RIG DESAIN UNTUK CAM PENGGERAK ELEKTRO-MECHANICAL SINGLE ACTING PULLEY ACTUATOR CONTINUOUSLY VARIABLE
TRANSMISSION (EmSAPA-CVT) PADA SEPEDA MOTOR
Sugeng Ariyono1,2), Sumiyarso B.1), Sutadi LY., Carli1), Supriyo B.3)
1
Politeknik Manufaktur Bangka Belitung dan Teknik Mesin Polines
2 One of the methods to achieve this is by using continuously variable transmission (CVT). This is because a CVT has the capability of providing an almost infinite ratio within its limits smoothly and continuously. CVT had been used as a transmission as early as in the beginning of car was made, but due to the efficiency and bulky the CVT did not develop as fast as other transmission. Nowadays CVT has been developed tremendously such as in the motorcycle, easy driving and good ride are the reason people like to drive this kind of motorcycle known as matic. This purpose of this project is to improve the capabilities of CVT by adding controller and mechatronic system to avoid some weakness of CVT. This paper is written to describe the design of experimental rig of electromechanical CVT. Electromechanical system design consists of a combination of a DC motor system, gear reducers, cam mechanism for moving the primary pulley. Secondary pulley powered by a spring that exerts a force wedge to prevent slippage. In the previous cam design there are weaknesses that need to find a solution with the redesign of the cam profile. The new cam design needed to produce optimal force when pressing the primary pulley on electromechanical systems Continuously Variable Transmission. Due to limitation of equipment the experimental rig can be used to determine suitable controller and experimental rig can be optimised to become real prototype embedded to motor cycle.
Keywords: Continously Variable Transmission, mechatronic CVT, Experimental rig CVT, Surface contact cam, CVT Control
PENDAHULUAN
salju, semua menggunakan tipe sabuk karet CVT. System kerja CVT yang menggunakan sabuk atau rantai adalah sebagai berikut: pada saat rasio rendah atau underdrive radius pada pulley input atau pulley primer kecil dibanding dengan pulley output atau secondary pulley. Kondisi ini sama dengan gear rendah atau gear satu pada transmisi manual. Untuk mengubah rasio, pulley input bergerak secara aksial menekan sabuk sehingga terjadi penambahan radius sementara pada pulley output bergerak keluar secara aksial sehingga terjadi pengurangan radius sabuk yang melilit masing-masing pulley, dengan demikian maka ada pengurangan rasio sebagaimana pada gear manual kalau terjadi perpindahan gigi dari satu ke dua. Demikian seterusnya sehingga radius pada pulley input mencapai maimumnya sementara pada pulley output radius sabuk mencapai nilai minimum. Kondisi ini disebut sebagai overdrive. Pada gambar satu menunjukkan posisi 1: 1 antara pulley input dan pulley output.
Perpindahan aksial pulley inputpada motor matic dikontrol oleh gaya sentrifugal yang diakibatkan oleh tiga buah roller karena kecepatan putar poros input yang semakin cepat sebanding dengan kecepatan mesin. Sementara untuk menjaga ketegangan sabuk supaya tidak terjadi slip maka pada pulley output diletakkan pegas tekan yang berfungsi menekan pulley ketika radius mengecil akibat radius pada pulley input membesar.
Gambar 1. Desain CVT Konvensional
Gaya sentrifugal ini berhubungan langsung dengan kecepatan mesin yang diakibatkan oleh pedal gas pada jalan mendatar, sementara pada jalan menurun kecepatan putar mesin bergantung pada kecepatan laju kendaraan dan tidak ada hubungannya dengan pedal gas. Oleh karena itu pada motor matic tidak ada sistim pengereman mesin sebagaimana pada motor dengan transmisi manual dimana kecepatan motor saat menurun dapat dikurangin dengan memindah gear pada posisi rendah. Sementara untuk motor matic bila kendaraan melaju pada jalan menurun maka perlambatan kendaraan bergantung dengan pengereman secara keseluruhan. Hal ini sangat berbahaya bila keadaan jalan turun curam dan panjang.
