Apa Itu Kopling Hidraulik dan Bagaimana Cara Kerjanya dalam Sistem Tenaga Fluida?

Pendahuluan

Bayangkan mencoba menyalakan ban berjalan industri besar atau baling-baling kapal dengan membanting kopling mekanis secara bersamaan. Guncangan yang tiba-tiba kemungkinan besar akan merusak gigi, merusak mesin, dan menimbulkan pengalaman tidak nyaman bagi siapa pun di sekitarnya. Di sinilah kopling hidrolik—juga dikenal sebagai kopling fluida—memberikan solusi yang elegan. SEBUSEBUAHHlih-alih menggunakan kontak logam-ke-logam yang kaku, perangkat pintar ini hanya menggunakan cairan untuk menyalurkan daya dengan lancar dan efisien dari satu patauos berputar ke poros berputar lainnya.

Kopling hidrolik telah digunakan selama lebih dari satu abad, berasal dari karya insinyur Jerman Hermann Föttinger, yang mematenkan konsep tersebut pada tahun 1905. Saat ini, mereka ditemukan di mana-mana mulai dari transmisi otomatis di mobil Anda hingga mesin industri besar, sistem propulsi kelautan, dan bahkan lokomotif diesel. Namun meskipun penggunaannya tersebar luas, banyak orang tidak sepenuhnya memahami apa itu atau cara kerjanya.

Apa itu Kopling Hidraulik?

Definisi dan Konsep Inti

A kopling hidrolik —juga disebut a kopling fluida or kopling hidrodinamik —adalah perangkat yang mentransmisikan tenaga mekanik berputar dari satu poros ke poros lainnya menggunakan cairan, biasanya oli, sebagai media transmisi. Berbeda dengan kopling mekanis yang menggunakan pelat gesekan atau gearbox yang menggunakan gigi yang saling mengunci, kopling hidrolik memilikinya tidak ada koneksi mekanis langsung antara poros input dan output. Sebaliknya, tenaga mengalir melalui energi kinetik fluida.

Istilah “kopling hidrolik” sebenarnya dapat merujuk pada dua kategori perangkat yang berbeda, dan penting untuk memahami perbedaan ini. Menurut Britannica, ada dua tipe utama sistem transmisi tenaga hidrolik :

Artikel ini berfokus pada kopling fluida hidrokinetik , yang digunakan untuk memutar transmisi daya. Sistem hidrostatik (pompa hidrolik dan motor) adalah teknologi yang sama sekali berbeda, meskipun disebut juga “hidrolik”.

Tiga Komponen Utama

Kopling fluida sederhana terdiri dari tiga komponen utama, ditambah fluida hidrolik yang mengisi ruang kerja :

Perumahan (Shell) – Ini adalah selubung luar yang berisi fluida dan dua turbin. Itu harus memiliki segel kedap oli di sekitar poros penggerak untuk mencegah kebocoran. Rumahan juga berfungsi sebagai penghubung fisik antara poros masukan dan impeler pompa.

Pompa (Impeler) – Komponen berbentuk kipas ini dihubungkan langsung dengan poros masukan yang berasal dari penggerak mula (motor listrik, mesin pembakaran dalam, atau turbin uap). Ketika penggerak mula berputar, pompa ikut berputar dengan kecepatan yang sama. Pompa berisi bilah radial—biasanya berjumlah 20 hingga 40 bilah—yang mendorong dan mengarahkan cairan.

Turbin (Pelari) – Komponen mirip kipas kedua ini menghadap pompa dan dihubungkan ke poros keluaran, yang menggerakkan beban (seperti konveyor, pompa, atau transmisi kendaraan). Turbin tidak terhubung secara mekanis ke pompa; itu hanya menyentuh cairan yang diberikan pompa padanya.

