BAB II LANDASAN TEORI Kata hidrolik sendiri berasal dari bahasa Greek yakni dari kata hydro yang berarti air dan aulos yang berarti pipa. Sistim hidrolik pada pesawat terbang adalah merupakan salah satu sistem penggerak kendali dan roda pendarat pesawat terbang. Sistim hidrolik ini menurut pembagian sistem pada pesawat terbang masuk dalam kategori ATA 29 dan sub-sub bagiannya dirinci lagi menjadi ATA 2900-2997 sebagai mana dapat dilihat pada Lampiran 7. Sementara regulasi yang mengatur mengenai sistim hidrolik diatur pada FAR 23.1435 sebagaimana dapat dilihat pada Lampiran 10 untuk kategori pesawat sejenis Grand Commander. Diagram sistim hidrolik pesawat Grand Commander dapat dilihat pada Lampiran 6. Sistem hidrolik adalah teknologi yang memanfaatkan fluida (zat cair) untuk melakukan gerakan segaris atau putaran. Dalam system hidrolik, fluida digunakan sebagai penerus gaya. Prinsip dasar hidrolik adalah jika suatu zat cair dikenakan tekanan, maka tekanan itu akan merambat ke segala arah dengan tidak bertambah atau berkurang kekuatannya (Hukum Archimedes). Bentuk sifat zat cair adalah menyesuaikan terhadap ruangan yang ditempatinya. Zat cair mempunyai sifat tidak dapat dikompresikan (uncrompressible), beda dengan gas yang bisa dikompresikan. Seorang ilmuan Francis bernama Pascal menemukan prinsip dasar tentang fluida yang ada kaitannya dengan cairan sebagai tenaga yang melipat gandakan gaya dan modifikasi gerakan-gerakan. Pascal mengatakan bahwa : Tekanan yang diberikan pada suatu fluida, akan diteruskan ke segala arah, bekerja dengan gaya yang sama besar pada luas yang sama dan bergerak kearah tegak lurus terhadap titik-titik mereka bekerja [2] (http://id.wikipedia.org/wiki/hukum_pascal) Hidrolik juga dapat didefinisikan sebagai transmisi dan pengontrol gaya-gaya dan pergerakan fluida. Ada banyak keuntungan yang dapat diambil dari sistem hidrolik, yaitu
untuk memudahkan pengontrolan sebesar gaya pembangkitnya dan mentransmisikan gaya yang besar dan power melalui unit-unit yang kecil. Karena system hidrolik bekerja dengan fluida, maka pelumasan komponen hidrolik dapat berlangsung dengan sendirinya sehingga dapat menunda terjadinya keausan (long service life) pada benda yang mengalami gesekan. Selain memiliki keuntungan, sistem hidrolik juga memiliki beberapa kerugian yang disebabkan pengaruh tekanan dan fluida hidrolik itu sendiri yaitu antara lain: a. Bahaya tekanan tinggi fluida hidrolik, oleh karena itu harus dipastikan bahwa semua sambungan kuat dan tidak bocor. b. Gesekan fluida dan kebocoran akan mengakibatkan berkurangnya efisiensi. c. Fluida dari sirkuit yang tercemar oleh kotoran akan menyebabkan peralatan hidrolik menjadi lemah dan cepat rusak. Pada umumnya dalam memahami ilmu hidrolik diperlukan pemahaman pengetahuan dasar sebagai berikut : a. Pengetahuan dasar hukum-hukum fisika dari hidrostatik. b. Pengetahuan tentang satuan dan persamaan-persamaan hidrolik. c. Pengetahuan tentang peralatan hidrolik dan pengoperasiannya pada rangkaian hidrolik. 2.1 Kuantitas Fisik dan Satuan Hidrolik Sebelum kita menyebutkan kuantitas fisik, maka terlebih dahulu kita harus mengetahui definisi dari kuantitas fisik tersebut. Dalam ilmu teknik, kuantitas dapat disebut sebagai sesuatu yang berkenaan dengan properties (sifat), proses atau keadaan yang dapat diukur. Maka dari itu, kuantitas fisik yang berhubungan dengan sistem hidrolik adalah kecepatan, tekanan, waktu, dan temperatur. Banyak variasi satuan yang digunakan untuk menotasikan kuantitas yang sebenarnya, contohnya adalah satuan gaya adalah kilopound sedang yang lain mengukur dalam satuan Newton. Tetapi keadaan demikian tidak memberikan hasil yang memuaskan bagi setiap penggunanya sehingga diadakan perubahan oleh International Committees of Scientist and Enginers yang merekomendasikan bahwa International System of Units dipakai di seluruh dunia. Sistem ini terdiri dari 7 satuan dasar, tetapi untuk kuantitas fisik yang dibutuhkan untuk menjelaskan sistem hidrolik adalah :