mechanic Single Acting Pulley Actuator CVT (EmSAPA-CVT). Sistem EmSAPA-CVT ini memasang motor sebagai penggerak seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. Modifikasi CVT menggunakan EmSAPA-CVT
Sistem terdiri dari 2 pulley, yaitu pulley primer dan pulley sekunder. Motor menggerakkan pulley primer untuk perubahan rasio transmisi, sementara itu mekanisme pegas menggerakkan pulley sekunder untuk gaya apit (Mohd, dkk, 2010)(Cholis, 2013). Pegas dipasangkan pada pulley sekunder untuk mengurangi slip ketika perubahan rasio transmisi. Ketika CVT dalam posisi underdrive, radius primer sabuk minimum sedangkan radius belt sekunder maksimum, perubahan rasio terpanggil, motor primer akan menggerakkan pulley primer ke ukuran radius primer yang baru, dan pada waktu yang sama mekanisme pegas akan menggerakkan pulley sekunder untuk menghasilkan gaya apit optimal untuk mencegah slip sabuk (Bambang, dkk, 2006)(Cholis, 2013). Perpindahan tersebut akan berhenti ketika rasio yang diinginkan tercapai. Sistem EmSAPA-CVT akan dapat meningkatkan efisiensi mesin, sehingga dapat menghemat bahan bakar. Selain itu dapat juga digunakan untuk sistem pengamanan kendaraan bermotor bila transmisi ini dilengkapi dengan pendeteksi pemakai baik menggunakan RFID, finger print, face recognition dan lainnya. Karena TCU berupa program yang bisa diinstal dengan alat tambahan sehingga transmisi ini bisa diprogram bila pemakai tidak dikenal maka transmsisi ini tidak akan bekerja. Dengan demikian walaupun mesin bisa hidup dengan kunci palsu tapi karena pengendara tidak dikenal maka tidak bekerja. Teknologi ini akan bisa dikembangkan pada transmisi pada kendaraan yang lebih besar seperti mobil, kendaraan tempur dan lainnya, bahkan bisa menjadi transmisi pada energi terbarukan seperti turbin angin untuk mendapatkan putaran pada generator lebih konstan.
METODE PENELITIAN
1. Tahap desain dan reka bentuk sistim penggerak mekanik yang akan menggerakkan pulley sehingga terjadi perubahan rasio pulley. Sistem penggerak meakanik ini perlu dianalisa secara kinetik dan kinematiknya untuk menguji unjuk kerjanya yang akan dilakukan pada tahun pertama.
2. Tahap berikutnya adalah tahap membuat bentuk profil surface cam dengan mesin CNC milling 3 axis.
3. Pembuatan eksperimental rig dan pengujiannya.
Tahap pertama dilakukan dengan melalui beberapa tahapan yaitu: design surface cam menggunakan software Solidwork kemudian mensimulasikan kekuatan surface cam untuk menguji kekeutannya dengan komputer modeling.
Computer modelling digunakan untuk menganalisa secara dini terutama pada aliran gaya sehingga bisa diprediksi bentuk-bentuk yang kemungkinan terjadi kerusakan dini. Desain cam yang baru dilakukan dengan menggunakan software Solidworks Simulation. Material yang digunakan adalah AISI 1020, beban ditekankan pada pulley primer dan dudukan pada input shaft. Beban yang diterapkan pada cam bervariasi, mulai dari 20 kN, 1 kN, 5 kN dan kemudian 4 kN. Tegangan 20 kN adalah untuk sabuk metal, 1 kN adalah untuk sabuk karet dan 5 kN adalah tegangan maksimal untuk sabuk karet. Analisa pada tiap beban dilakukan pada perpindahan pulley tertentu. Aliran gaya akan dapat dihasilkan dari hasil simulasi sehingga dapat mengetahui seberapa besar beban yang dapat diterima oleh cam.