Perbedaan dari Konverter Torsi

Perlu dicatat bahwa kopling hidrolik adalah tidak sama saja dengan konverter torsi, meski keduanya sering tertukar. Kopling fluida dasar mentransmisikan torsi tanpa mengalikannya—torsi keluaran sama dengan torsi masukan (dikurangi kerugian kecil). Sebaliknya, konverter torsi mencakup komponen tambahan yang disebut a stator yang mengalihkan aliran fluida untuk melipatgandakan torsi pada kecepatan rendah. Dalam aplikasi otomotif, konverter torsi sebagian besar telah menggantikan kopling fluida sederhana sejak akhir tahun 1940an karena memberikan kinerja kecepatan rendah yang lebih baik. Namun, kopling fluida tetap banyak digunakan di lingkungan industri yang tidak memerlukan penggandaan torsi.

Bagaimana Cara Kerja Kopling Hidraulik?

Prinsip Föttinger

Setiap kopling hidrolik modern beroperasi pada apa yang dikenal sebagai Prinsip Fottinger , dinamai menurut insinyur Jerman yang pertama kali mematenkan konsep tersebut pada tahun 1905 . Prinsipnya tampak sederhana: sebuah pompa mempercepat fluida keluar, dan fluida yang bergerak kemudian menumbuk turbin, menyebabkan turbin berputar. Cairan kemudian kembali ke pompa untuk mengulangi siklusnya.

Anggap saja seperti dua kipas yang saling berhadapan di dalam wadah tertutup berisi minyak. Jika Anda menyalakan salah satu kipas (pompa), bilahnya akan mendorong oli. Oli yang bergerak tersebut kemudian membentur bilah kipas kedua (turbin), sehingga menyebabkannya berputar. Kipas kedua tidak terhubung ke kipas pertama melalui sambungan padat apa pun—hanya melalui fluida yang bergerak. Inilah inti dari transmisi tenaga hidrodinamik.

Langkah-demi-Langkah: Siklus Transmisi Daya

Mari kita lihat apa yang sebenarnya terjadi di dalam kopling hidrolik selama pengoperasian normal.

Langkah 1 – Penggerak Utama Memutar Pompa

Mesin atau motor listrik memutar poros masukan yang dihubungkan dengan impeler pompa. Saat pompa berputar, bilah radialnya menangkap cairan hidrolik (biasanya oli) di dalam rumah kopling. Bilahnya dibuat miring sehingga membuang cairan ke luar dan secara tangensial, seperti pompa sentrifugal.

Langkah 2 – Cairan Mendapatkan Energi Kinetik

Pompa memberikan gerakan linier ke luar dan gerakan rotasi ke fluida. Saat fluida bergerak dari pusat pompa menuju tepi luar, ia memperoleh energi kinetik yang signifikan. Semakin cepat pompa berputar, semakin banyak energi yang diserap fluida. Hubungannya sebanding dengan kuadrat kecepatan masukan: torsi yang ditransmisikan meningkat seiring kuadrat kecepatan masukan, sedangkan daya yang ditransmisikan meningkat seiring pangkat tiga kecepatan masukan.

Langkah 3 – Cairan Memukul Bilah Turbin

Fluida berenergi diarahkan oleh bentuk pompa menuju turbin (runner). Karena pompa dan turbin saling berhadapan dengan celah kecil di antara keduanya, cairan mengalir melewati celah ini dan mengenai bilah turbin. Gaya tumbukan ini memindahkan momentum sudut dari fluida ke turbin, menyebabkan turbin berputar di dalam turbin arah yang sama sebagai pompa.

Langkah 4 – Cairan Kembali ke Pompa

Setelah menyerahkan sebagian besar energinya ke turbin, fluida mengalir kembali menuju pusat kopling dan masuk kembali ke pompa. Hal ini menciptakan kontinuitas pola aliran toroidal —cairan bersirkulasi di sekitar jalur berbentuk donat (torus) di dalam kopling. Selama pompa terus berputar, fluida terus bersirkulasi dan menyalurkan torsi.

