dan rem di dalamnya, dikendalikan hidraulik dan elektronik (nilai literatur umum). Pengubah torsi adalah kopling fluida dengan pompa, turbin, dan stator: saat mulai bergerak, ia memperbesar torsi sekitar dua kali; saat melaju, pengunci menyatukan kedua sisinya supaya tidak ada selip.

Pengubah torsi yang selip menghasilkan panas di minyak transmisi. Menahan kendaraan dengan pedal gas di tanjakan, menarik beban berat, atau terjebak macet lama di tanjakan menaikkan suhu minyak. Minyak yang terlalu panas cepat rusak dan merusak kopling di dalam transmisi, sehingga ketinggian, warna, dan bau minyak transmisi diperiksa menurut manual (nilai literatur umum).

Transmisi variabel kontinu

Transmisi variabel kontinu, sering disebut CVT, memakai sabuk atau rantai logam di antara dua puli yang diameter efektifnya dapat diubah, sehingga rasio berubah tanpa tingkatan (nilai literatur umum). Mesin dapat dijaga pada putaran yang efisien sementara kecepatan kendaraan berubah. Kelemahannya, kemampuan memindahkan torsi terbatas oleh gesekan sabuk dan puli, sehingga CVT jarang dipakai untuk kendaraan niaga berat, dan minyaknya harus jenis khusus yang sesuai manual.

Diferensial dan poros penggerak

Saat berbelok, roda luar menempuh jalan yang lebih panjang dari roda dalam, sehingga harus berputar lebih cepat. Diferensial memungkinkan dua roda pada satu poros berputar dengan kecepatan berbeda sambil tetap dibagi torsinya (nilai literatur umum). Diferensial juga berisi rasio akhir, yang mengalikan rasio transmisi.

Kelemahan diferensial biasa adalah torsi yang dibagi sama: bila satu roda berada di permukaan licin, roda itu berputar sendiri dan kendaraan tidak bergerak. Diferensial terbatas selip atau pengunci diferensial dipakai untuk kendaraan yang sering berada di permukaan licin.

Poros penggerak membawa torsi dari transmisi ke diferensial pada kendaraan berpenggerak roda belakang, dengan sambungan universal di kedua ujungnya; poros roda depan memakai sambungan kecepatan tetap yang dilindungi selubung karet (nilai literatur umum). Selubung yang robek membuat gemuk keluar dan kotoran masuk, lalu sambungan berbunyi berketuk saat berbelok.

Penggerak kendaraan listrik dan forklift

Motor listrik menghasilkan torsi besar sejak putaran nol dan bekerja pada rentang putaran yang jauh lebih lebar dari mesin pembakaran, sehingga kebanyakan kendaraan listrik hanya memakai satu rasio reduksi tetap ke diferensial, tanpa kopling dan tanpa perpindahan gigi (nilai literatur umum). Rumus gaya dorong di roda tetap sama, dengan torsi motor sebagai pengganti torsi mesin dan satu rasio sebagai pengganti $i_g\, i_f$. Karena torsi tersedia sejak diam, kendaraan listrik dapat mulai menanjak tanpa ada bagian yang selip; panasnya berpindah ke motor dan inverter, yang dibahas di bab lain rak ini, dan ke Bab 2.

Forklift dan troli listrik di gudang laundry bekerja dengan prinsip yang sama: motor penggerak dengan reduksi roda gigi ke roda, dan motor terpisah untuk pompa hidraulik pengangkat. Forklift bermesin pembakaran sering memakai transmisi otomatis dengan pengubah torsi, yang membuatnya mudah dikendalikan pelan tetapi memanaskan minyak bila sering maju mundur dengan beban berat (nilai literatur umum).

Bagi teknisi, perbedaan ini mengubah apa yang diperiksa: pada kendaraan listrik tidak ada kopling yang aus, tetapi rasio reduksi, bantalan, dan perapat di kotak reduksi tetap memerlukan minyak yang benar, dan bunyi dengung dari roda gigi lebih mudah terdengar karena tidak tertutup bunyi mesin.

Efisiensi dan panas

Setiap pasangan roda gigi kehilangan sekitar 1 sampai 3 persen daya, sehingga efisiensi penggerak keseluruhan dari mesin ke roda sekitar 85 sampai 95 persen untuk transmisi manual dan sedikit lebih rendah untuk transmisi otomatis tanpa pengunci (nilai literatur umum). Daya yang hilang menjadi panas di minyak transmisi dan diferensial. Minyak yang kurang, salah jenis, atau rusak menaikkan gesekan dan panas, seperti dibahas untuk pelumasan di Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika.

