DESAIN DAN KARAKTERISTIK SISTEM KONTROL TORSI DENGAN CVT UNTUK MEMPERBAIKI STABILITAS ARAH KENDARAAN

DESAIN DAN KARAKTERISTIK SISTEM KONTROL TORSI

DENGAN CVT UNTUK MEMPERBAIKI

STABILITAS ARAH KENDARAAN

I Ketut Adi

Atmika§

ABSTRAK

Perbaikan kinerja stabilitas arab dan mampu kendali kendaraan sudab dilakukan dengan menambahkan sistem kontrol pengereman (Single dan fJIu/ticontrol ABS), sistem kontrol traksi dengan kontrol pembukaan katup trottle dan intervensi pengereman. Sistem kontrol traksi/torsi roda penggerak dengan ContinouslJ Variablu Transmission (CVI) akan dibabas di sini. Pada prinsipnya sistem kontrol pengereman dan sistem kontrol traksi ini berpegangan pada setting point ratio slip pada kondisi pengereman/percepatan optimum. Makalah ini akan menjelaskan analisa stabilitas dari sistem kontrol torsi roda penggerak dengan CVT menggunakan simulasi komputer. Untuk proses simulasi dibuat model kendaraan secara lengkap dengan input kondisi dan parameter operasi dengan sistem itu bekerja, dengan setting point ratio slip (A.) pada koefisien gesek yang optimum. Analisa stabilitas difokuskan pada perilaku gerakan belok kendaraan. Yaw respon akan dibandingkan dengan yaw ackermannya, untuk mendapatkan gambaran kinerja perilaku arab kendaraan. Respon kontrol traksi akan dibandingkan dengan respon kontrol pengeremao. Hasil simulasi menunjukkan pada kecepatan yang cukup tinggi, yaitu 100 km/jam, sistem kontrol traksi dengan CVT masih bekerja dengan baik, sedangkan kontrol pengereman pada kecepatan di atas 60 km/jam kondisi kendaraan cenderung susab dikendalikan (oversteery.

Kata kunci: sistem kontrol traksi, CVT, rasio slip (A), koefisien gesek longitudinal, responyaw,yaw ackerman

ABSTRAct

Improvement of 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 (CVI) will

be studied here. In principle, braking control systems and traction control systems are held at setting point ratio slip of braking condition/ptimum acceleration This paper will explain the stability analysis from torque control systems of activator wheel by CVT using the computer simulation. To process the simulation, a complete vehicle model has been made at which the system works by setting point ratio slip (A.) at optimum coefficient of lingitudinal friction. Analysis of the stability is focused on the movement behavior of the vehicle. Yaw response

will be compared to the yaw ackerman, to obtain the behavioral performance. Response of the traction control systems will be compared to response of the braking control systems. Results of the simulation show that at a speed of as high as 100 km/h, the traction control systems by CVT work better, while during a braking control at a speed of above 60 km/h the vehicle is oversteer.

Keyword: traction control systems, CVT, slip ratio (A.), coefficient of longitudinal friction, yaw response, yaw ackerman

1. PENDAHULUAN

Stabilitas arab kendaraan belakangan ini

menjadi perhatian se.Ous 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 (Jl) yang rendah, ABS mencegah roda lock selama pengereman. Sistem kontrol traksi (reS) 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 altematif 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. Di samping itu, pada kondisi belok informasi kecepatan kendaraan (V) dan sudut steer roda depan (Or) dan parameter-parameter serta kondisi operasi bisa digunakan sebagai variabel input untuk sistem kontrol torsi

..

Van Drutten et

at.

(2000) dalam penelitiannya tentang desain dan aspek konstruksi dari Zero

Inertia Conntinouse Variable Transmission untuk

kendaraan penumpang. Dalam desainnya didapatkan efisiensi ttansmisi dan kebutuhan bahan bakar yang optimum.

Vroemen dan Veldpaus (2000) dalam papemya "Control of a CVT in a Flywheel Assisted Driveline" menyatakan bahwa rasio CVT dikontrol untuk mendapatkan kebutuhan ratio

gigi

yang diinginkan pada efisiensi transmisi maksimum, juga untuk mencegah slip pada belt.

Serrarens dan Veldpaus (2000) melakukan penelitian mengenai dua strategi kontrol untuk pembukaan katup engine dan perubahan rasio CVT untuk meningkatkan driveabi!i!J dan kebutuhan bahan bakar yang ekonomis pada kondisi tertentu.

Sutantra et af. (2002) dalam papemya "Improvement of ABS Performance Trough Application of Yaw Control Index" menyatakan bahwa gerakan yawing adalah salah satu parameter kunci dalam menentukan stabilitas arah kendaraan. Salah satu hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 1.