a. Panjang satuannya meter (m). b. Massa satuannya kilogram (kg). c. Waktu satuannya detik (t). d. Temperatur satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius ( o C). Semua kuantitas fisik lain yang juga sangat penting untuk hidrolik adalah : kecepatan, volume, tekanan, gaya, dan luas permukaan, dapat dicari dari satuan-satuan dasar diatas. International System of Units menspesifikasikan kilogram sebagai satuan dasar dari massa. Massa biasanya diartikan dalam bahasa sehari-hari sebagai berat. Kubus baja yang beratnya 1 kg mempunyai massa 1 kg. Massa dikarakteristikan tidak tergantung percepatan karena gravitasi (gaya gravitasi). Massa 1 kg, sebagai contoh, akan tetap sama di bulan. Isac Newton (1643-1727) menemukan hukum sebagai berikut : Force = mass x acceleration F = m x a Yang mana dapat ditulis sebagai berikut : Force = kg x m/s 2 Sehingga satuan dari gaya dapat dituliskan dengan kg m/s 2. 2.2 Hukum-Hukum Dasar Hidrolik 2.2.1 Hukum Pascal Pascal menyatakan bahwa Tekanan yang diberikan pada fluida dalam sebuah wadah tertutup maka tekanannya akan diteruskan sama besar dan merata kesemua arah [2] seperti ditunjukan pada gambar II.1.
Gambar II. Tekanan dialirkan ke semua arah sama besar Tekanan sering digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu cairan atau gas. Tekanan (P) adalah satuan fisika untuk menyatakan gaya (F) per satuan luas (A). Maka dapat didefinisikan sebagai berikut : (N/m 2 ) Dimana : P = Tekanan (bar) F = Gaya (N) A = Luas penampang (m 2 ) Satuan dari tekanan dapat dihubungkan dengan satuan volume (isi) dan suhu. Bila tekanan semakin tinggi maka suhu akan semakin tinggi. Sistem hidrolik menggunakan fluida yang sifatnya inkompressible untuk mengirimkan gaya dari satu titik ketitik lainnya disepanjang jalur yang dilewati fluida tersebut. Dengan menggunakan metode ini kita dapat menghasilkan output gaya yang sangat besar, hanya dengan menggunakan input gaya yang kecil. Seperti yang terlihat pada gambar dibawah II.2
Gambar II. Prinsip Hidrolik Pada sistem internasional, tekanan kemudian diberi satuan (N/m 2 ) yang disebut dengan 1 pascal atau disingkat Pa. Tekanan 1 Pascal adalah sangat kecil, dan hampir tidak dapat dirasakan oleh kulit. Sehingga biasanya digunakan satuan kelipatan ribuan, kilopascal (kpa) atau Bar : 1 bar = 10 5 = 100 kpa (= 10 N/cm 2 = 14.5 psi) 2.2.2 Hukum Hidrostatik Hukum utama hidrostatik berbunyi: Tekanan hidrostatik pada sembarang titik yang terletak pada bidang mendatar di dalam wadah suatu jenis zat cair sejenis dalam keadaan seimbang adalah sama [5]. Volume kecil fluida pada kedalaman tertentu dalam sebuah bejana akan memberikan tekanan ke atas untuk mengimbangi berat fluida yang ada di atasnya. Untuk suatu volume yang sangat kecil, tegangan adalah sama di segala arah, dan berat fluida yang ada di atas volume sangat kecil tersebut ekuivalen dengan tekanan yang dirumuskan sebagai berikut Dimana : P = tekanan hidrostatik (P); ρ = kerapatan fluida (kg/m 3 ); g = percepatan gravitasi (m/s 2 ); h = tinggi kolom fluida (m).
