Desain dan Karakteristik Smart Traksi Mempergunakan Kontrol Ratio Transmisi dengan CVT

(1)

Desain dan Karakteristik Smart Traksi Mempergunakan Kontrol

Ratio Transmisi dengan CVT

I Ketut Adi Atmika

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universtas Udayana Phone/fax : 62-361-703321

Email : tutadi2001@yahoo.com

Abstract

In the case of to improve vehicle stability and driveability have been done by enhancing braking control systems (Single And multicontrol ABS), traction control systems with the control of opening of spillway trottle and intervence the braking. Traction/torque Control Systems of activator wheel by Continously Variable Transmission (CVT) will be studied here. In principle braking control systems and traction control systems is holding onto at setting point ratio slip of braking condition / optimum acceleration This paper will explain the stability analysis from torque control systems of activator wheel by CVT use the computer simulation. To process the simulation made model kendaraan in complete with input of condition and parameter operate for where that system work, by setting point ratio

slip (λ) at optimum coefficient of friction longitude .Analyse the stability focussed at

movement behavior luff the vehicle. Yaw response will be compared to yaw ackerman, to get the behavioral performance instruct the vehicle. Respon of taction control systems will be compared to respon of braking control systems. Result of simulation show at a speed of which high enough that is 100 km/h of traction control systems by CVT still work better, while braking control at a speed of above 60 km/h of condition kendaraan tend to controlled hard (oversteer)

Keywords : Traction control systems, CVT, ratio slip (λ), coefficient of friction longitude,

yaw response, yaw ackerman

1. Pendahuluan

Stabilitas arah kendaraan belakangan ini menjadi perhatian serius dalam hal merancang desain dan perlengkapan-perlengkapan kendaraan. Dalam hal untuk memperbaiki stabilitas arah kendaraan, baik pada kondisi jalan lurus maupun jalan belok dapat dilakukan dengan berbagai cara atau penambahan alat tertentu, baik secara tersendiri maupun secara bersama-sama atau terintegrasi. Pada kondisi jalan dengan koefisien gesek (μ) yang rendah, ABS mencegah roda lock selama pengereman. Sistem kontrol traksi (TCS) yang ada mencegah roda melintir selama percepatan berlangsung, khususnya pada kondisi jalan lurus. Sistem Kontrol Traksi/Torsi pada roda penggerak dengan CVT dapat dipakai sebagai salah satu alternatif untuk memperbaiki kinerja dan respon kendaraan, bila dioperasikan pada kondisi jalan belok.

Sistem kontrol torsi atau sistem kontrol traksi ini, biasanya dioperasikan secara terintegrasi dengan sistem FWD yang akan memberikan akselerasi tinggi yang berkaitan dengan kestabilan, serta tidak diperlukan pengendalian yang berlebihan. Disamping itu, pada kondisi belok informasi kecepatan kendaraan (V) dan sudut steer roda depan (δf) dan parameter-parameter serta kondisi operasi bisa digunakan sebagai variabel input untuk sistem kontrol torsi ini, kemudian dianalisa kinerja perilaku arah kendaraan.

Tatsuhiko Abe [1] melakukan penelitian tentang konsep terbaru sistem kontrol traksi, yaitu dengan HTCS (Hybrid Traction Control System) yang menawarkan kinerja dalam hal memperbaiki TCS dengan EIB (Engine Inertia Brake).

(2)

R.M. van Drutten [2] dalam penelitiannya tentang desain dan aspek konstruksi dari Zero Inertia Conntinouse Variable Transmission untuk kendaraan penumpang. Dalam desainnya didapatkan effisiensi transmisi dan kebutuhan bahan bakar yang optimum.

B.G. Vroemen, F.E. Veldpaus[3] menyatakan bahwa ratio CVT dikontrol untuk mendapatkan kebutuhan ratio gigi yang diinginkan pada effisiensi transmisi maksimum, juga untuk mencegah slip pada belt.

Alex.F.A Serrarens, Frans E.Veldpaus[4], melakukan penelitian mengenai dua strategi kontrol untuk pembukaan katup engine dan perubahan ratio CVT untuk meningkatkan driveability dan kebutuhan bahan bakar yang ekonomis pada kondisi tertentu.