Terlihat bahwa pada kecepatan yang cukup tinggi, kendaraan cenderung oversteer.

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 (A.) pada roda-roda tersebut, dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:

A =

(r.m -

V) (1)

V

dengan: V

=

kecepatan kendaraan (m/s) r

=

jari-jari roda penggerak (m)

ro

=

kecepatan angular roda penggerak (rad/s)

Pada tahun tujuh puluhan beberapa peneliti, di antaranya Taborek (1962) 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.

'. -~],..--r.!.--.~-""--..!r---J,.--!.--_{I .. ,,..T.. I .... '} _. (a) kondisi 50 km/h-sudut steer 15 derajat

..

---r--..---'-T-~---r-·

-

-:/'~~';;-:t--"'.{

- -

t - -

r

--:--__ L _ -' __ .J _ _ ..I :"""'-;:;-r-;;-_ L,; ~- ~a;.;;-'':;';;; /1 I I I I I 1 :i:7..r: - ~-- ~ - - , - - T - - r - -~

--

-:~':"-,::-.::~~

... -+ --

~

-

-:--__ L -:--__ 1_ ~!!~%!-~r __ L __ L_ I I I • 1 ... ' • I I - - . . . . --1--"'1--1--~-'-,~--.... - --~-~--~--~--+--~--~--.!- , .1 -~--'\----I--;\-- .

(b) kondisi 60 km/h-sudut steer 15 derajat Gambar 1. Respon kendaraan dengan kontrol pengereman ABS.

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

U

-

CIA U U til

...

Gambar 2. Pengaruh skid terhadap koefisien adhesi.

3. RESPON ARAH KENDARAAN

Peri!aku atau respon arab kendaraan menggambarkan stabilitas arab 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 arab 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

~bat under/oversteer dilakukan dengan mengontrol proporsi persen skid antara rOda kanan dan kiri, atau secara flowchart control arah dengan CVT digambarkan seperti Gambar 3.

Gambar 3. Flowchart control arah dengan CVT.

Yaw rate set input gain untuk sistem kemudi 2

roda (2WS) dipakai standar ackennan:

OJa _ V.O f (2)

57,29.(L, + ~)

dengan L1

=

jarak poros depan terhadap Center

oj

Weight (m) dan L2

=

jarak poros belakang

terhadap CenteroJWeight(m).

Yaw rate actual gain yang terjadi dipengaruhi

oleh sudut slip:

V.(Of _{+af -a,)}

OJad

57,29.(L, +~)

=OJ + (af -a,).V

• 57,29.(L, + ~)

(3)

Rumusan sudut slip untuk ban radial baru:

_ crp c_{n ;} a ; . -Crs

c

_ro; h087935(Fy; p,79008 - O,OO5277(F=I)] dengan: Crp

=

33,5

+

5,30 (P) - 0,0916 (P)2 Crs

=

33,5

+

5,30 (ps) - 0,0916 (PS)2 (4)

P

=

tekanan ban pada kondisi operasi (psi) Ps

=

tekanan ban standar (25 psi)

I C = [Fyi + O,107927(F ...

)]0.474 ....

"" 161,1398 [ F",

]0'47~""

C = ' -"" 161,1398

i

=

1,2,3, dan 4 (roda kiri belakang, kid depan, kanan depan, kanan belakang).

4. DRIVE LINE DAN PERSAMAAN

MATEMATIS

Uraian pada drive line di atas dimulai pada persamaan CVT, sedangkan persamaan engine diambil dati Vachtsevanos (1993) dan langsung dimasukkan ke dalam blok simulasi torsi enline.

T Vehicle P.sekunder if Gambar 4. Powertrain. Te

=

-39,22 + (3252024/120Ne) (0,0005968Ne -0.1336 Pm + 0.0005341 Ne.P", + 0.00000175 Ne.P"r) - 0,0112.6 + 0,000675ONe(2tr/60) + 0,635.0 + 0.0216. Ne.(2tr/60) - 0,000102Ni . (2tr/601 dengan

Pm

=

50,66 KPa

Ne

=

putaran mesin (rpm) 0= tOO < S < 450 4.1 CVT (5)

Dati Gambar 5, maka persamaan-persamaan yang berkaitan: Tp -Tb +cp.Bp =lp

.8

p Tb -1'. +c.D. =

Is.B.

mb.Bp'rp + kb,s

=

Fb mb.Bp.rp + kb·s

=

Fb s .---.