Gambar II. Gaya Hidrostatik 2.2.3 Gesekan dan Aliran Energi hidrolik tidak dapat ditransmisikan pada sebuah pipa tanpa mengalami kehilangan. Gesekan terjadi pada dinding pipa dengan fluidanya sendiri, yang menghasilkan panas. Energi hidrolik dikonversikan menjadi energi thermal. Kehilangan dari energy hidrolik artinya kehilangan tekanan cairan hidrolik. Cairan hidrolik kehilangan tekanan pada setiap penyempitan pada sistem hidrolik. Kehilangan ini disebabkan oleh gesekan medium yang dilaluinya. Kehilangan ini didefinisikan sebagai P. Kehilangan (losses) pada setiap penyempitan sebagai hasil dari konversi energy thermal kadang-kadang dibuat secara sengaja (contohnya pada pressure reducing-valve). Walaupun kehilangan yang diakibatkan oleh panas tidak diinginkan. Pada pengoperasian, fluida hidrolik mengalami kenaikan energi thermal yang diakibatkan oleh penyempitan yang terdapat pada peralatan hidrolik. Jika aliran fluida hidrolik dihentikan, maka keadaannya menjadi statis dimana tidak terjadi gesekan. Akibatnya tekanan pada upstream (hulu) dan downstream (hilir) menjadi identik. Sampai pada kecepatan tertentu, aliran fluida hidrolik yang melalui pipa adalah laminar. Selama aliran laminar, lapisan fluida bagian dalam bergerak sangat cepat daripada lapisan luarnya, secara teoritis dapat dikatakan bahwa di dinding pipa adalah static (seperti pada gambar 2.7). Kecepatan aliran meningkat, yang disebut critical velocity dapat terjadi dan aliran menjadi turbulen (seperti terlihat pada gambar 2.8). Keadaan turbulen ini menyebabkan kenaikan dalam aliran gesek (flow resistance) dan hidrolik,losses,dimana kondisi ini pada umumnya tidak diinginkan. Kecepatan kritis bukanlah merupakan sebuah kecepatan tetap,tergantung pada viskositas fluida dan diameter pipa. Hal ini dapat dicari dan seharusnya tidak terjadi kelebihan kecepatan pada sistem hidrolik.
Gambar II. Aliran 2.2.4 Torsi Konsep torsi dalam fisika, juga disebut momen, diawali dari kerja Archimedes dalam lever. Informalnya, torsi dapat dipikir sebagai gaya rotasional. Torsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja, jadi torsi adalah suatu energi. Besaran torsi adalah besaran turunan yang biasa digunakan untuk menghitung energi yang dihasilkan dari benda yang berputar pada porosnya [4]. Adapun perumusan dari torsi adalah sebagai berikut. Apabila suatu benda berputar dan mempunyai besar gaya sentrifugal sebesar F, benda berputar pada porosnya dengan jari-jari sebesar b, dengan data tersebut torsinya adalah: T = r x F di mana : T = Torsi benda berputar ( N.m) r = jarak benda ke pusat rotasi (m) F = gaya sentrifugal dari benda yang berputar (N) Karena adanya torsi inilah yang menyebabkan benda berputar terhadap porosnya, dan benda akan berhenti apabila ada usaha melawan torsi dengan besar sama dengan arah yang berlawanan.