Tahap ke dua adalah pembuatan surface cam yang cukup susah dengan CNC tiga axis. Mestinya pembuatannya menggunakan CNC yang 4 atau 5 axis. Dengan CNC tersebut permukaan cam akan bisa halus, sehingga hambatan gesekannya sangat kecil untuk mengurangi torsi pada motor controllernya. Karena di Politeknik hanya memiliki CNC dengan 3 axis dan sudah dicoba untuk mencari industri manufactur dikota Semarang yang mampu membuat Cam tersebut belum ditemukan, maka Cam dibuat dengan mesin 3 axis dengan hasil yang kurang baik.
Untuk menguji fungsi Cam dan efektifitas kerja Cam maka dibangun eksperimental rig untuk menguji dan mencari parameter dan variable yang berpengaruh pada pergerakan Cam dan pergantian rasio transmisi. Bentuk rig dapat dilihat pada gambar 3 dibawah ini.
HASIL DAN PEMBAHASAN a. Profile cam yang baru
Desain cam yang baru akan memperbaiki kekurangan dari desain cam yang lama, sehingga tidak terjadi kontak titik ke titik ketika cam diputar. Hal ini dikarenakan desain cam yang baru menghasilkan kontak permukaan. Hasil desain cam pada masing-masing perpindahan dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Profile Cam dan pergerakan cam pada beberapa titik (a) 3 mm (c) 6 mm (c) 9 mm (d) 11 mm
Gambar 4(a) menunjukkan cam saat berputar 29° menghasilkan rasio CVT 1,78 dan terlihat tidak tejadi kontak poin sebagaimana terjadi pada desain cam sebelumnya. Kontak permukaan cam merata dan hampir 75% permukaan masih tetap bersinggungan satu dengan lainnya. Begitu juga pada Gambar 4(b) menunjukkan cam saat berputar 59° menghasilkan rasio CVT 1,11 dengan permukaan kontak masih diatas 50%. Kemudian Gambar 4(c) menunjukkan cam saat perpindahan pulley utama sebesar 9 mm berputar 88°, menghasilkan rasio CVT 0,7. Pada saat overdrive dimana ration CVT menunjukkan 0,5 kedudukan permukaan cam juga masih tetap yaitu kontak yang tejadi dalam bentuk bidang bukan kontak poin. Perbaikan sudut kontak pada desain cam yang baru dapat dilihat pada kotak detail Gambar 4, dimana ketika cam diputar, maka cam bawah akan mengikuti cam atas sesuai alur dan menghasilkan kontak permukaan. Desain cam permukaan (Gambar 4) telah menyelesaikan masalah pada desain cam sebelumnya dengan menghilangkan kontak titik ke titik menjadi kontak permukaan. Ketika cam diputar, maka cam akan menghasilkan gaya yang optimal untuk menekan pulley utama.
b. Analisa menggunakan Solidwork simulasi.
Gambar 5. Hasil simulasi cam dengan beban 20 kN pada perpindahan pulley utama (a) 0 mm (b) 3 mm (c) 6 mm
Gambar 5(a) menunjukkan tegangan maksimal adalah 2,82 × 108 N/m2, sehingga masih aman karena dibawah batas tegangan yield sebesar 3,51 × 108 N/m2. Pada Gambar 5(b) tegangan maksimal 6,5 × 108 N/m2 dan Gambar 5(c) menunjukkan tegangan maksimal 7,47 × 108 N/m2 sehingga melebihi tegangan yield, maka cam tidak mampu menerima beban 20 kN. Analisa cam dilanjutkan dengan memberikan beban 5 kN atau sebesar tegangan sabuk karet, karena pada analisa sebelumnya pada beban 20 kN cam memasuki daerah plastis. Hasil anailsa pada beban 5 kN dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Hasil simulasi cam dengan beban 5 kN pada perpindahan pulley utama (a) 9 mm (b) 12 mm
Gambar 6(a) menunjukkan tegangan maksimal adalah 2,93 × 108 N/m2. Namum pada perpindahan pulley utama 12 mm (Gambar 6(b)) tegangan maksimal adalah 4,31 × 108 N/m2 melebihi tegangan yield. Daerah plastis pada perpindahan pulley utama 12 mm terjadi pada ball bearing dan tidak pada cam, maka dapat diantisipasi dengan memilih material ball bearing dengan tegangan yield lebih besar dari 4,31 × 108 N/m2.