Gambar 5. Torsi dan gaya pada CVT. dengan

Tp

= Torsi pu/~ primer

Ts = Torsi pu/~ sekunder

Tb = Torsi belt

Ip

=

Momen inersia pu/~ primer

Is

=

Momen inersia pu/~ sekunder c_p

=

konstanta redaman primer

Cs = konstanta redaman sekunder

kb = kekakuan belt

X1 +(Tb -T

Ip Ip X· 2 =--.

-Cs

X 2 +

(Ts-Tb)

-=--!:.. Is Is . -kb Fb X 3 = , X 3 + -mb·rp mb·rp

Kemudian ditulis dalam bentuk state space

X

=

AX +Bu (6)

y=cT.x

4.2 Drive shaft

Dari Gambar 4. Skema power-train dan dengan penyederhanaan didapatkan torsi pada drive shaft adalah sebagai berikut:

4.3. Wheels

Dinamika roda dan dinamika kendaraan dilustrasikan seperti Gambar 6.

Gambar 6. Interaksi antara kendaraan, roda dan jalan.

Persamaan dinamika roda penggerak tanpa pengereman

(8) dengan

PO'

=

gaya dorong pada roda penggerak (N) R,.,

=

jari-jari roda penggerak (m)

Tr

=

torsi rolling resistance (Nm)

Tlh

=

torsi pada poros roda penggerak (Nm)

l.,

=

momen inersia polar pada roda

C.' = suatu konstanta aerodinamis v

=

kecepatan kendaraan (m/s)

fIlv

=

massa kendaraan (kg) 5. MODEL DAN SIMULASI 5.1. Sistem Layout dan Operasional

Sistem kontrol traksi dengan

cvr

termasuk dalam link sistem kontrol kendaraan yang akan sebagian dibahas, diperlihatkan pada Gambar 7.

Pada

cvr

dipasang sensor langkah stepper untruk mengontrol besarnya kebutuhan langkah fIlotor steeper, sensor putaran input untuk mengetahui dan mengontrol besarnya torsi input ke

cvr

dan sensor putaran output un~ mengetahui dan mengontrol besarnya torsi keluaran dari

cvr.

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

Trackdepan mm 1530

Tinggi titik berat mm 350 Max output rpm 5400 Torsi maksimum Nm/rpm

40/3700

Final drive ratio 3,64

Jari-jari roda mm 300

5.2 Rancangan

cvr

Rancangan desain' model CVT ditunjukkan pada Gambar 8.

Pengaturan besarnya ratio

cvr

dilakukan oleh gerakan motor stepper yang menerima perintah dati ECU sesuai dengan besarnya kebutuhan torsi. Motor steeper memutar poros pengarah yang dilengkapi dengan ulir, sehingga menyebabkan hubungan sleeve menarik atau menekan pu/~. Ulir pada poros input dan output dibuat dengan arah berlawanan (ulir kiri dan ulir 'kanan) , maksudnya adalah bila diameter pu/~ input membesar, diameter output pu/~ mengecil, atau sebaliknya.

Sensor sudut steer CVT Engine I : Sensor putaran : input, output CVT I Sensor ECU --- ---j I I I I I I I Sensor yawVtg dan gaya sentrifligal I I I I I I I I

Gambar 7. Skema Iqyout kontrol traksi dengan CVT pada kendaraan.

5.3 Blok Diagaram Simulasi

Simulasi dibuat dengan software Simulink

Matlab 6, dan pada pembuatan skema biok

simulink ada beberapa hal yang harus diperhatikan:

Gambar 8. Rancangan desain CVT.

• Parameter yang diambil adalah yang terpenting atau efeknya cukup signifikan terhadap respon. • Data input yang dimasukkan diusahakan mendekati sesungguhnya sehingga tidak timbul respon yang singular.

• Snap shoot time yang diterapkan sesuai dengan kebutuhan.

Parameter input yang dipilih untuk memasukkan data adalah sebagai berikut:

[J Setting input value, meliputi:

• Prosentase slip roda bebas kontrol • Kecepatan kendaraan

• Sudut steer • Wheel base

• Berat kendaraan

[J Disturbance input value, meliputi:

• Kemiringan jalan

• Posisi titik berat kendaraan • Gaya-gaya angin

[J Parameter output yang dipilih adalah

respon dari kendaraan yang direpresentasikan sebagai:

• Aktual Yawrate

[J Parameter yang dikendalikan dalam hal

ini untuk Iebih menyederhanakan perhi-tungan dan dapat dieliminasi adalah: • Momen Rolling dan Chamber !nIst

• Momen giroskop akibat pitching rolling

bodi kendaraan.