Langkah 5 – Torsi Dikirim ke Beban

Turbin terhubung ke poros keluaran, yang menggerakkan beban. Saat turbin berputar, ia memutar poros keluaran, menyalurkan tenaga mekanis ke mesin apa pun yang terhubung—baik itu ban berjalan, impeler pompa, transmisi kendaraan, atau baling-baling kapal.

Jalur Aliran Fluida (Sirkulasi Toroidal)

Pergerakan fluida di dalam kopling hidrolik mengikuti jalur toroidal (berbentuk donat) yang menarik. Ada dua komponen gerakan ini:

• Aliran melingkar – Fluida berputar mengelilingi sumbu rotasi, mengikuti keliling kopling.
• Aliran meridian – Fluida berpindah dari pompa ke turbin dan kembali lagi, menciptakan siklus daur ulang.

Ketika poros input dan output berputar pada kecepatan yang sama, tidak ada aliran bersih dari satu turbin ke turbin lainnya—fluida hanya berputar di tempatnya. Namun ketika ada perbedaan kecepatan antara pompa dan turbin (yang selalu ada di bawah beban), fluida mengalir deras dari pompa ke turbin, mentransmisikan torsi.

Karakteristik Operasi Utama

Slip – Perbedaan Kecepatan yang Tak Terelakkan

Salah satu karakteristik terpenting dari setiap kopling fluida adalah tergelincir . Slip adalah selisih kecepatan putaran antara poros masukan (pompa) dan poros keluaran (turbin), yang dinyatakan dalam persentase.

Kopling fluida tidak dapat mengembangkan torsi keluaran ketika kecepatan sudut masukan dan keluaran sama . Artinya, saat diberi beban, turbin harus selalu berputar sedikit lebih lambat dibandingkan pompa. Dalam kopling hidrolik yang dirancang dengan baik pada kondisi pembebanan normal, kecepatan poros yang digerakkan adalah sekitar 3 persen lebih sedikit daripada kecepatan poros penggerak. Untuk kopling yang lebih kecil, slip dapat berkisar dari 1,5% (unit daya besar) hingga 6% (unit daya kecil).

Mengapa tergelincir itu penting? Karena slip melambangkan energi yang hilang. Daya yang tidak disalurkan ke poros keluaran akan hilang sebagai panas di dalam fluida karena gesekan internal dan turbulensi. Inilah sebabnya mengapa kopling fluida tidak 100% efisien—efisiensi umumnya berkisar antara 95% hingga 98% . Energi yang hilang memanaskan fluida hidrolik, itulah sebabnya banyak kopling fluida memerlukan sistem pendingin atau dirancang untuk menghilangkan panas secara efektif.

Kecepatan Kios

Karakteristik penting lainnya adalah kecepatan terhenti . Ini didefinisikan sebagai kecepatan tertinggi dimana pompa dapat berputar ketika turbin keluaran terkunci (tidak dapat bergerak) dan torsi masukan diterapkan penuh. Dalam kondisi mati, seluruh tenaga mesin pada kecepatan tersebut diubah menjadi panas di dalam kopling fluida. Pengoperasian yang terlalu lama dalam keadaan terhenti dapat merusak kopling, segel, dan cairan.

Kecepatan terhenti sangat relevan dalam aplikasi otomotif. Saat Anda berhenti di lampu lalu lintas dengan transmisi otomatis aktif, konverter torsi (yang berevolusi dari kopling fluida) berada dalam kondisi mati sebagian. Mesin dalam keadaan idle, dan kopling fluida menghamburkan sejumlah kecil tenaga sebagai panas.

Kontrol Scoop untuk Kecepatan Variabel

Salah satu fitur paling berharga dari kopling fluida industri adalah kemampuannya untuk memvariasikan kecepatan keluaran tanpa mengubah kecepatan masukan. Hal ini dicapai dengan menggunakan a kontrol sendok sistem.