Sutantra, dkk. [5] menyatakan bahwa gerakan yawing adalah salah satu parameter kunci dalam menentukan stabilitas arah kendaraan. Salah satu hasil simulasi ditunjukkan pada gambar 1. Dari gambar 1 terlihat bahwa pada kecepatan yang cukup tinggi, kenderaan cenderung oversteer. 0 0. 5 1 1 .5 2 2. 5 3 3. 5 4 x 104 -0. 5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 YA W R E S P O N S E V S A K C E R M A N MA B S I nitia l s p e e d = 6 0 km /h , S te e ring ang le = 1 5 d e g re e , R a d ius = 9 m

S to p p ing T im e ( 0 ,1 m S e c ) Y a w R a te ( R a d /. S E c ) B lue = A c ke rm an G re e n = Y aw R ate R e s p o n s e 0 1 00 0 20 0 0 3 0 0 0 40 0 0 5 0 0 0 6 0 00 7 0 00 8 00 0 -0. 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 YA W R A T E R E S P O N S E V S A C K E R MA N MA B S Initial s p ee d = 5 0 km /h , S te ering angle = 1 5 d e g ree , R ad ius = 9 m

S top ping T im e ( m S e c ) Y a w R a te ( R a d / S e c B lue = A c kere m an G re e n = Yaw R ate R es p o ns e )

(a) kondisi 50 km/h-sudut steer 15 derajat (b) kondisi 60 km/h-sudut steer 15 derajat

Gambar 1. Respon kendaraan dengan kontrol pengereman ABS

2. Konsep Kontrol Torsi Dari Setting Ratio Slip

Gaya gesek disebabkan oleh slip yang terjadi diantara roda penggerak dan permukaan jalan. Selama percepatan menimbulkan slip (λ) pada roda-roda tersebut, dirumuskan dengan persamaan:

V V r. ) ( − = ω λ (1)

dengan V adalah kecepatan kendaraan (m/s), r adalah jari-jari roda penggerak (m) dan ω adalah kecepatan angular roda penggerak (rad/s)

Pada tahun tujuh puluhan beberapa peneliti diantaranya, Easton, Moore, Taborek[6] menghasilkan atau menemukan suatu konsep kontak ban dan jalan yang mengubah suatu konsep pengereman/traktif dan concerning effort yang telah ada. Konsep tersebut seperti gambar 2.

Pada prinsipnya konsep ABS sistem dan TCS sistem adalah menjaga slip roda (λ) seperti yang diharapkan (desired range), sehingga mendapatkan kondisi pengereman/akselerasi traksi optimum.

(3)

Gambar 2. Pengaruh skid terhadap koefisien adhesi

3. Respon Arah Kendaraan

Perilaku atau respon arah kendaraan menggambarkan stabilitas arah kendaraan. Gerakan belok adalah gerakan kendaraan paling kritis karena gerakan tersebut dapat menunjukkan kualitas kestabilan kendaraan. Untuk kendaraan belok, gerakan berputar atau yawing adalah parameter penting untuk ditinjau. Respon arah kendaraan belok direpresentasikan sebagai yaw rate actual yang ditangkap oleh sensor dan dikoreksi bila ada penyimpangan. Penyimpangan ini mengakibatkan kendaraan understeer atau oversteer. Pengaturan momen yaw akibat under/oversteer dilakukan dengan mengontrol proporsi persen skid antara roda kanan dan kiri, atau secara flow chart control arah dengan CVT digambarkan seperti gambar 3.

Yaw rate set input gain untuk system kemudi 2 roda (2WS) dipakai standar ackerman:

) .( 29 , 57 . 2 1 L L V _f a = ₊ δ ω (2)

dengan L1 adalah jarak poros depan terhadap Center of Weight (m), L2 adalah jarak poros

belakang terhadap Center of Weight (m)

Yaw rate actual gain yang terjadi dipengaruhi oleh sudut slip : ) .( 29 , 57 ). ( ) .( 29 , 57 ) .( 2 1 2 1 L L V L L V f r a r f f act ₊ − + = + − + = δ α α ω α α ω (3)

Rumusan sudut slip untuk ban radial baru :

[

0,087935( ) 0,005277( )

]

. 0,79008 zi yi roi rxi rs rp i F F C C C C − =

α

(4)

