MODEL DAN SIMULASI DINAMIKA SISTEM TRANSMISI PLANETARY HIBRID

PEMAPARAN HASIL LITBANG ILMU PENGETAHUAN TEKNIK IV Bandung, 31 Maret 2008

ISBN: 9-793-68886-6

MODEL DAN SIMULASI DINAMIKA SISTEM TRANSMISI PLANETARY HIBRID Ghalya Pikra1, Agus Salim2 Pusat Penelitian TELIMEK – LIPI Kompleks LIPI Gedung 20, Jl. Cisitu No.21/154D, Bandung 40135, Tel: 022-250-3055; Fax: 022-250-4773 2 Pusat Penelitian TELIMEK – LIPI Kompleks LIPI Gedung 20, Jl. Cisitu No.21/154D, Bandung 40135, Tel: 022-250-3055; Fax: 022-250-4773 Email: [email protected], [email protected]. 1

ABSTRACT This paper presents the model and simulation of hybrid planetary transmission dynamics performed by making some mechanisms of hybrid dynamics which is followed by making some models to analyze vehicle dynamics. The result will be used to define wheel torque which will then be deployed to calculate sun, ring and carrier torque using six ways of configurations. The ratio of the torque against the time of the six dynamics configurations calculated using dynamics simulation and shows that carrier torque always bigger than sun or ring torque. The chosen configuration is the one performs the lowest alternator torque. Keywords: hybrid planetary transmission system, vehicle dynamics, dynamics simulation, torque.

ABSTRAK Makalah ini membahas tentang model dan simulasi dinamika sistem transmisi planetary hibrid yang dilakukan dengan membuat beberapa mekanisme dinamika hibrid yang kemudian dilakukan pemodelan untuk menganalisis dinamika kendaraan. Hasil yang diperoleh digunakan untuk menghitung torsi roda yang akan digunakan untuk mencari torsi sun, ring dan carrier dengan enam konfigurasi. Perbandingan torsi terhadap waktu dari enam konfigurasi didapatkan dengan menggunakan simulasi dinamika dan menunjukkan bahwa torsi carrier selalu lebih besar dibandingkan dengan torsi sun dan ring. Konfigurasi yang dipilih adalah konfigurasi yang memberikan torsi alternator yang paling rendah. Kata kunci: sistem transmisi planetary hibrid, dinamika kendaraan, simulasi dinamika, torsi.

PENDAHULUAN Polusi udara yang disebabkan oleh kendaraan bermotor telah menjadi masalah besar yang kita rasakan. Kepulan asap kendaraan bermotor dapat merusak pandangan kita karena terasa pedih oleh gas buang, udara yang kita hirup penuh dengan polutan dari knalpot kendaraan bermotor, dan polusi udara mengancam kesehatan manusia dan kelestarian alam. Ilmu pengetahuan dan teknologi dituntut harus menyediakan solusi untuk masalah ini. Hasil penelitian menyebutkan bahwa polusi udara yang disebabkan oleh kendaraan bermotor memiliki prosentase lebih dari 80% di Indonesia. Polusi udara yang disebabkan oleh kendaraan bermotor ini semakin meningkat karena volume polusi terus bertambah seiring dengan semakin bertambahnya kendaraan dan kemacetan lalu lintas. Emisi gas buang yang memproduksi polutan dan kemacetan lalu lintas yang memboroskan energi adalah dua masalah yang perlu segera diatasi. Kendaraan hibrid merupakan satu dari sekian banyak solusi untuk mengurangi polusi udara dan menghemat bahan bakar [4]. Sistem transmisi kendaraan hibrid banyak macamnya. Makalah ini membahas tentang dinamika kendaraan hibrid

dengan sistem transmisi planetary karena memberikan konfigurasi seri-paralel secara simultan, memberikan fungsi unlimited speed variable (CVT), memungkinkan pengoperasian mesin (ICE) pada daerah efisiensi maksimumnya [3]. Analisis dinamika hibrid dilakukan dengan menggunakan beberapa konfigurasi untuk membandingkan dan mencari model terbaik. Sesuai dengan dasar hukum alternator, model dinamika sistem planetary hibrid yang menghasilkan torsi alternator paling rendah adalah yang dipilih [1]. Tujuan dari makalah ini adalah membuat model dan simulasi dinamika untuk sistem transmisi planetary hibrid.

