TUGAS AKHIR PENGGUNAAN STRAIN GAUGE SEBAGAI SENSOR GAYA UNTUK MENINGKATKAN KINERJA SISTEM TRANSMISI CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION ( CVT ) Oleh : HERLAMBANG BAGUS P. NRP 2108 100 506 Dosen Pembimbing Dr. Ir. Bambang Sampurno, MT. NIP. 196509191990031003
JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2010 1
Latar Belakang • Transmisi manual adalah sistem transmisi yang menggunakan perbandingan roda gigi transmisi dan dalam jumlah tingkatan tertentu. • Transmisi CVT adalah sistem transmisi yang tidak menggunakan roda gigi. (contoh belt dan pulley)
Variable Diameter Pulley
CVT pada motor Cvmatic Honda 2
Latar Belakang
Toroidal atau roller CVT
Electrical push belt fork screw CVT
3
Latar Belakang Beberapa Keunggulan : • Pada CVT memiliki variasi rasio (i) transmisi yang banyak diantara harga ratio minimum – maksimum. • CVT tidak adanya daya yang terbuang ketika proses perpindahan gigi seperti yang terjadi pada transmisi manual. • CVT memiliki kesederhanaan dalam konstruksi.
4
Latar Belakang Kerugian : •
Faktor slip yang terjadi pada CVT belt dan pulley yang menyebabkan kinerja CVT menurun.
• Kapasitas Torsi Terbatas apabila dibandingkan dengan manual transmisi. • Pada CVT tipe push belt, besarnya torsi yang dapat ditransmisikan tergantung gaya pencekaman pulley .
Sehingga pada tugas akhir ini digunakan strain gauge sebagai sensor gaya pada fork screw untuk mengidentifikasi gaya pencekaman yang dihasilkan oleh fork screw agar slip putaran yang terjadi menjadi lebih baik. 5
Rumusan masalah • Bagaimana merancang dan memilih komponen sensor gaya yang dapat digunakan pada push belt fork screw CVT. • Bagaimana mengidentifikasi pengaruh putaran terhadap hasil gaya pencekaman fork screw dengan menggunakan strain gauge. • Bagaimana memperoleh efisiensi transmisi yang lebih baik.
6
Tujuan • Untuk memperoleh rancangan sensor gaya yang sesuai untuk push belt fork screw CVT. • Untuk mendapatkan data - data yang lebih lengkap mengenai pergerakan pulley. • Untuk memperoleh efisiensi transmisi yang lebih baik.
7
Batasan masalah •
Model kendaraan yang dibuat dimodelkan simulasi yaitu analisa ½ chasis dan diharapkan nanti dapat diaplikasikan pada kendaraan penumpang jenis city car pengerak FWD dengan daya mesin kurang lebih 37 HP dan isi silinder 1300 cc.
•
Simulasi ½ chasis menggunakan putaran mesin 1 silinder dengan kapasitas 6.5 HP 100 cc sebagai pengganti mesin kendaraan.
•
Analisa desain serta kekuatan rangka CVT dan chasis kendaraan tidak dibahas dalam penelitian ini.
•
Jenis mekanisme pengatur rasio Continuous Variabel Transmission adalah menggunakan push belt dengan mekanisme Fork Screw yang digerakkan oleh motor DC.
•
Pengujian pada prototipe pada kondisi kendaraan mulai berjalan.
8
Manfaat penelitian • Mendapatkan rancangan sensor gaya yang sesuai sehingga mendapatkan sistem rasio CVT yang lebih optimal. • Hasil yang diperoleh dari penelitian ini dapat menjadi referensi bagi peneliti lain dalam pengembangan CVT. • Hasil yang diperoleh dari penelitian ini dapat membantu masyarakat dalam mengetahui dan menganalisis prinsip kerja dari CVT.