2.3 Aliran Fluida Fluida adalah suatu zat yang dapat mengalir berupa cairan ataupun gas. Fluida dapat mengubah bentuknya dengan mudah sesuai dengan wadah atau tempatnya. Salah satu cara untuk menjelaskan gerak suatu fluida adalah dengan membaginya menjadi elemen volume yang sangat kecil yang dinamakan partikel fluida. Suatu massa fluida yang mengalir selalu dapat dibagi-bagi menjadi tabung aliran, bila aliran tersebut adalah tunak, waktu tabung-tabung tetap tidak berubah bentuknya dan fluida yang pada suatu saat berada didalam sebuah tabung akan tetap berada dalam tabung ini seterusnya. Kecepatan aliran didalam tabung aliran adalah sejajar dengan tabung dan mempunyai besar berbanding terbalik dengan luas penampangnya [6]. Aliran fluida dapat diaktegorikan: 1. Aliran laminar Laminar adalah ciri dari arus yang berkecepatan rendah. Aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan lapisan, atau lamina lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relatif antara lapisan (seperti ditunjukan pada gambar II.5). Gambar II. Aliran Laminar 2. Aliran turbulen Aliran dimana pergerakan dari partikel partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian kerugian aliran (seperti ditunjukan pada gambar II.6)..
Gambar II. Aliran Turbulen 3. Aliran transisi Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen. 2.4 Viskositas Viskositas fluida adalah ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Viskositas dipengaruhi oleh temperature, tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekularnya. Viskositas cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperature hal ini disebabkan gaya-gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperature pada zat cair [7]. Pada masalah sehari-hari (dan hanya untuk fluida), viskositas adalah "Ketebalan" atau "pergesekan internal". Oleh karena itu, air yang "tipis", memiliki viskositas lebih rendah, sedangkan madu yang "tebal", memiliki viskositas yang lebih tinggi. Sederhananya, semakin rendah viskositas suatu fluida, semakin besar juga pergerakan dari fluida tersebut. Viskositas menjelaskan ketahanan internal fluida untuk mengalir dan mungkin dapat dipikirkan sebagai pengukuran dari pergeseran fluida. Seluruh fluida (kecuali superfluida) memiliki ketahanan dari tekanan dan oleh karena itu disebut kental, tetapi fluida yang tidak memiliki ketahanan tekanan dan tegangan disebut fluida ideal. Gambar II. Viskositas
2.5 Berat Jenis (density ρ) Density atau berat jenis (ρ) suatu zat adalah ukuran untuk konsentrasi zat tesebut dan dinyatakan dalam massa persatuan volume; sifat ini ditentukan dengan cara menghitung ratio massa zat yang terkandung dalam suatu bagian tertentu terhadap volume bagian tersebut. Nilai density dapat dipengaruhi oleh temperature, semakin tinggi temperature maka kerapatan suatu fluida semakin berkurang karena disebabkan gaya kohesi dari molekul-moleku fluida semakin berkurang. Berat jenis mempunyai rumusan : ρ = dengan satuan N/m 3 m = massa, g = gravitasi, v = volume 2.6 Debit Aliran Debit aliran digunakan untuk menghitung kecaptan aliran pada masing-masing pipa. Dimana nilai dari debit aliran didapat dari rumus : Q = dimana : Q = debit aliran (m 3 /s) V = volume fluida ( m 3 ) A = luas penampang (m 2 ) t = waktu (s) 2.7 Komponen Komponen Penyusun Sistem Hidrolik 2.7.1 Motor Motor berfungsi sebagai pengubah dari tenaga listrik menjadi tenaga mekanis. Dalam sistem hidrolik motor berfungsi sebagai pengerak utama dari semua komponen hidrolik dalam rangkaian ini. Cara kerja dari motor itu dengan memutar poros pompa yang dihubungkan dengan poros input motor. Motor yang digunakan pada Tugas Akhir ini dapat dilihat pada gambar II.8.