SISTEM TRANSMISI PLANETARY HIBRID Sistem transmisi planetary hibrid merupakan pengembangan dari jenis seri–paralel, yaitu dengan menambahkan satu unit planetary gear. Dengan adanya unit ini, maka kerumitan susunan dapat diatasi. Selain itu, roda gigi transmisi juga dapat dihilangkan (torsi yang keluar dari planetary gear langsung masuk ke roda). Gambar 1 menunjukkan layout kendaraan hibrid seri-paralel planetary.

1

PEMAPARAN HASIL LITBANG ILMU PENGETAHUAN TEKNIK IV Bandung, 31 Maret 2008

ISBN: 9-793-68886-6

Traksi Roda Persamaan traksi roda ditunjukkan berikut ini.

Fx =

Te N tf η r

− M r ax

(3)

Dimana r adalah jari-jari roda (m); Tx adalah torsi poros roda (kg m); Te adalah torsi mesin (kg m); Ntf adalah rasio transmisi total; η adalah efisiensi transmisi. Gambar 1. Layout kendaraan hibrid seri-paralel planetary [1].

ANALISIS DINAMIKA KENDARAAN

Beban Kendaraan Beban kendaraan terdiri dari beban aerodinamik, hambatan gelinding roda, beban tanjakan dan beban percepatan kendaraan. Beban aerodinamik ditunjukkan dengan persamaan berikut.

DA =

1 ρV 2 C D A 2

(4)

Dimana ρ adalah massa jenis udara (kg/m3); CD adalah koefisien hambatan udara; dan A adalah luas penampang kendaraan (m2).

Gambar 2. Gaya-gaya yang bekerja pada kendaraan [2].

Hambatan gelinding roda ditunjukkan dengan persamaan berikut.

R x = f rW cos θ

(5)

Analisis dinamika kendaraan dilakukan untuk mencari torsi roda. Gambar 2 dapat membantu dalam melakukan analisis dinamika kendaraan.

Dimana W adalah berat kendaraan (kg); fr adalah koefisien gesek jalan; dan θ adalah sudut kemiringan jalan.

Pada gambar 2, Rh adalah beban gandengan (towing force) = 0. Berdasarkan persamaan Newton II dibawah ini:

Beban tanjakan ditunjukkan dengan menggunakan persamaan berikut.

∑F

x

=

W ax g

(1)

Dimana Fx adalah komponen-komponen gaya pada arah sumbu x (kg), W adalah berat kendaraan (kg), ax adalah percepatan roda (m/s2) dan g adalah percepatan gravitasi (m/s2). Dari persamaan Newton II dapat kita uraikan terhadap Gambar 1 menjadi persamaan berikut ini.

(F

xf

+ Fxr ) − (R xf + R xr ) − W sin θ −

W a x − DA = 0 g (2)

Dimana Fxf + Fxr = Fx adalah traksi roda (kg), Rxf + Rxr = Rx adalah hambatan gelinding roda (kg), W sin θ adalah komponen berat kendaraan pada arah x akibat kemiringan jalan

θ

(kg),

W ax g

Ft =

W sin θ

(6)

Beban percepatan kendaraan merupakan komponen beban akibat gaya d’Alembert (m.a). gaya ini besarnya adalah

Fa =

W a x = Ma x g

(7)

Dimana M adalah massa kendaraan (kg); ax adalah percepatan pada arah x (m/s2); dan g adalah percepatan gravitasi (m/s2).

KONFIGURASI PLANETARY HIBRID Sistem transmisi planetary hibrid yang dianalisis terdiri dari enam konfigurasi. Modifikasi konfigurasi dilakukan untuk mendapatkan hasil yang terbaik, yaitu yang memiliki torsi alternator yang rendah adalah konfigurasi yang memenuhi syarat untuk digunakan dalam sistem.

adalah beban akibat percepatan kendaraan pada arah x (kg), dan DA adalah beban hambatan aerodinamik (kg).