9
Kajian Pustaka •
Prasetyo (2007) mengembangkan CVT untuk penelitian Smart Car dengan menggunakan penggerak single actuator hidrolik. Pada pengembangan riset ini maka harga slip roda dipertahankan pada kondisi 20 % dan hasil yang diinginkan diperoleh 10 – 15%, namun losses rasio putaran rata – rata sebesar 70,3 % karena terjadi slip antara belt dan pulley, sistem kendali yang digunakan adalah Fuzzy.
•
Widjokongko (2009) melakukan analisa dan perancangan sistem kendali tertutup dengan mode elektrik pada CVT untuk meningkatkan kinerja kendaraan. pengendalian ratio transmisi CVT yang digunakan adalah mekanisme fork screw CVT dengan 2 penggerak yang menghasilkan effisiensi torsi yang terjadi antara 67,12% - 70.26%.
10
CVT CVT adalah salah satu metode pemindah daya yang memanfaatkan perubahan diameter dari puli penggerak (driver pulley) dan puli yang digerakkan (driven pulley)
11
CVT Push belt fork screw 1
2
3
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
4
5
8
Motor ICE Flywheel Belt CVT (Rubber Belt) Driver Pulley Mekanisme Push Belt Fork Srew Motor DC sebagai penggerak Fork Srew. Driven Pulley. Shaft Input dan Output.
6 7
12
Strain gauge adalah komponen elektronika yang dipakai untuk mengukur regangan. Strain gage menghasilkan perubahan nilai tahanan yang proporsional dengan perubahan panjang atau jarak (length).
Vout
R1 R1
R3
R2 Vin R2 Rsg
13
Flowchart Penelitian START
Kajian Pustaka
Observasi A
B
Rumusan Masalah
Perencanaan sensor gaya fork screw sistem Transmisi CVT
Data Parameter pendukung (Throttle valve, putaran mesin, dll)
Pengujian pada prototipe
Simulasi Komputer
Sesuai dengan yang diinginkan
Pemilihan Komponen
TIDAK
YA Pembuatan dan Assembly sensor gaya
Analisa hasil pengujian
FINISH A
B
14
Prototipe CVT Push Belt Fork Screw
15
Defeksi fork screw
Resistansi strain gauge
Voltage output X gain
Kenaikan / penurunan Volt
Op-Amp (gain)
=
Wheatstone bridge
Voltage Output
Gaya Pencekaman pada fork screw
16
Komponen Sensor Gaya komponen pendukung yaitu : 3 buah resistor dengan resistansi 120 Ω 1 buah variable resistor 5 kΩ 1 buah resistor 10 kΩ 1 buah power supply 9, 15 Volt DC Rangkaian Op-Amp
Gambar Op-Amp dan strain Gauge
17
Pengujian prototipe Push Belt Fork Screw CVT SOFTWARE DELPHI
MOTOR DC LAPTOP
Ratio CVT
Gambar ilustrasi pengamatan dan pengambilan data
DIGITAL RS 232 COM [1...4]
RATIO SPEED SENSOR
INTERFACE ADAPTOR
WHEEL SPEED SENSOR SENSOR THROTTLE DYAMOMETER ANALOG
Proses pengambilan data dilakukan dengan pengamatan dan alat bantu software Delphi serta piranti interface yang menghubungkan peralatan dengan komputer.