Nilai Crp dan Crs diperoleh dari persamaan

Crp = 33,5 + 5,30 (P) – 0,0916 (P)2 (4a)

Crs = 33,5 + 5,30 (Ps) – 0,0916 (Ps)2 (4b)

dengan P adalah tekanan ban pada kondisi operasi (psi), dan Ps adalah tekanan ban standar (25 psi). Sedangkan nilai Crxi dan Croi diperoleh dari persamaan

474998 , 0 1 1398 , 161 ) ( 107927 , 0 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + = yi xi rxi F F C (4c) 474998 , 0 1 1398 , 161 ⎥_⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = yi roi F C (4d)

(4)

Gambar 3. Flow chart control arah dengan CVT

4. Drive Line Dan Persamaan Matematis

Uraian pada drive line diatas dimulai pada persamaan CVT, sedangkan persamaan engine diambil dari referensi [7] dan lansung dimasukkan ke dalam blok simulasi torsi engine.

Te = -39,22+(3252024/120Ne).(0,0005968Ne-0.1336 Pm +0.0005341 Ne.Pm + 0.00000175 Ne.Pm2 )- 0,0112.δ2 + 0,000675.δ.Ne.(2π/60) +0,635.δ + 0.0216. Ne.(2π/60)- 0,000102.Ne2.(2π/60)2 ₍₅₎

dengan Pm = 50,66 Kpa, Ne adalah putaran mesin (rpm) dan δ memiliki jangkauan nilai antara 100 sampai 450 (100 < δ < 450₎

Gambar 4. Powertrain

4.1. Continously Variable Transmission (CVT)

Persamaan matematis yang berkaitan dengan gambar 5 adalah:

p p p p b p

T

c

I

T

₋

₊

_.

θ

&

₌

_.

θ

&&

s s s s s b T c I T − + .

θ

& = .

θ

&& b b p p b

r

k

s

F

m

.

θ

&&

.

+

.

=

(5)

dengan Tp adalah Torsi pulley primer, Ts adalah Torsi pulley sekunder, Tb adalah Torsi

belt, Ip adalah Momen Inersia pulley primer, Is adalah Momen Inersia pulley sekunder, cp

adalah konstanta redaman primer, cs adalah konstanta redaman sekunder, kb adalah

kekakuan belt, dan mb adalah massa belt.

Kemudian dengan memisalkan

, , p X₁=θ& X2 =θ&s ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + = p b b p _mk _rs X . . 3 θ& diperoleh : ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + − = p p b p p I T T X I c X&₁ . ₁ , _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + − = s b s s s I T T X I c X&₂ . ₂ p b b p b b r m F X r m k X . . . 3 3 = − + &

Kemudian ditulis dalam bentuk state space

X C y Bu X A X T_. . = + = & (6) 4.2. Drive shaft

Dari gambar 4 dan dengan penyederhanaan diperoleh torsi pada drive shaft (Tsh) adalah sebagai berikut :

s f

sh i T

T = . (7)

4.3. Wheels

Dinamika roda dan dinamika kendaraan dilustrasikan seperti gambar 6.

Gambar 5. Torsi dan gaya pada CVT Gambar 6. Interaksi antara kendaraan, roda dan jalan

Persamaan dinamika roda penggerak tanpa pengereman :

w r w w sh w =T −F_J .R −T ω& (8)

dengan Fw adalah gaya dorong pada roda penggerak (N), Rw adalah jari-jari roda penggerak

(m), Tr adalah torsi rolling resistance (N.m), Tsh adalah torsi pada poros roda penggerak

(N.m), dan Jw adalah Momen Inersia Polar pada roda

4.4. Vehicle

Dinamika kecepatan kendaraan adalah hasil dari gaya roda Fw dan hambatan

(6)

v v w

v F _mc v

v& = − . 2 (9)

dengan Fw adalah gaya dorong pada roda (N), cv adalah konstanta aerodinamis, v adalah

kecepatan kendaraan (m/s) dan mv adalah massa kendaraan (kg)

5. Model Dan Simulasi

5.1. Sistem Layout dan Operasional

Sistem kontrol traksi dengan CVT termasuk dalam link sistem kontrol kendaraan yang akan sebagian dibahas, diperlihatkan pada gambar 7.