2

PEMAPARAN HASIL LITBANG ILMU PENGETAHUAN TEKNIK IV Bandung, 31 Maret 2008

Konfigurasi 1 (Engine-sun, alternatorcarrier, motor-ring)

ISBN: 9-793-68886-6

Torsi pada poros planetary carrier adalah torsi output (12) Torsi pada poros ring gear adalah torsi alternator (13)

Gambar 3. Susunan gigi dan diagram benda bebas pada konfigurasi 1.

Konfigurasi 4 (Engine-ring, alternatorsun, motor-carrier)

Torsi pada poros ring gear adalah torsi output (8) Dimana Tr adalah torsi ring gear (kg m); Ts adalah torsi sun gear (kg m); Rr adalah jari-jari ring gear (m); Rs adalah jari-jari sun gear (m). Torsi pada poros planetary carrier adalah torsi alternator (9)

Gambar 6. Susunan gigi dan diagram benda bebas pada konfigurasi 4. Torsi pada poros planetary carrier adalah torsi output (14)

Dimana Tc adalah torsi carrier (kg m).

Konfigurasi 2 (Engine-ring, alternatorcarrier, motor-sun)

Torsi pada poros sun gear adalah torsi alternator (15)

Konfigurasi 5 (alternator-ring, Enginecarrier, motor-sun) Gambar 4. Susunan gigi dan diagram benda bebas pada konfigurasi 2. Torsi pada poros sun gear adalah torsi output (10) Torsi pada poros planetary carrier adalah torsi alternator

Gambar 7. Susunan gigi dan diagram benda bebas pada konfigurasi 5. Torsi pada poros sun gear adalah torsi output

(11)

Konfigurasi 3 (Engine-sun, alternatorring, motor-carrier)

(16) Torsi pada poros ring gear adalah torsi alternator

(17)

Gambar 5. Susunan gigi dan diagram benda bebas pada konfigurasi 3.

Konfigurasi 6 (alternator-sun, Enginecarrier, motor-ring) 3

PEMAPARAN HASIL LITBANG ILMU PENGETAHUAN TEKNIK IV Bandung, 31 Maret 2008

ISBN: 9-793-68886-6

adalah 3,72 (Konfigurasi 5 dan 6); rasio diferensial adalah 1,5 (konfigurasi 1 sampai 4); Diameter roda adalah 0,8 m; Perbandingan jari-jari gigi sun dan ring = Rs : Rr = 3 : 8; Driving cycle yang digunakan adalah FTP 75. Driving cycle dan grafik percepatan vs waktu ditunjukkan pada gambar 10 dan 11 dibawah ini. Gambar 8. Susunan gigi dan diagram benda bebas pada konfigurasi 6.

Driving Cycle FTP 75

30

Torsi pada poros ring gear adalah torsi output Kecepatan(m/s)

25

(18) Torsi pada poros sun gear adalah torsi alternator

20

15

10

5

(19)

0 0

500

PEMODELAN DAN SIMULASI

1000

1500

2000

2500

Waktu(detik)

Model simulasi dinamika sistem planetary hibrid ditunjukkan pada diagram alir seperti Gambar 9 dibawah ini.

Gambar 10. Driving Cycle FTP 75. Percepatan vs Waktu

2

Mulai

1.5

Percepatan(m/s2)

Parameter-parameter umum dinamika kendaraan: - Grafik v vs t - Jari-jari roda - Massa Jenis udara - Koefisien Gesek kendaraan - Koefisien Drag - Berat kendaraan - Frontal Area

1 0.5 0 -0.5 -1

Pemilihan sistem transmisi hibrid

-1.5 0

500

1000

1500

2000

2500

Waktu(detik)

Gambar 11. Grafik Percepatan vs waktu. Konfigurasi 1

Konfigurasi 2

Konfigurasi 3

Konfigurasi 4

Konfigurasi 5

Konfigurasi 6

Display

Hasil simulasi dinamika planetary hibrid dapat dilihat pada grafik torsi vs waktu untuk masing masing konfigurasi pada Gambar 12, 13, 14, 15, 16, dan 17.