18
Prototipe kendaraan dengan Sensor Gaya
19
Langkah-langkah Percobaan 1) 2) 3) 4)
Start Engine stand Kalibrasi sensor gaya Ubah ratio untuk pengambilan data 1 Amati dan catat V SG sensor gaya baik primer maupun sekunder (normal) 5) Sesuaikan V SG antara primer dgn sekunder Jika V SG primer lebih kecil maka pergerakan pulley primer ditambahkan ( diperbaiki ) Jika V SG sekunder lebih kecil maka pergerakan pulley sekunder ditambahkan ( diperbaiki ) 6) Amati perubahan V SG primer dan sekunder jika nilainya relatif sama maka catat data-data yang dibutuhkan Xp, Xs, dll (diperbaiki) 7) Ulangi langkah percobaan ke-3 dengan ratio yang berbeda. 8) Selesai
20
21
Hasil dan Pembahasan Grafik torsi yang dihasilkan kendaraan Grafik Ratio Vs Gaya Pencekaman (N)
Grafik Ratio Vs Torsi (N.m) 110.264 95.552
Torsi ( N m )
100.000
105.972
4000.000 108.430 100.467 86.378
79.004
80.000
56.330
60.000 40.000
27.528
Torsi (N.m)
20.000
Gaya Pencekaman (N)
120.000
3493.671 3498.442
3500.000
3305.857 2970.687 2515.136
3000.000 2500.000 2000.000
3271.951
1959.974
1500.000
Fc Primer
1321.452
1000.000
612.469
500.000 0.000
0.000
0.5 0.5
1
1.5
Ratio
2
2.5
3
1
1.5 Ratio
2
2.5
3
Gambar grafik diatas menunjukkan torsi yang dihasilkan dan gaya pencekaman memiliki kesamaan tren yang berubah sesuai dengan perubahan ratio yang terjadi.
22
Simulasi defleksi pada fork screw Berdasarkan hasil simulasi Catia akibat pengaruh Clamping Force pada fork screw defleksi terjadi maksimum sebesar 0.2956 mm. Terdapatnya daerah yang dimungkinkan terjadi kegagalan akibat defleksi yaitu pada 20 mm dari ujung forkscrew. Pada daerah tersebut sensitif terhadap perubahan clamping force yang terjadi.
23
Hasil Simulasi Matlab
Gambar simulasi Matlab prototipe CVT
24
Tabel Data hasil Voltase Output sensor gaya (MATLAB Plan Prototipe CVT ) Grafik V SG Vs bukaan throttle
Ѳ% 10 20 30 40 50 60 70
rpm 1800 2500 3100 3600 4000 4300 4500
Fc V SG Fc (primer) V SG primer (sekunder) sekunder N (volt) N (volt) 2100 2159 2084 1873 1519 1010 300.7
2100 2159 2084 1873 1519 1010 300.7
0.0781 0.0825 0.0768 0.0621 0.0408 0.0181 0.0026
0.0781 0.0825 0.0768 0.0621 0.0408 0.0181 0.0026
gaya pencekaman ( N )
Data Clamping Force (matlab)
0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0
V SG primer (volt) V SG sekunder (volt)
0
20
40
60
80
bukaan throttle ( % )
Pada hasil output dari simulasi matlab menunjukkan gaya pencekaman (Fc) antara primer dan sekunder adalah sama, Sehingga pada plan matlab prototipe CVT menunjukkan V SG yang sama antara primer dan sekunder. ( ideal )
25
Hasil pengujian Online
Gambar Grafik hasil Output dari Software Interface Delphi
Gambar Grafik Pergerakan Xp, Xs dan ratio pada prototipe CVT
Gambar Grafik Putaran primer dan putaran sekunder pada prototipe CVT 26
Hasil pengujian Online sensor Gaya pada prototipe CVT Tabel Data hasil Voltase Output sensor gaya (tanpa memperbaiki V SG) Xp
Xs
np
ns
V SG sekunder (Volt)
0.1 0.08 Voltase
Ratio
V SG Primer (Volt)
Grafik Vout Sensor Vs Ratio 0.12
2.506
1.11
1.6
1120
950
0.089
0.063
2.477
1.33
1.84
1100
960
0.098
0.087
0.04
1.98
4.14
5.87
958
808
0.045
0.028
0.02
1.08
9.3
13.13
1195
1249
0.032
0.026
0.616
11.9
16.9
1185
1615
0.029
0.023
0.06 V SG Primer V SG sekunder
0 0
0.5
1
Ratio
1.5
2
2.5
3
Pada Grafik Vout sensor Vs Ratio terlihat pada ratio tinggi 2.506 dihasilkan Voltase cukup besar kemudian seiring berubahnya ratio, Voltase yang dihasilkan menurun hal ini memiliki kesamaan dengan gaya pencekaman pada prototipe CVT kendaraan yang turun akibat berubahnya ratio.