Gambar 7. Skema layout kontrol traksi dengan CVT pada kendaraan

Pada CVT dipasang sensor langkah stepper untruk mengontrol besarnya kebutuhan langkah motor steeper, sensor putaran input untuk mengetahui dan mengontrol besarnya torsi input ke CVT dan sensor putaran output untuk mengetahui dan mengontrol besarnya torsi keluaran dari CVT. Sedangkan pada sistem kendaraan dipasang sensor sudut steer, sensor kecepatan kendaraan, sensor yawing dan sensor gaya sentrifugal dipasang dalam kaitannya dengan perilaku arah kendaraan.

Kendaraan yang disimulasikan adalah jenis sedan (mazda cronos) dengan data-data sebagai berikut :

Berat kg 2550

Wheelbase mm 2500

As depan ke CG mm 1240

Track depan mm 1530

Tinggi titik berat mm 350

Max output rpm 5400

Torsi maksimum Nm/rpm 440/3700

Final drive ratio 3,64

Jari-jari roda mm 300

5.2 Rancangan CVT

Pengaturan besarnya ratio CVT dilakukan oleh gerakan motor stepper yang menerima perintah dari ECU sesuai dengan besarnya kebutuhan torsi. Motor steeper memutar poros pengarah yang dilengkapi dengan ulir, sehingga menyebabkan hubungan

(7)

sleeve menarik atau menekan pulley. Ulir pada poros input dan output dibuat dengan arah berlawanan (ulir kiri dan ulir kanan), maksudnya adalah bila diameter pulley input membesar, diameter pulley output mengecil, atau sebaliknya. Rancangan desain model CVT ditunjukkan pada gambar 8.

5.3. Blok Diagram Simulasi

Simulasi dibuat dengan software Simulink Matlab 6, dan pada pembuatan skema blok simulink ada beberapa hal yang harus diperhatikan diantaranya:

1. Parameter yang diambil adalah yang terpenting atau efeknya cukup signifikan terhadap respon.

2. Data input yang dimasukkan diusahakan mendekati sesungguhnya sehingga tidak timbul respon yang singular.

3. Snap shoot time yang diterapkan sesuai dengan kebutuhan.

Parameter input yang dipilih untuk memasukkan data adalah sebagai berikut :

a. Setting input value, meliputi, Prosentase slip roda bebas kontrol, Kecepatan kendaraan, Sudut steer, Wheel base dan Berat kendaraan

b. Disturbance input value, meliputi, Kemiringan jalan, Posisi titik berat kendaraan dan Gaya-gaya angin

c. Parameter output yang dipilih adalah respon dari kendaraan yang direpresentasikan sebagai Actual Yawrate

d. Parameter yang dikendalikan dalam hal ini untuk lebih menyederhanakan perhitungan dan dapat dieliminasi adalah Momen Rolling dan Camber trust, dan Momen gyroscop akibat pitching rolling body kendaraan.

Gambar 8. Rancangan desain CVT.

5.4. Konfigurasi skema blok simulasi

Rangkaian skema blok simulasi disusun dengan struktur bertingkat sebagai berikut: 1. Blok pemroses gaya normal, yang terdiri dari 4 sub blok :

♦Sub blok gaya normal kiri belakang ♦Sub blok gaya normal kiri depan ♦Sub blok gaya normal kanan depan ♦Sub blok gaya normal kanan belakang

(8)

2. Blok pemroses kontrol torsi/ traksi dengan CVT

3. Blok pemroses input signal yang berfungsi untuk memunculkan karakteristik ackerman. 4. Blok utama yaitu blok yang mengontrol momen yawing sesuai dengan besarnya momen

respon, momen akibat kondisi medan, dan momen ackerman sehingga didapatkan yawrate respon yang mendekati yawrate ackerman.

5. Blok memori yang berisi kurva medan, adalah :

a. Empat buah kurva hubungan antara prosen slip (λ) terhadap μ lateral b. Empat buah kurva hubungan antara prosen slip (λ) terhadap μ longitudinal.

Gambar 9. Blok Kontrol Traksi dengan CVT.