Perawatan dan gejala gangguan

Gejala yang umum (nilai literatur umum):

1. Kopling selip: putaran mesin naik tanpa kecepatan naik, terutama di gigi tinggi dan tanjakan; bau hangus.
2. Kopling bergetar saat mulai: lapisan tidak rata, roda gila tidak rata, atau dudukan mesin rusak.
3. Sulit masuk gigi: kopling tidak memutus sepenuhnya, penyerempak aus, atau minyak salah.
4. Bunyi dengung yang berubah dengan kecepatan: bantalan atau roda gigi diferensial dan transmisi.
5. Bunyi ketuk saat berbelok: sambungan kecepatan tetap yang aus.
6. Getaran pada kecepatan tertentu: poros penggerak tidak seimbang atau sambungan universal aus, seperti ketidakseimbangan rotor.
7. Transmisi otomatis terlambat pindah gigi atau menyentak: minyak kurang atau rusak, atau masalah kendali.
8. Bocoran minyak di perapat poros dan paking.

Perawatan yang umum adalah memeriksa ketinggian dan mutu minyak transmisi dan diferensial, menyetel atau memeriksa jarak main pedal kopling sesuai jenisnya, dan memeriksa selubung sambungan dan baut dudukan. Untuk armada pengantar, umur kopling dan minyak transmisi lebih ditentukan oleh rute dan cara mengemudi dari oleh jarak tempuh. Kendaraan yang setiap hari menaiki jalan landai basement dengan muatan penuh memerlukan pemeriksaan lebih sering dari yang hanya melaju di jalan datar, dan pelatihan singkat bagi sopir tentang pemilihan gigi dan cara berhenti di tanjakan sering lebih murah dari penggantian kopling berikutnya.

Contoh kerja

Contoh 1: hambatan gelinding. Mobil boks bermuatan bermassa 3.500 kg dengan $C_{rr} = 0{,}012$. $F_{\text{gelinding}} = 0{,}012 \times 3.500 \times 9{,}81 = 412$ N.

Contoh 2: hambatan udara. Dengan $C_d = 0{,}40$, luas depan 4 m², massa jenis udara 1,2 kg/m³, dan kecepatan 80 km/jam atau 22,2 m/s, $F_{\text{udara}} = 0{,}5 \times 1{,}2 \times 0{,}40 \times 4 \times 22{,}2^2 = 473$ N. Pada 40 km/jam, gaya ini tinggal seperempatnya, sekitar 118 N.

Contoh 3: gaya tanjakan. Jalan landai basement berkemiringan 12 persen mempunyai $\sin\theta \approx 0{,}119$. $F_{\text{tanjakan}} = 3.500 \times 9{,}81 \times 0{,}119 = 4.090$ N, sepuluh kali hambatan gelinding.

Contoh 4: gaya dorong di gigi satu. Torsi mesin 250 N·m, rasio gigi satu 4,5, rasio akhir 4,1, efisiensi 0,9, dan jari-jari roda 0,35 m memberi $F_{\text{roda}} = 250 \times 4{,}5 \times 4{,}1 \times 0{,}9/0{,}35 = 11.860$ N, cukup untuk tanjakan, hambatan gelinding, dan percepatan pelan.

Contoh 5: gaya dorong di gigi tiga. Dengan rasio 1,5, $F_{\text{roda}} = 250 \times 1{,}5 \times 4{,}1 \times 0{,}9/0{,}35 = 3.950$ N, lebih kecil dari 4.090 + 412 = 4.500 N yang diperlukan. Mobil tidak dapat menaiki tanjakan itu dengan gigi tiga, sehingga mesin hampir mati dan sopir terdorong memakai kopling setengah injak.

Contoh 6: kecepatan di gigi satu. Pada 2.000 putaran per menit, yaitu 33,3 per detik, $v = 2\pi \times 0{,}35 \times 33{,}3/(4{,}5 \times 4{,}1) = 73{,}2/18{,}45 = 3{,}97$ m/s, sekitar 14 km/jam, kecepatan yang wajar untuk jalan landai basement.

Contoh 7: kapasitas torsi kopling. Dengan $\mu = 0{,}3$, gaya jepit 6.000 N, jari-jari rata-rata 0,11 m, dan dua permukaan, $T_k = 0{,}3 \times 6.000 \times 0{,}11 \times 2 = 396$ N·m, sekitar 1,6 kali torsi mesin. Setelah lapisan mengilap sehingga $\mu$ turun menjadi 0,25 dan pegas melemah sehingga gaya jepit tinggal 4.000 N, $T_k = 220$ N·m, lebih kecil dari torsi mesin: kopling selip.

Contoh 8: panas saat kopling ditahan. Bila kopling ditahan selip dengan torsi 200 N·m dan beda putaran 800 putaran per menit, yaitu 13,3 per detik, daya yang menjadi panas $2\pi \times 13{,}3 \times 200 = 16.700$ W, sekitar 17 kW. Dalam 10 detik saja, sekitar 167 kJ panas masuk ke kopling dan roda gila.