Sendok adalah pipa tidak berputar yang memasuki kopling berputar melalui hub pusat. Dengan menggerakkan scoop ini—baik memutarnya atau memanjangkannya—operator dapat mengeluarkan cairan dari ruang kerja dan mengembalikannya ke reservoir eksternal. Lebih sedikit cairan dalam kopling berarti transmisi torsi lebih sedikit dan, oleh karena itu, kecepatan poros keluaran lebih rendah. Ketika diperlukan kecepatan lebih, cairan dipompa kembali ke kopling.

Hal ini memungkinkan untuk kontrol kecepatan variabel stepless mesin besar seperti pompa umpan boiler, kipas angin, dan konveyor. Motor listrik dapat berjalan pada kecepatan yang konstan dan efisien sedangkan kecepatan keluarannya dapat diatur dengan lancar sesuai kebutuhan.

Jenis Kopling Hidraulik

Kopling Isi Konstan

Jenis kopling hidrolik yang paling dasar adalah pengisian konstan kopling. Seperti namanya, kopling ini mengandung volume cairan tetap yang tetap berada di ruang kerja setiap saat. Mereka sederhana, dapat diandalkan, dan memerlukan perawatan minimal.

Kopling pengisian konstan menyediakan:

• Akselerasi mulus dan bebas guncangan
• Perlindungan kelebihan beban (jika beban macet, kopling malah selip dan bukannya menghentikan motor)
• Peredam getaran torsi

Ini umumnya ditemukan dalam aplikasi industri seperti konveyor, penghancur, kipas angin, dan pompa. Seri Transfluid K adalah contoh kopling pengisian konstan, tersedia untuk aplikasi yang digerakkan oleh listrik dan diesel.

Kopling Penundaan-Pengisian

A kopling pengisian tunda (juga dikenal sebagai kopling rangkaian langkah) menambahkan reservoir yang menampung sebagian fluida ketika poros keluaran diam atau berputar perlahan. Hal ini mengurangi hambatan pada poros input selama penyalaan, yang memiliki dua manfaat:

• Konsumsi bahan bakar lebih rendah saat mesin dalam keadaan idle
• Mengurangi “merayap” dalam aplikasi otomotif (kecenderungan kendaraan untuk bergerak maju saat gigi dalam keadaan idle)

Setelah poros keluaran mulai berputar, gaya sentrifugal membuang cairan keluar dari reservoir dan kembali ke ruang kerja utama, memulihkan kemampuan transmisi daya penuh.

Kopling Isian Variabel (Terkendali Sendok).

Seperti dijelaskan di atas, kopling pengisian variabel menggunakan tabung sendok untuk mengontrol jumlah cairan di ruang kerja saat kopling beroperasi. Hal ini memungkinkan kontrol kecepatan yang terus menerus dan tanpa langkah pada peralatan yang digerakkan. Ini digunakan dalam aplikasi yang memerlukan kecepatan keluaran variabel, seperti:

• Pompa umpan boiler menggerakkan pembangkit listrik
• Penggerak kipas dan blower besar
• Sistem propulsi kelautan
• Penggerak kompresor sentrifugal

Aplikasi Kopling Hidraulik

Mesin Industri

Kopling fluida digunakan secara luas dalam aplikasi industri yang melibatkan daya rotasi, terutama di mana permulaan inersia tinggi atau adanya pembebanan siklik yang konstan. Contoh umum meliputi:

• Konveyor – Start yang mulus mencegah kerusakan belt dan tumpahan material
• Penghancur dan penghancur – Melindungi motor jika crusher macet pada material yang tidak mudah pecah
• Pompa sentrifugal – Memungkinkan motor untuk memulai tanpa beban, kemudian secara bertahap meningkatkan kecepatan pompa
• Kipas dan blower – Menyediakan kontrol kecepatan variabel untuk penghematan energi
• Mixer dan pulper – Menyerap beban kejut dari material yang tidak beraturan