6. Hasil Dan Pembahasan

Simulasi dilakukan pada persen slip (λ) = 0,2. Dasar pengambilan ini adalah pada konsep kontak ban dan jalan (gambar 1), dimana diharapkan slip sekecil-kecilnya tetapi tetap pada koefisien gesek longitudinal dan koefisien lateral yang cukup besar. Kecepatan kendaraan yang diambil juga bervariasi untuk mengetahui pengaruhnya terhadap kinerja kontrol torsi dengan CVT tersebut. Demikian juga sudut steer diambil adalah 5 derajat step dan 10 derajat step. Beberapa contoh hasil simulasi ditampilkan pada gambar 10, 11, 12 dan 13, 14 dan 15 dan secara keseluruhan dirangkum dalam tabel 1.

Gambar 10. Grafik Yawrate vs waktu, untuk λ = 0,2, V = 60 km/jam, δf = 50

(9)

Tabel 1. Harga-harga rata-rata yawrate pada berbagai kondisi operasi (derajat/s) Yawrate (derajat/s) Kecepatan (km/jam) df = 5 df = 10 df =20 40 0.16 0.3 0.5 60 0.22 0.42 0.80 80 0.28 0.58 1.12 100 0.32 0.70 1.36

Berdasarkan tabel 1 dibuat grafik Yawrate vs kecepatan seperti ditunjukkan pada gambar 16. Dari gambar 16 dapat dilihat bahwa dengan naiknya kecepatan kendaraan maka harga rata-rata yawrate pada kondisi steady juga cenderung naik jika dioperasikan pada kondisi operasi sudut steer yang sama, demikian juga dengan naiknya sudut steer

(10)

maka harga rata-rata yawrate pada kondisi steady juga cenderung naik jika dioperasikan pada kecepatan yang sama.

Grafik Yawrate vs kecepatan

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 20 40 60 80 100 120

Kecepatan kendaraan (km/jam)

Y a w ra te ( d e raj at /s) sdt st r 5 drjt sdt st r 10 drjt sdt st r 20 drjt

Gambar 16. Grafik Yawrate vs kecepatan kendaraan

7. Kesimpulan

Dari hasil perhitungan dan analisa dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :

a. Dari analisa yawrate respon dan yawrate ackerman dapat dilihat bahwa sistem kontrol traksi dengan CVT memberikan prilaku arah kendaraan yang baik, ditunjukkan dengan kondisi steady state yang dicapai rata-rata pada 1300 milisekon dan yawrate response mendekati yawrate ackerman-nya.

b. Semakin besar kecepatan kendaraan pada sudut steer yang sama, yawrate semakin besar, demikian juga semakin besar sudut steer pada kecepatan yang sama, yawrate juga semakin besar.

c. Pada kecepatan yang cukup tinggi (100 km/jam) kontrol torsi dengan CVT perilaku arah kendaraan masih cukup baik, sedangkan kontrol pengereman ABS pada kecepatan 60 km/jam, perilaku kenderaan cenderung sulit dikendalikan (oversteer).

Daftar Pustaka

[1] Tatshuko Abe, [1996]. “Hybrid Traction Control System”, IEEE Control System Magazine.

[2] R.M. Van Drutten, [2000], “ Design and Construction aspect of a Zero Inertia CVT for Passenger Cars”, FISITA Word Automotive Congress Seoul .

[3] B.G. Vroemen, Frans E. Veldpaus [2000] “Control of a CVT in a Flywheel Assisted Driveline”, FISITA Word Automotive Congress Seoul .

[4] Alex F.A. Serrarens, Frans E. Veldpaus [2000], “New Concept for Control of Power Transients in Flywheel Assisted Drivelines with a CVT,” FISITA Word Automotive Congress Seoul .

[5] Sutantra, I.N., Agus, S.P., Triwinarno, Y., Harly, M., [2002], “Improvement of ABS Performance Through Application of Yaw Control Index”, 6th Symposium on Advance Vehicle Control (AVEC) Japan

[6] Taborek, “Study Experimental Wheel – Road Adhesive Factor”.

[7] Vachtsevanos, et al [1993], “Control on Automotive Engine” IEEE Control System Magazine

[8] Sutantra, I.N., [1999], “Teknologi Otomotif – Teori dan Aplikasinya” 1st edition, Surabaya.