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

140

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 parameterparameter serta kondisi operasi bisa digunakan sebagai variabel input untuk sistem kontrol torsi

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran, Bali 80361. Email: [email protected].

§

Majalah IPTEK - Vol. 15, No.4, Nopember 2004

141

ini, kemudian dianalisa kinerja perilaku arah

..

kendaraan. Abe et af. (1996) melakukan penelitian ten tang konsep terbaru sistem kontrol traksi, yaitu dengan HTCS (Hybrid Traction Control System) yang menawarkan kinerja dalam memperbaiki TCS dengan EIB (Engine Inertia Brake). 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.

........."

. . . "0••• " ...GI . . . . . . . . . .

• ---~ •• ~..!'!=-~.:.!!,:!=~.:!!-I

I

I

_ .... __1__

I

I

I

I

~:,::-"':~T:: ~::~: J __ J_':'J._ L __ I__

~.,

_I___ I __

!

-:---:--~--~--!:""'r _I.- __ I!!"I_ .l !a"'!:'"J' __ J. __

~

-:-L_

:.,...-I .......q.... __ ,_ i-' -~--I--~-- .. -- .. -- . . ---..; I"

_~

_:___

~_

, I I I I I I -r-~--'~-1--i--r--r-

'.

-~-~--~--'--T--r--~-~],..--r.!.--.~-""--..!r---J,.--!.--

I..,,..T.. I.... '

_.

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

..

---r--..---'-T-~---r-·

-__-:/'~~';;-:t--"'.{ -:"""'-;:;-r-;;-_ - t - - r--:-L _ -' __ .J __ ..I

/1

:i:7..r: -

I ~-

-

I ~

I

- - , - -

L,;

I I T - - r

~- ~a;.;;-'':;';;;

- -

1 ~

-

- -:~':"-,::-.::~~ ... -+-- ~ --:-~!!~%!-~r __

__ L __1_ I

II

L __ L_

I I • 1...... ' • --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.

Vol. 1..5, No.4, Nopember 2004 - Majalah IPTEK

142

T

Vehicle

P.sekunder

if

Gambar 4. Powertrain.

Gambar 3. Flowchart control arah dengan CVT.

Yaw rate set input gain untuk sistem kemudi 2 roda (2WS) dipakai standar ackennan: (2)

V.Of

OJa _

57,29.(L, + ~)

=

jarak poros depan terhadap Center oj Weight (m) dan L2 jarak poros belakang terhadap CenteroJWeight(m). Yaw rate actual gain yang terjadi dipengaruhi

dengan L1

=

oleh sudut slip:

(3)

+~)

57,29.(L,

=OJ +

(af -a,).V

•

57,29.(L, + ~)

(5)

=

dengan Pm 50,66 KPa Ne putaran mesin (rpm) 0= tOO < S < 450

=

4.1 CVT Dati Gambar 5, maka persamaan-persamaan yang berkaitan: Tp -Tb +cp.Bp =l p.8p

V.(Of +af -a,)

OJad

=

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

Tb

-1'. +c.D. = Is.B.

mb.Bp'rp + kb,s = Fb mb.Bp.rp + kb·s = Fb

Rumusan sudut slip untuk ban radial baru: _ crp c ; a ; - - .nCrs

(4)

cro;

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 P tekanan ban pada kondisi operasi (psi) Ps tekanan ban standar (25 psi)

=

= = =

I

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

C

""

C

""

)]0.474....

]0'47~""

= -F",' [ 161,1398

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

4.

s .---.

161,1398

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.

Majahili IPTEK - VoL 15, No.4, Nopember 2004

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 cp =konstanta redaman primer Cs = konstanta redaman sekunder

= =

kb = kekakuan belt mb= Massa belt

143

Kemudian dengan memisalkan Xl=B p '

Xa

=(Bp +

4.4 Vehicle Dinamika keq:patan kendaraan adalah hasil dati gaya roda F", dan hambatan aerodinamis dan dituliskan

X2=B s '

kb'S) mb·rp

. vlJ

Sehingga didapat

Xl

=_-_Cp_,X1 +(Tb -Tp ), Ip

Ip

-Cs

(Ts-Tb)

(9)

mlJ

dengan PO' = gaya dorong pada roda (N) C.' = suatu konstanta aerodinamis v =kecepatan kendaraan (m/s) fIlv =massa kendaraan (kg)

X· 2 =--.X 2 + -=--!:.. Is Is . -kb Fb

X3=--,X3+-mb·rp

2

Fw - clJ'v =-='----=---

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.

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 Wheelbase As depan ke CG Trackdepan Tinggi titik berat Max output Torsi maksimum

kg mm mm mm

mm rpm Nm/rpm

2550 2500 1240 1530 350 5400

40/3700 Final drive ratio Jari-jari roda

Gambar 6. Interaksi antara kendaraan, roda dan jalan. Persamaan dinamika roda penggerak tanpa pengereman (8) dengan PO'

=gaya dorong pada roda penggerak (N)

=jari-jari roda penggerak (m) = torsi rolling resistance (Nm) Tlh = torsi pada poros roda penggerak (Nm) l., =momen inersia polar pada roda R,., Tr

mm

3,64 300

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.

Vol. 15, No.4, Nopember 2004 - Majalah IPTEK

144

Sensor sudut steer

------------------

-----j I

I I I I I

CVT

I

Sensor yawVtg dan gaya sentrifligal

ECU Engine

I

I I

: Sensor putaran : input, output CVT

I I I I

I

I I

Sensor

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:

[J

[J

[J

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


Disturbance input value, meliputi: • Kemiringan jalan • Posisi titik berat kendaraan • Gaya-gaya angin Parameter output yang dipilih adalah respon dari kendaraan yang direpresentasikan sebagai: • Aktual Yawrate Parameter yang dikendalikan dalam hal ini untuk Iebih menyederhanakan perhitungan 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 yawrate ackerman.

145

IJ

Blok memori yang berisi kurva medan, adalah: • Empat buah kurva hubungan antara prosen slip (1..) terhadap J.1lateral • Empat buah kurva hubungan antara prosen slip (A) terhadap J.11ongitudinal. Gambar 9 adalah blok diagram kontrol torsi

cvr.

Gambar 11. Grafik Yawrate vs waktu, untuk A = 0,2, V = 80 km/jam, Ot = 50.

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





Vol. 15, No.4, Nopember 2004 - Majalah IPTEK

146

[J

[J

Gambar 15. Grafik. Yawrate vs waktu, untuk A. 0,2, V 100 km/jam, Bt 100.

=

=

=

[J

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 ratara~ -!.awra~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 berbagai kondisi operasi (derajat/s). ):a~atelfderajat/s)

Kecepatan (km/jam)

df - 5 0.16 0.22 0.28 0.32

40

60 80 100

df-20 0.5 0.80 1.12 1.36

df= 10 0.3 0.42 0.58 0.70

Graflk Yawrate YS kecepatan 1.6

1.4

Va 1.2 wr at 1

id 0.8 er 0.6 aJa

tis 0.4

0.2

o 20

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:


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. 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. 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 Disetujui untuk diterbitkan: 21 Oktober 2004

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

Recommend Documents