Propulsi Laut

Kapal dan perahu menggunakan kopling fluida antara mesin diesel dan poros baling-baling. Kopling fluida memberikan beberapa manfaat dalam lingkungan yang menuntut ini:

• Hal ini memungkinkan mesin untuk hidup dan idle tanpa memutar baling-baling
• Ini meredam getaran torsi dari mesin
• Ini memberikan interaksi yang mulus dan bebas guncangan saat daya dialirkan
• Ini melindungi drivetrain jika baling-baling menabrak puing-puing

Transportasi Kereta Api

Lokomotif diesel dan beberapa unit diesel (DMU) sering menggunakan kopling fluida sebagai bagian dari sistem transmisi tenaganya. Pabrikan seperti Voith memproduksi transmisi turbo yang menggabungkan kopling fluida dan konverter torsi untuk aplikasi kereta api. Perusahaan Self-Changing Gears membuat transmisi semi otomatis untuk British Rail yang menggunakan kopling fluida.

Otomotif (Historis)

Dalam aplikasi otomotif, pompa biasanya dihubungkan ke roda gila mesin (rumah kopling bahkan mungkin merupakan bagian dari roda gila itu sendiri), dan turbin dihubungkan ke poros input transmisi. Perilaku kopling fluida sangat mirip dengan kopling mekanis yang menggerakkan transmisi manual—saat kecepatan mesin meningkat, torsi ditransfer dengan lancar ke transmisi.

Aplikasi otomotif yang paling terkenal adalah Roda Gila Cairan Daimler , digunakan bersama dengan gearbox pra-selektor Wilson. Daimler menggunakan ini di seluruh jajaran mobil mewahnya hingga beralih ke gearbox otomatis pada Majestic 1958. General Motors juga menggunakan kopling fluida di Hidramatis transmisi, diperkenalkan pada tahun 1939 sebagai transmisi otomatis penuh pertama pada mobil yang diproduksi secara massal.

Saat ini, konverter torsi hidrodinamik telah banyak menggantikan kopling fluida sederhana pada mobil penumpang karena konverter torsi memberikan penggandaan torsi pada kecepatan rendah, sehingga meningkatkan akselerasi dari keadaan berhenti.

Penerbangan

Kopling fluida juga digunakan dalam penerbangan. Contoh yang paling menonjol adalah di Mesin bolak-balik senyawa turbo Wright , digunakan pada pesawat seperti Lockheed Constellation dan Douglas DC-7. Tiga turbin pemulihan daya mengekstraksi sekitar 20 persen energi (sekitar 500 tenaga kuda) dari gas buang mesin. Dengan menggunakan tiga kopling fluida dan roda gigi, tenaga turbin berkecepatan tinggi dan torsi rendah ini diubah menjadi keluaran torsi tinggi berkecepatan rendah untuk menggerakkan baling-baling.

Manfaat dan Keterbatasan

Manfaat Kopling Hidraulik

Keterbatasan dan Pertimbangan

Slip yang melekat – Kopling fluida tidak dapat mencapai efisiensi 100% karena diperlukan slip untuk transmisi torsi. Beberapa tenaga selalu hilang sebagai panas.

Pembangkitan panas – Dalam kondisi terhenti atau tergelincir berat, panas yang dihasilkan cukup besar. Kopling besar mungkin memerlukan pendinginan eksternal.

Efisiensi lebih rendah dibandingkan kopling kaku – Karena kehilangan dinamika fluida internal, transmisi hidrodinamik cenderung memiliki efisiensi transmisi yang lebih rendah dibandingkan transmisi yang digabungkan secara kaku seperti penggerak sabuk atau girboks.

Pemeliharaan cairan – Cairan hidrolik menurun seiring waktu dan harus diganti secara berkala. Viskositas cairan mempengaruhi kinerja, dan cairan yang salah dapat menyebabkan panas berlebih.

