RIG DESAIN UNTUK CAM PENGGERAK ELEKTRO-MECHANICAL SINGLE ACTING PULLEY ACTUATOR CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION (EmSAPA-CVT) PADA SEPEDA MOTOR Sugeng Ariyono

  

RIG DESAIN UNTUK CAM PENGGERAK ELEKTRO-MECHANICAL

SINGLE ACTING PULLEY ACTUATOR CONTINUOUSLY VARIABLE

TRANSMISSION (EmSAPA-CVT) PADA SEPEDA MOTOR

  1,2) 1) 1) 3)

Sugeng Ariyono , Sumiyarso B. , Sutadi LY., Carli , Supriyo B.

  1 Politeknik Manufaktur Bangka Belitung dan Teknik Mesin Polines

  2 Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang, Semarang

  3 Teknik Elektro Politeknik Negeri Semarang, Semarang

  E-mail: s.ariyono@gmail.com

  

Abstract

Good ride performance is one of the most important key attribute of a passenger vehicle.

  

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

  CVT atau disebut juga continuously Variable Transmission adalah transmisi automatic berbasis sabuk atau rantai dan telah dikenal sejak awal industri otomotif. Bahkan bisa dikatakan bahwa transmisi ini menjadi transmisi pertama ditemukan sebelum ada transmisi berbasis roda gigi, hanya saja kurang berkembang setelah ditemukan transmisi berbasis roda gigi. CVT adalah alat transmisi daya, dimana rasio kecepatan dapat divariasi terus-menerus diantara dua batasan rasio rendah maupun tinggi (Park dkk., 2009). Terdapat banyak jenis dari desain CVT, tiap desain memiliki karakteristik masing-masing, seperti Belt CVT, Spherical CVT (Kim dkk, 2002), Hydrostatic CVT (Kanphet, Jirawattana, dan Directsataporn, 2005), E-CVT (Miller, 2006), Toroidal CVT (Fuchs, Hasuda, dan James, 2002), Power-Split CVT (Mantriota, 2001), Chain CVT, Milner CVT (Milner, 2002), Ball-Type Toroidal CVT (Belfiore dan Stefani, 2003), dan sebagainya. Bagaimanapun, dari semua tersebut, tipe rantai dan sabuk adalah yang paling banyak digunakan dan diterapkan di bidang otomotif (Zheng, Lim, dan Cha, 2011). CVT telah mulai banyak digunakan pada motor matic dan mobil 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.

  Untuk memperbaki kekurangan ini maka perbaikan dari CVT konvensional dengan cara mengubahnya menggunakan sistim mekatronik. Sistim ini dinamai Electro 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

  Secara garis besar penelitan ini akan dilaksanakan dalam tiga tahapan, dimana setiap tahapan penelitian akan ditargetkan selesai dalam waktu 4 bulan. Adapun pentahapan-pentahapan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :

  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.

  Gambar 3. Rig untuk eksperimen.

  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. Hasil analisa pada beban 20 kN dapat dilihat pada Gambar 5 dibawah ini. Gambar 5. Hasil simulasi cam dengan beban 20 kN pada perpindahan pulley utama (a) 0 mm (b) 3 mm (c) 6 mm

  2 Gambar 5(a) menunjukkan tegangan maksimal adalah 2,82 × 108 N/m , sehingga

  2

  masih aman karena dibawah batas tegangan yield sebesar 3,51 × 108 N/m . Pada Gambar 5(b) tegangan maksimal 6,5 × 108 N/m2 dan Gambar 5(c) menunjukkan

  2

  tegangan maksimal 7,47 × 108 N/m 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

  2 Gambar 6(a) menunjukkan tegangan maksimal adalah 2,93 × 108 N/m . Namum

  pada perpindahan pulley utama 12 mm (Gambar 6(b)) tegangan maksimal adalah 4,31 ×

  2

  108 N/m melebihi tegangan yield. Daerah plastis pada perpindahan pulley utama 12 mm terjadi pada ball bearing dan tidak pada cam, maka dapat diantisipasi dengan

  2 memilih material ball bearing dengan tegangan yield lebih besar dari 4,31 × 108 N/m .

  Penggunakan ball bearing pada permukaan cam adalah untuk memperlancar pergerakan dan mengurangi beban pada motor penggerak cam. Dengan hasil diatas dimana pada beban 5 kN terjadi tegangan kritis pada ball bearing maka bisa diantisipasi dengan memperbesar diameter ball atau memilih ball bearing dengan spesifikasi tertentu. Pada rig yang sudah didesain penggunaan ball bearing dihilangkan untuk mengetahui seberapa besar torsi yang diperlukan untuk memutar cam tersebut. Dengan diselesaikan rig eksperimen ini akan didapat data-data yang riil untuk mengoptimasi cam dan CVT.

  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. Zheng, C.H., Lim, W.S. and Cha, S.W. 2011. Performance Optimization of CVT for

  Two-Wheeled Vehicles. International Journal of Automotive Technology. 12(3): 461−468.