Contoh 9: diferensial saat berbelok. Mobil dengan jarak antara roda kiri dan kanan 1,7 m berbelok dengan jari-jari roda dalam 6 m. Roda luar berjari-jari 7,7 m, sehingga menempuh $7{,}7/6 = 1{,}28$ kali jarak roda dalam dan harus berputar sekitar 28 persen lebih cepat.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada bengkel atau penyelia bila:

1. Kendaraan akan diperiksa di bawahnya tanpa penyangga yang benar; dongkrak saja tidak cukup, seperti aturan mengangkat beban di Bab 9 · Keselamatan.
2. Mesin akan dihidupkan dalam keadaan bergigi atau di ruang tertutup.
3. Kopling selip, bau hangus, atau transmisi otomatis tidak dapat masuk gigi, tetapi kendaraan tetap dipakai untuk tanjakan dan muatan penuh.
4. Bocoran minyak transmisi menetes ke knalpot atau bagian panas.
5. Pembongkaran transmisi atau kopling diperlukan.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Transmisi menambah daya." Transmisi menukar gaya dengan kecepatan; daya di roda selalu sedikit lebih kecil dari daya mesin.
2. "Menahan kopling setengah injak di tanjakan tidak apa-apa sebentar." Kopling yang selip mengubah belasan kilowatt menjadi panas dan cepat rusak.
3. "Mobil tidak kuat menanjak berarti mesin lemah." Gigi yang terlalu tinggi memberi gaya dorong yang terlalu kecil; gigi yang benar sering cukup.
4. "Hambatan udara tidak penting untuk mobil boks." Pada kecepatan jalan tol, hambatan udara menjadi bagian terbesar gaya hambat.
5. "Diferensial membagi putaran sama." Diferensial membagi torsi sama dan membiarkan putaran berbeda.
6. "Minyak transmisi apa pun dapat dipakai." Transmisi manual, otomatis, dan CVT memerlukan minyak yang berbeda; jenis yang salah merusak kopling dan sabuk di dalamnya.
7. "Kendaraan listrik tidak memerlukan perawatan penggerak." Tidak ada kopling, tetapi kotak reduksi, bantalan, perapat, poros roda, dan selubung sambungan tetap aus dan memerlukan pemeriksaan.

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika memberi torsi dan daya, Bab 7 · Mekanikal & Mekatronika roda gigi, Bab 5 · Mekanikal & Mekatronika kopling, Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika pelumasan, Bab 4 · Fisika gesekan dan hambatan fluida, Bab 8 · Satuan & Matematika kemiringan, Bab 3 torsi mesin, Bab 1 aliran energi kendaraan, dan Bab 9 · Keselamatan mengangkat beban, dan Bab 2 penggerak listrik. Bab berikutnya di rak ini membahas rem dan sasis.

Latihan dan pembahasan

1. Kendaraan 2.000 kg dengan $C_{rr} = 0{,}010$. Berapa hambatan gelindingnya?
2. Berapa gaya tanjakan untuk kendaraan itu pada kemiringan 8 persen, dengan $\sin\theta \approx 0{,}080$?
3. Torsi mesin 180 N·m, rasio gigi 3,5, rasio akhir 4,3, efisiensi 0,9, dan jari-jari roda 0,32 m. Berapa gaya dorong di roda?
4. Pada keadaan Latihan 3, berapa kecepatan kendaraan pada 2.500 putaran per menit?
5. Kopling dengan $\mu = 0{,}28$, gaya jepit 5.000 N, jari-jari rata-rata 0,10 m, dan dua permukaan. Berapa kapasitas torsinya, dan cukupkah untuk torsi mesin 180 N·m?
6. Mengapa kopling lebih cepat rusak pada kendaraan yang sering berhenti di tanjakan?

Kunci jawaban beralasan

1. $0{,}010 \times 2.000 \times 9{,}81 = 196$ N. Angka ini hampir tetap pada semua kecepatan rendah, tetapi naik bila ban kurang angin.
2. $2.000 \times 9{,}81 \times 0{,}080 = 1.570$ N, sekitar delapan kali hambatan gelinding pada Latihan 1, sehingga tanjakan yang menentukan pilihan gigi.
3. $180 \times 3{,}5 \times 4{,}3 \times 0{,}9/0{,}32 = 7.620$ N.
4. 2.500 putaran per menit sama dengan 41,7 per detik, jadi $v = 2\pi \times 0{,}32 \times 41{,}7/(3{,}5 \times 4{,}3) = 83{,}8/15{,}05 = 5{,}57$ m/s, sekitar 20 km/jam.
5. $T_k = 0{,}28 \times 5.000 \times 0{,}10 \times 2 = 280$ N·m, sekitar 1,6 kali torsi mesin, jadi cukup selama lapisan dan pegas dalam keadaan baik.
6. Setiap kali mulai bergerak di tanjakan, kopling harus selip lebih lama dengan torsi yang lebih besar untuk melawan gaya tanjakan, dan bila kopling ditahan setengah injak untuk menahan kendaraan, panas yang besar terus masuk ke lapisan. Lapisan terkikis dan mengilap, dan pegas melemah karena panas.

Referensi