KESIMPULAN
Dari desain cam yang baru memperlihatkan bahwa cam tersebut bisa berfungsi dengan baik untuk dijadikan actuator elektromekanik CVT. Kontak permukaan pada cam mampu mengatasi tekanan yang diakibatkan oleh tekanan belt pada pulley. Rig eksperiment untuk EmSAPA-CVT sudah siap digunakan untuk mencari data-data primer pada perilaku CVT sehingga dapat dibuatkan controller yang spesifik untuk memperbaiki sistim motor matic yang sekarang beredar luas dipasaran. Control automatic ini meliputi optimasi beban mesin pada motor matic, disamping itu dengan menambah sistim elektromekanik maka CVT juga mampu dikontrol seperti manual dengan konsep taptronik. Dengan penambahan fitur-fitur lain hasil dari peneliti lain seperti image recognition EmSAPA-CVT dapat dikontrol untuk menghindari penyalahgunaan kendaraan seperti kecurian, mode pemula, driving performance, economic driving dan sebagainya. EmSAPA-CVT perlu diteliti lebih jauh karena konsep ini merupakan konsep transmisi masa depat dengan perkembangan digital yang luar biasa maju.
DAFTAR PUSTAKA
Bambang S, Kamarul B T, Hishamuddin J and Sugeng A 2006 (RPCES‘06) 26-27 July,
Johor Bahru Malaysia
Belfiore, N.P. and De Stefani, G. 2003. Ball toroidal CVT: a feasibility study based on topology, kinematics, statics and lubrication. International Journal of Vehicle Design. 23(3–4): 304–331.
Cholis N. 2013. Electro-Mechanical Single Acting Pulley Rubber V-Belt Continuously Variable Transmission For Scooter. Universiti Malaysia Pahang
Fuchs, R., Hasuda, Y. and James, I. 2002. Modeling simulation and validation for the control development of a full-toroidal IVT. Proceedings of CVT 2002 Congress, 1709: 121–129.
Kanphet, P., Jirawattana, P. and Direcksataporn, B. 2005. Optimal operation and control of a hydrostatic CVT powertrain. SAE Transactions Journal of Passenger Cars: Mechanical Systems. 114(6): 1838–1845. Paper No. 2005-01-1467.
Kim, J., Park, F.C., Park, Y. and Shizuo, M. 2002. Design and analysis of a spherical continuously variable transmission. ASME Journal of Mechanical Design. 124: 21– 29.
Mantriota, G. 2001. Theoretical and Experimental Study of a Power Split Continuously Variable Transmission System, Part 2. Proceedings Instn. Mech. Engrs. 215(D): 851864.
Miller, J., M. 2006. Hybrid electric vehicle propulsion system architectures of the e-CVT type. IEEE Transactions on Power Electronics. 21(3): 756–767.
Milner, P.J. 2002. MilnerCVT for high torque applications. Proceedings of CVT 2002 Congress, 1709: 543–554.
Mohd E Z, Kamarul B T, Hussein. Bambang S, Aishah D 2010 3rd International Graduate Conference on Engineering, Science and Humanities IGCESH
Park, N.G., Ryu, J.H., Lee, H.W., Jeon, Y.H. and Zhang, N. 2009. Development of the inner spherical CVT for a motorcycle. International Journal Automotive Technology. 10(3): 341−346.