Gambar II. Motor Listrik 2.7.2 Belt (Coupling ) Fungsi utama dari kopling adalah sebagai penghubung putaran yang dihasilkan motor penggerak untuk diteruskan ke pompa. Akibat dari putaran ini menjadikan pompa bekerja (berputar). Seperti pada gambar Belt Gambar II. Belt 2.7.3 Pompa Hidrolik Pompa hidrolik ini digerakkan secara mekanis oleh motor listrik. Permulaan dari pengendalian dan pengaturan sistem hidrolik selalau terdiri atas suatu unsur pembangkit tekanan, jadi fungsi dari unsur tersebut dipenuhi oleh pompa hidrolik. Pompa hidrolik berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi hidrolik dengan cara menekan fluida hidrolik kedalam sistem. Dalam sistem hidrolik, pompa merupakan suatu alat untuk menimbulkan atau membangkitkan aliran fluida (untuk memindahkan sejumlah volume fluida) dan untuk memberikan daya sebagaimana diperlukan. Apabila pompa digerakkan motor (penggerak utama), pada dasarnya pompa melakukan dua fungsi utama:
1. Pompa menciptakan kevakuman sebagian pada saluran masuk pompa. Vakum ini memungkinkan tekanan atmospher untuk mendorong fluida dari tangki (reservoir) ke dalam pompa. 2. Gerakan mekanik pompa menghisap fluida kedalam rongga pemompaan, dan membawanya melalui pompa, kemudian mendorong dan menekannya ke dalam sistem hidrolik 2.7.4 Katup ( Control Valve ) Dalam sistem hidrolik, katup berfungsi sebagai pengatur tekanan dan aliran fluida yang sampai ke silinder kerja. Menurut pemakainnya, katup hidrolik dibagi menjadi tiga macam, antara lain : 1. Katup Pengarah (Directional Control Valve = DCV) Katup (Valve) adalah suatu alat yang menerima perintah dari luar untuk melepas, menghentikan atau mengarahkan fluida yang melalui katup tersebut. Contoh jenis katup pengarah: Katup 4/3 Penggerak lever, Katup pengarah dengan piring putar, katup dengan pegas bias. Macam-macam Katup Pengarah Khusus : a) Check Valve adalah katup satu arah, berfungsi sebagai pengarah aliran dan juga sebagai pressure control (pengontrol tekanan) b) Pilot Operated Check Valve, Katup ini dirancang untuk aliran cairan hidrolik yang dapat mengalir bebas pada satu arah dan menutup pada arah lawannya, kecuali ada tekanan cairan yang dapat membukanya. 2. Katup Pengatur Tekanan. Tekanan cairan hidrolik diatur untuk berbagai tujuan misalnya untuk membatasi tekanan operasional dalam sistem hidrolik, untuk mengatur tekanan agar penggerak hidrolik dapat bekerja secara berurutan, untuk mengurangi tekanan yang mengalir dalam saluran tertentu menjadi kecil.
Macam-macam Katup pengatur tekanan adalah: a) Relief Valve, digunakan untuk mengatur tekanan yang bekerja pada sistem dan juga mencegah terjadinya beban lebih atau tekanan yang melebihi kemampuan rangkaian hidrolik. b) Sequence Valve, berfungsi untuk mengatur tekanan untuk mengurutkan pekerjaan yaitu menggerakkan silinder hidrolik yang satu kemudian baru yang lain. c) Pressure reducing valve, berfungsi untuk menurunkan tekanan fluida yang mengalir pada saluran kerja karena penggerak yang akan menerimanya didesain dengan tekanan yang lebih rendah. 3. Flow Control Valve, katup ini digunakan untuk mengatur volume aliran yang berarti mengatur kecepatan gerak actuator (piston). Fungsi katup ini adalah sebagai berikut: untuk membatasi kecepatan maksimum gerakan piston atau motor hidrolik Untuk membatasi daya yang bekerja pada sistem Untuk menyeimbangkan aliran yang mengalir pada cabang-cabang rangkaian. Macam-macam dari Flow Control Valve : Fixed flow control yaitu: apabila pengaturan aliran tidak dapat berubah-ubah yaitu melalui fixed orifice. Variable flow control yaitu apabila pengaturan aliran dapat berubah-ubah sesuai dengan keperluan Flow control yang dilengkapi dengan check valve Flow control yang dilengkapi dengan relief valve guna menyeimbangkan tekanan 2.7.5 Fluida Hidrolik Fluida hidrolik adalah salah satu unsur yang penting dalam peralatan hidrolik. Fluida hidrolik merupakan suatu bahan yang mengantarkan energi dalam peralatan hidrolik dan melumasi setiap peralatan serta sebagai media penghilang kalor yang timbul akibat tekanan yang ditingkatkan dan meredam getaran dan suara [6].