Cetak hasil dalam grafik

selesai

Gambar 9. Diagram Alir Dinamika Sistem Planetary Hibrid. Data kendaraan Chevrolet [5] untuk melakukan simulasi unit hibrid adalah: berat kendaraan (W) adalah 3220 kg; koefisien drag (CD) adalah 0,446; luas frontal (A) adalah 3,169 m2; koefisien rolling resistance (fr) adalah 0,0059; rasio diferensial

4

PEMAPARAN HASIL LITBANG ILMU PENGETAHUAN TEKNIK IV Bandung, 31 Maret 2008

Torsi vs Waktu

600

400

Torsi vs Waktu

250 Sun (engine) Ring (motor) Carrier (Alternator)

ISBN: 9-793-68886-6

ring (engine) carrier (motor) sun (alternator)

200 150 100

Torsi(kg.m)

Torsi(kg.m)

200

0

-200

50 0 -50 -100

-400 -150 -600 0

500

1000

1500

2000

2500

-200 0

500

Waktu(detik)

2000

2500

Gambar 15. Grafik T vs t Konfigurasi 4.

Torsi vs Waktu

Torsi vs Waktu

60 ring (engine) sun (motor) carrier (alternator)

200

1500

Waktu(detik)

Gambar 12. Grafik T vs t Konfigurasi 1. 250

1000

Carrier (engine) Ring (alternator) Sun (motor)

40

150 20

Torsi(kg.m)

Torsi(kg.m)

100 50 0 -50

0

-20

-100 -40 -150 -200 0

500

1000

1500

2000

-60 0

2500

500

Waktu(detik)

Carrier (engine) Ring (motor) Sun (Alternator)

40

20

Torsi(kg.m)

Torsi(kg.m)

2500

Torsi vs Waktu

60 Sun (engine) carrier (motor) ring (alternator)

200

0

-200

-400

-600 0

2000

Gambar 16. Grafik T vs t Konfigurasi 5.

Torsi vs Waktu

400

1500

Waktu(detik)

Gambar 13. Grafik T vs t Konfigurasi 2. 600

1000

0

-20

-40

500

1000

1500

2000

2500

Waktu(detik)

Gambar 14. Grafik T vs t Konfigurasi 3.

-60 0

500

1000

1500

2000

2500

Waktu(detik)

Gambar 17. Grafik T vs t Konfigurasi 6.

5

PEMAPARAN HASIL LITBANG ILMU PENGETAHUAN TEKNIK IV Bandung, 31 Maret 2008

ISBN: 9-793-68886-6

KESIMPULAN Dari enam grafik yang ditunjukkan diatas dapat dilihat bahwa torsi carrier pada posisi sebagai engine, motor atau alternator memiliki nilai terbesar dibandingkan dengan torsi sun maupun ring. Hal ini sesuai dengan analisis diagram benda bebas dari enam konfigurasi bahwa torsi carrier selalu lebih besar dibandingkan dengan torsi sun maupun ring. Torsi paling rendah dari alternator adalah konfigurasi enam. Konfigurasi enam dipilih sebagai sistem yang memenuhi syarat untuk digunakan karena memiliki torsi alternator rendah.

DAFTAR PUSTAKA [1]

[2]

[3]

[4]

[5]

Atkinson, C. M., 2000, “Investigation and Simulation of The Planetary Combination Hybrid Electric Vehicle”, Thesis, West Virginia University. Gillespie, T., 1992, “Fundamentals of Vehicle Dynamics”, Society of Automotive Engineers, Inc. Kellermeyer, W. F., 1998, “Development and Validation of a Modular Hybrid Electric Vehicle Simulation Model”, Thesis, West Virginia University. Tate, E.D., Boyd, S.P., 1998, “Finding Ultimate Limits of Performance for Hybrid Electric Vehicles”, Society of Automotive Engineers, Inc. http://www.futuretruck.org/technical/index. html (08/23/2000).

6