27
Grafik Vout Sensor Vs Ratio ( normal )
0.12
0.1
0.1
0.08
0.08
Voltase
Voltase
0.12
Grafik Vout Sensor Vs Ratio ( diperbaiki )
0.06 0.04
0.06 0.04 V SG Primer'' 0.02
V SG Primer
0.02
V SG sekunder
0 0
0.5
1
Ratio
1.5
2
2.5
V SG sekunder''
0 3
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Ratio
Pada grafik normal diatas terlihat V SG primer menghasilkan voltase lebih tinggi dibandingkan V SG Sekunder . Hal ini menunjukkan bahwa gaya pencekaman antara pulley primer dengan sekunder tidaklah sama. Sehingga diperlukannya perbaikan terhadap gaya pencekaman pulley sekunder.
Pada grafik diperbaiki V SG sekunder memiliki nilai output yang hampir sama dengan V SG Primer setelah V SG sekunder diperbaiki. 28
Hasil pengujian Tabel Data hasil Voltase Output sensor gaya ( Dengan memperbaiki V SG ) Ratio
2.506 2.477 1.98 1.08 0.616
xp'
1.11 1.33 4.14 9.3 11.9
xs'
1.6 1.84 5.87 13.3 16.9
baru 0.46 1.15 5.64 10.48 16.7
np
1160 1080 947 1173 1077
ns
930 890 790 1141 1507
V SG V SG V SG V SG Primer sekunder Primer sekunder (Volt) (Volt) (Volt) (Volt) normal Diperbaiki 0.089 0.063 0.098 0.094 0.098 0.087 0.11 0.098 0.045 0.028 0.048 0.039 0.032 0.026 0.031 0.028 0.029 0.023 0.031 0.029
Rata-rata perbedaan Voltase SG primer dan sekunder pada kondisi normal 32.75 % Rata-rata perbedaan Voltase SG primer dan sekunder pada kondisi diperbaiki 9.97 %
Voltase yang dihasilkan antara pulley primer dan sekunder dapat diperbaiki hingga selisih antara voltase primer dan voltase sekunder sebesar 5% - 10% 29
Hasil pengujian
Slip
Grafik Slip putaran vs ratio 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
Ratio
slip slip diperbaiki
0
0.5
1
1.5
2
2.5
2.506 2.477 1.98 1.08 0.616
slip 0.417 0.420 0.355 0.107 0.186
slip diperbaiki 0.388 0.376 0.352 0.044 0.154
Ratio
Pada grafik slip putaran Vs Ratio menunjukkan slip putaran terjadi pada prototipe telah dapat diperbaiki hingga 0.044
30
Perhitungan Torsi
Perhitungan Torsi Pada pengujian simulink MATLAB untuk ratio 1.98 menghasilkan Torsi sebesar 122.7 N m Pada Pengujian online untuk ratio 1.98 menghasilkan Torsi sebesar 100.1 N m Sehingga Efisiensi Torsi yang didapat :
Effisiensi
100.1 x 100% 122.7
81.5 %
31
Kesimpulan •
Strain gauge yang dipasang untuk sensor gaya pada push belt fork screw sistem transmisi CVT telah bekerja dan mewakili nilai Clamping force yang terjadi pada fork screw.
•
Selisih Voltase Output pada Sensor gaya push belt fork screw antara pulley primer dan sekunder dapat diperbaiki hingga 5 – 10 % sehingga didapatkan pergerakan Xs yang sesuai dengan Clamping force.
•
Kinerja sistem transmisi dapat menjadi lebih baik, yang ditunjukkan pada kondisi tertentu nilai slip putaran yang yang terjadi yaitu 0.15 % dan 0.38 % dan efisiensi Torsi yang terjadi adalah 81.5 %
32
Terima Kasih Mohon kritik dan Saran untuk Perbaikan Tugas Akhir
≈ a Long journey is begin with first step ≈
33