Fluida hidrolik harus mempunyai sifat sifat sebagai berikut: 1. Mempunyai viskositas temperatur cukup yang tidak berubah dengan perubahan temperatur. 2. Mempertahankan fluida pada temperatur rendah dan tidak berubah buruk dengan mudah jika dipakai di bawah temperatur. 3. Mempunyai stabilitas oksidasi yang baik. 4. Mempunyai kemampuan anti karat. 5. Tidak merusak ( kena reaksi kimia ) karat dan cat. 6. Tidak kompresibel (mampu merapat) 7. Mempunyai tendensi anti foatwing (tidak menjadi busa) yang baik. 2.7.6 Pipa Saluran Minyak Pipa merupakan salah satu komponen penting dalam sebuah sistem hidrolik yang berfungsi untuk meneruskan fluida kerja yang bertekanan dari pompa pembangkit ke silinder kerja. Mengingat kapasitas yang mampu dibangkitkan oleh silinder kerja, maka agar maksimal dalam penerusan fluida kerja bertekanan, pipa-pipa harus memenuhi persaratan sebagai berikut : 1. Mampu menahan tekanan yang tinggi dari fluida. 2. Koefesien gesek dari dinding bagian dalam harus sekecil mungkin. 3. Dapat menyalurkan panas dengan baik. 4. Tahan terhadap perubahan suhu dan tekanan. 5. Tahan terhadap perubahan cuaca. 6. Berumur relatif panjang. 7. Tahan terhadap korosi. 2.8 Landing gear System Landing gear (roda pendarat) adalah merupakan komponen utama penumpu pesawat terbang pada saat didarat; pada waktu parkir, taxi (bergerak di darat), lepas landas atau pada waktu mendarat. Komponen ini menurut pembagian sistem pada peswat terbang masuk dalam kategori ATA 32 dan sub-sub bagiannya dirinci lagi menjadi ATA 3200-3297 sebagai mana dapat dilihat pada Lampiran 8. Sementara regulasi yang mengatur mengenai
persayaratan rancangannya diatur pada FAR 25.721-25.737 sebagaimana dapat dilihat pada Lampiran 9 untuk kategori pesawat sejenis Grand Commander. Tipe paling umum dari landing gear terdiri dari roda, tapi ada juga pesawat terbang yang dipasangi float (pelampung) untuk beroperasi di atas air dan ada juga yang dipasangi papan seluncur untuk mendarat di salju. Landing gear terdiri dari 3 roda, dua roda utama dan roda ketiga yang bisa berada di bagian depan (nose) atau di bagian belakang (tail) pesawat. Landing gear dengan roda dibelakang disebut conventional wheel. Pesawat terbang dengan conventional wheel juga kadang-kadang disebut dengan pesawat tailwheel (beroda belakang). Jika roda ketiga bertempat di bagian hidung pesawat, ini disebut nosewheel (beroda depan), dan rancangannya disebut tricycle gear (roda segitiga). Nosewheel atau tailwheel yang dapat dikemudikan membuat pesawat dapat dikendalikan pada waktu beroperasi didarat.