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. 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.

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. Dongkrak dan penyangga untuk memeriksa kendaraan dari bawah dibahas di Bab 9 · Keselamatan tentang mengangkat dan memindahkan beban, dan rem kendaraan di Bab 6 tentang rem dan sasis.

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 tentang mesin pembakaran dalam. 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 (transmission) adalah susunan roda gigi atau perangkat lain di antara mesin dan roda yang mengubah perbandingan torsi dan putaran. Transmisi menjembatani keduanya: pada gigi rendah, torsi diperbesar dan putaran diperkecil; pada gigi tinggi, sebaliknya.

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

dengan $P$ daya di roda (W), $F$ gaya dorong di roda (N), dan $v$ kecepatan kendaraan (m/s). 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:

dengan semua gaya dalam newton, $m$ massa kendaraan dengan muatan (kg), $g$ percepatan gravitasi 9,81 m/s², $\rho$ massa jenis udara (kg/m³), $v$ kecepatan (m/s), dan $a$ percepatan (m/s²). Hambatan gelinding (rolling resistance) adalah gaya yang melawan gerak ban yang menggelinding di jalan, sebanding dengan berat kendaraan. Dalam rumus itu, $C_{rr}$ adalah 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 (m²), 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 tentang trigonometri lapangan.

Pada kecepatan rendah, hambatan udara kecil dan tanjakan mendominasi. Pada kecepatan tinggi di jalan datar, hambatan udara mendominasi karena naik dengan kuadrat kecepatan (Contoh 2). Kisaran $C_{rr}$ di atas berlaku untuk jalan beraspal, dan hambatan gelinding naik bila ban kurang angin (Latihan 1); nilai $C_{rr}$ dan $C_d$ untuk kendaraan tertentu tidak diambil dari kisaran itu.

Rasio roda gigi dan gaya dorong di roda

Rasio roda gigi (gear ratio) adalah perbandingan putaran poros masuk terhadap putaran poros keluar sepasang atau serangkaian roda gigi; rasio di atas satu memperkecil putaran dan memperbesar torsi. Gaya dorong di roda (tractive force) adalah gaya yang didorongkan ban ke jalan dari torsi yang sampai di roda. Gaya dorong di roda dari torsi mesin:

dengan $F_{\text{roda}}$ gaya dorong (N), $T_e$ torsi mesin (N·m), $i_g$ rasio gigi transmisi, $i_f$ rasio akhir di diferensial, $\eta$ efisiensi penggerak (0 sampai 1), dan $r_w$ jari-jari roda dengan ban (m). Kecepatan kendaraan pada putaran mesin tertentu:

dengan $v$ dalam m/s dan $n_e$ putaran mesin per detik. Kedua rumus menganggap ban tidak selip terhadap jalan. Rasio gigi dan torsi pada roda gigi dibahas di Bab 7 · Mekanikal & Mekatronika tentang roda gigi dan gearbox. 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

Kopling gesek (friction clutch) adalah kopling yang memindahkan torsi lewat gesekan antara permukaan yang dijepit, sehingga dapat dihubungkan dan diputus sambil berputar. Pada transmisi manual, kopling gesek menghubungkan dan memutus mesin dari transmisi. Hub kopling dipasang pada poros masuk gearbox, dan 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.

Torsi terbesar yang dapat dipindahkan kopling sebelum selip:

dengan $T_k$ kapasitas torsi (N·m), $\mu$ koefisien gesek lapisan, $F_n$ gaya jepit pegas (N), $r_m$ jari-jari rata-rata lapisan (m), 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:

dengan $P_{\text{panas}}$ dalam watt, $\Delta n$ beda putaran kedua sisi kopling per detik, dan $T$ torsi yang dipindahkan (N·m). 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 (Contoh 5 dan 6). 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, otomatis, dan CVT

Transmisi manual

Transmisi manual berisi beberapa pasang roda gigi yang dipilih pengemudi. Penyerempak (synchronizer) adalah bagian yang menyamakan putaran roda gigi sebelum terkait supaya perpindahan gigi halus. Rasio gigi satu yang umum untuk kendaraan niaga ringan sekitar 4 sampai 5, dan gigi tertinggi sekitar 0,7 sampai 1; angka untuk kendaraan tertentu dibaca dari manualnya.

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. Pengubah torsi (torque converter) 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.

Transmisi variabel kontinu

Transmisi variabel kontinu (continuously variable transmission, CVT) adalah transmisi yang memakai sabuk atau rantai logam di antara dua puli yang diameter efektifnya dapat diubah, sehingga rasio berubah tanpa tingkatan. 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 (differential) adalah perangkat roda gigi yang memungkinkan dua roda pada satu poros berputar dengan kecepatan berbeda sambil tetap dibagi torsinya. Diferensial juga berisi rasio akhir, yang mengalikan rasio transmisi. Sebagai gambaran, mobil dengan jarak antara roda kiri dan kanan 1,7 m yang berbelok dengan jari-jari roda dalam 6 m mempunyai roda luar berjari-jari 7,7 m, sehingga roda luar menempuh $7{,}7/6 = 1{,}28$ kali jarak roda dalam dan harus berputar sekitar 28 persen lebih cepat.

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 (propeller shaft) adalah poros yang 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. 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. 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 8 tentang motor traksi dan inverter dan di Bab 2 tentang baterai, motor traksi, dan keselamatan tegangan tinggi.

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.

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. Kotak reduksi, bantalan, perapat, poros roda, dan selubung sambungan juga tetap aus dan memerlukan pemeriksaan.

Efisiensi, perawatan, dan gejala gangguan

Efisiensi dan panas

Efisiensi penggerak (driveline efficiency) adalah perbandingan daya yang sampai di roda terhadap daya yang keluar dari mesin. 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. 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:

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

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

Contoh 1: hambatan gelinding dan gaya tanjakan. 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. 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 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 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 4: 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 5: 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 6: 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.

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 tentang mengangkat dan memindahkan beban.
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

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika tentang gaya, torsi, putaran, dan transmisi daya memberi dasar torsi dan daya, dan Bab 7 · Mekanikal & Mekatronika tentang roda gigi dan gearbox memberi rasio dan torsi pada pasangan roda gigi. Bab 5 · Mekanikal & Mekatronika tentang poros dan kopling membahas kopling mesin, dan Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika tentang pelumasan menjelaskan mengapa minyak yang kurang atau salah jenis menaikkan panas. Hambatan gelinding dan udara bersandar pada Bab 4 · Fisika tentang gesekan dan hambatan gerak, sudut tanjakan pada Bab 8 · Satuan & Matematika tentang trigonometri lapangan, dan torsi mesin pada Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam. Bab 1 menempatkan transmisi dalam kendaraan sebagai aliran energi, Bab 2 dan Bab 8 membahas motor traksi dan inverter kendaraan listrik, dan Bab 9 · Keselamatan tentang mengangkat dan memindahkan beban memberi aturan dongkrak dan penyangga. Bab 6 tentang rem dan sasis melanjutkan rak ini.

Latihan dan pembahasan