Tidak cocok untuk sinkronisasi kecepatan yang presisi – Jika poros input dan output harus berputar pada kecepatan yang sama, kopling fluida tidak dapat digunakan karena slip melekat pada pengoperasiannya.

Pertanyaan yang Sering Diajukan (FAQ)

Q1: Apa perbedaan antara kopling hidrolik dan konverter torsi?

Kopling hidrolik dasar mentransmisikan torsi tanpa perkalian—torsi keluaran sama dengan torsi masukan (dikurangi kerugian). Konverter torsi mencakup komponen tambahan yang disebut stator yang mengalihkan aliran fluida, sehingga menghasilkan torsi keluaran berlipat ganda pada kecepatan rendah. Hal ini membuat konverter torsi lebih baik untuk aplikasi otomotif yang memerlukan torsi awal yang tinggi.

Q2: Dapatkah kopling hidrolik mencapai efisiensi 100%?

Tidak. Kopling fluida tidak dapat menghasilkan torsi keluaran ketika kecepatan masukan dan keluaran sama, sehingga selalu diperlukan slip. Dalam pengoperasian normal, efisiensi biasanya 95–98% .

Q3: Jenis cairan apa yang digunakan dalam kopling hidrolik?

Kebanyakan kopling hidrolik menggunakan cairan dengan viskositas rendah seperti oli motor multigrade atau cairan transmisi otomatis (ATF). Peningkatan densitas fluida akan meningkatkan torsi yang dapat ditransmisikan pada kecepatan masukan tertentu. Untuk aplikasi yang kinerjanya harus tetap stabil terhadap perubahan suhu, fluida dengan indeks viskositas tinggi lebih disukai. Beberapa kopling bahkan tersedia untuk pengoperasian air.

Q4: Bagaimana Anda mengontrol kecepatan kopling hidrolik?

Dalam kopling pengisian variabel (yang dikontrol sendok), tabung sendok yang tidak berputar menghilangkan cairan dari ruang kerja saat kopling beroperasi. Lebih sedikit cairan berarti transmisi torsi lebih sedikit dan kecepatan output lebih rendah. Dengan mengontrol posisi sendok, kecepatan keluaran dapat disesuaikan secara bertahap dari nol hingga mendekati kecepatan masukan.

Q5: Apa yang terjadi jika kopling hidrolik mengering?

Jika kopling fluida beroperasi tanpa fluida yang cukup, kopling tersebut tidak akan mampu menyalurkan torsi yang diperlukan. Yang lebih penting lagi, volume cairan yang terbatas akan menyebabkan panas berlebih dengan cepat, sering kali menyebabkan kerusakan pada seal, bearing, dan housing.

Q6: Apakah kopling hidrolik masih digunakan pada mobil modern?

Kopling fluida sederhana sebagian besar telah digantikan oleh konverter torsi pada mobil penumpang. Namun, beberapa transmisi otomatis modern masih menggunakan prinsip kopling fluida, dan istilah “kopling fluida” terkadang digunakan secara bergantian dengan “konverter torsi” dalam percakapan biasa.

Q7: Mengapa kopling cairan saya menjadi panas?

Timbulnya panas adalah hal yang normal karena energi yang hilang akibat slip hilang sebagai panas. Namun, panas yang berlebihan menunjukkan terlalu banyak selip, yang dapat disebabkan oleh kelebihan beban, level cairan rendah, jenis cairan yang salah, atau sistem pendingin yang tidak berfungsi.

Q8: Berapa lama kopling hidrolik bertahan?

Karena tidak ada kontak mekanis antara pompa dan turbin, kopling fluida sangat tahan lama. Komponen keausan utama adalah seal dan bearing. Dengan perawatan yang tepat dan penggantian cairan, kopling cairan industri dapat bertahan selama beberapa dekade.