Kon6gurasi skema biok simulasi

Rangkaian skema biok simulasi disusun dengan struktur bertingkat sebagai berikut

[J Blok pemroses gaya normal, yang terdiri dari

4 sub bIok:

• Sub biok gaya normal kiri belakang • Sub biok gaya normal kiri depan • Sub biok gaya normal kanan depan • Sub biok gaya normal kanan belakang

[J Biok pemroses kontrol torsi/ traksi dengan

CVT

[J Biok pemroses input signal yang berfungsi

untuk memunculkan karakteristik ackerman.

[J Biok utama yaitu biok yang mengontrol

momen yawing sesuai dengan besamya momen respon, momen akibat kondisi medan, dan momen ackerman sehingga didapatkan yawrate respon yang mendekati

Gambar 9 adalah blok diagram kontrol torsi

cvr.

Gambar 9. Blok Kontrol Torsi dengan

cvr.

Simulasi dilakukan pada persen slip

(1..)

= 0,2. Dasar pengambilan ini adalah pada konsep kontak ban dan jalan (Gambar 1), dengan 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 Tabell.

6. HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 10. Grafik Yawrate vs waktu, untuk A

=

0,2, V

=

60 km/jam,

Ot

=

50.

Gambar 11. Grafik Yawrate vs waktu, untuk A

=

0,2, V

=

80 km/jam,

Ot =

50.

Gambar 12. Grafik Yawrate vs waktu, untuk A

=

0,2, V

=

100 km/jam,

Ot =

100.

Gambar 13. Grafik Yawrate vs waktu, untuk A

=

0,2, V

=

60 km/jam,

Ot

=

100.

Gambar 14. Grafik Yawrate vs waktu, untuk A

=

0,2, V

=

80 km/jam,

Ot

=

100.

Gambar 15. Grafik. Yawrate vs waktu, untuk

A.

=

0,2, V

=

100 km/jam, Bt

=

100.

Berdasarkan Tabel 1 dibuat grafik. Yawrate vs kecepatan seperti ditunjukkan pada Garnbar 15.

Dari gambar 16 dapat dilihat bahwa dengan naiknya kecepatan kendaraan maka harga

rata-ra~ -!.awrata-ra~e pada. kondisi stea4J juga cenderung naik Jika dioperasikan pada kondisi operasi sudut steer yang sarna, demikian juga dengan naiknya sudut steer maka harga rata-rata yawrate pada kondisi steady juga cenderung naik jika dioperasikan pada kecepatan yang sarna.

Tabel 1. Harga-harga rata-rata yawrate pada b erbagai kondisi operasi (derajat/s).

Kecepatan ):a~atelfderajat/s) (km/jam) 1.6 1.4 Va 1.2 wr at 1 id 0.8 er 0.6 aJa tis 0.4 0.2 o 40 60 80 100 20 df - 5 df= 10 df-20 0.16 0.3 0.5 0.22 0.42 0.80 0.28 0.58 1.12 0.32 0.70 1.36

Graflk Yawrate YS kecepatan

40 60 80 100 120

Kecepatan kendaraan (kmI)am)

Garnbar 16. Grafik Yawrate vs kecepatan kendaraan.

7.SIMPULAN

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

[J Dari analisa yawrate respon dan yawrate

ackerman dapat dilihat bahwa sistem kontrol

traksi dengan CVT memberikan prilaku arah kendaraan yang baik, ditunjukkan dengan kondisi stea4J state yang dicapai rata-rata pada 1300 milisekon dan yawrate respon mendekati yawrate ackermannya.

[J Semakin besar kecepatan kendaraan pada

sudut steer yang sarna, yawratenya semakin besar, demikian juga semakin besar sudut steer pada kecepatan yang sarna, yawratenya

juga semakin besar.

[J Pada kecepatan yang cukup

tinggi

(100

km/jarn) kontrol torsi dengan CVT perilaku arah kendaraan masih cukup baik, sedangkan kontrol pengereman ABS pada kecepatan 60 km/jam, perilaku kenderaan cenderung sullt dikendalikan (oversteery.

DAFTAR ACUAN

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.

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

Nyoman Sutantra [1999], "Teknologi Otomotif - Teori dan Aplikasinya" 1st edition, Surabaya.

Nyoman Sutantra, et al [2002], "Improvement of ABS Performance Through Application of Yaw Control Index", 6th Symposium on Advance Vehicle Control (AVEC) Japan. R.M. Van Drutten, et al [2000], " Design and

Construction aspect of a Zero Inertia CVT for Passenger Cars", FISITA Word Automotive Congress Seoul.

Tatshuko Abe, et al [1996]. "Hybrid Traction Control System", IEEE Control System Magazine.

Taborek, "Study Experimental Wheel - Road Adhesive Factor".

Vachtsevanos, et al [1993], "Control on Automotive Engine" IEEE Control System Magazine.

Diterima: 6 September 2004