Rasio con rod atau stang seher di mesin balap

Carrillo forged steel H-beam con-rod

Assalamu’alaikum wR wB

Pagi bro bro pembaca sekalian, dinamika engine mobil atau motor performa tinggi di pengaruhi oleh beberapa parameter. Seberapa efisien engine sanggup menciptakan power output pada putaran seperti di inginkan ditentukan oleh efektifnya parameter tersebut. Misalkan karakter engine mobil sedan keluarga penyaluran torsi pada range putaran low ke mid dimana lebih utamakan manuver gesit dan cepat berakselerasi.

Salah satu dari beberapa parameter ialah rasio panjang stang piston (con-rod) berbanding panjang stroke. Panjang connecting rod dihitung dari garis tengah (center) pada kedua ujung con-rod atau center-to-center. Perbandingan rasionya rendah apabila angka nya kecil misalkan 1.5 : 1, dan rasionya tinggi kalau angkanya 2 : 1.

Rasio con-rod dan stroke rendah maupun tinggi menentukan faktor geometri. Kecepatan piston ke titik mati atas (TDC) dan ke titik mati bawah (BDC), posisi con-rod pada sudut 90 derajat yang mempengaruhi tekanan ring piston dan skirt piston terhadap dinding silinder atau bore.

Perbandingan rasio con-rod dan stroke yang tinggi atau panjang, piston akan lberhenti sejenak dan lebih lama berada di titik mati atas atau TDC (sudut 0 derajat di crankshaft). Posisi TDC piston cylinder pressure punya cukup waktu untuk mengembangkan dalam waktu sangat singkat itu. Hal ini penting karena dalam kecepatan ekstrim semua proses harus bisa selesai dalam waktu cepat supaya menghasilkan maksimum power. Ketika phase overlap dalam kecepatan tinggi, proses scavenging juga mampu berlangsung dengan baik. Con rod panjang sedikit memberi keuntungan daya ungkit mekanik khususnya pada posisi 80-90 derajat rotasi crankshaft setelah TDC.

Ketika piston berhenti sejenak seolah terkunci secara mekanik akan segera melesat seperti katepel setelah crankshaft pin melewati TDC. Terdorong oleh cylinder pressure yang terbangun semakin kuat dan memuncak antara 12-14 atau 20 derajat rotasi crankshaft setelah TDC.

Engine stroke pendek dan con-rod panjang, kecepatan akselerasi piston akan lebih halus dari posisi TDC ke BDC. Kecepatan yang tidak terlalu ekstrim menghindari munculnya stress akibat tekanan mekanikal secara berlebihan.

Con-rod dengan stroke rasio rendah bagus untuk operasi pada putaran rendah dan tengah. Tekanan di dalam silinder akan maksimum kemudian diubah menjadi tenaga putar atau torsi. 

Con-rod dengan stroke rasio rendah mempunyai pengaruh negatif jika penggunaan pada putaran tinggi, yaitu beban yang cukup kuat terhadap piston, con-rod maupun bearing. Kecepatan piston bisa dimungkinkan melewati batas aman. Efek ke ausan nya pun semakin siknifikan (wear) mengikuti makin bertambahnya revving. Semakin rendah rasionya semakin tajam sudut derajat posisi con-rod yang mana memberi tendensi piston langsung menekan (side load) ke dinding silinder.

Sebaliknya rasio con-rod dengan stroke tinggi tidak begitu membuat tekanan atau keausan berlebihan. Daya tahan dan lama waktu pemakaian terhadap engine parts terkait akan lebih panjang. 

Motor BMW S1000RR tahun 2012, memiliki  panjang con-rod 103mm, bore 80mm x stroke 49.7mm. Maka rasio con-rod dengan stroke adalah, 103 : 49.7 = 2.072 : 1. 

Yamaha YZF-R6 tahun 2009 panjang con-rod 90.5mm, bore 67mm x stroke 42.5 mm. Con-rod rasio 2.12 : 1

Kawasaki Ninja 250 tahun 2011, con-rod 98.9mm, bore 62.0mm x stroke 41.2mm. Con-rod rasio = 2.4 : 1.

Kemudian mobil Honda Jazz mempunyai panjang stang piston 149mm, bore 73 mm x stroke 89.7 mm. Rasio panjang con-rod dengan stroke Honda Jazz 149 : 89.7 = 1.66 : 1.

Mobil balap Formula 1 Toyota tahun 2009 yang beroperasi di putaran ekstrim 18000 rpm, mempunyai rasio 2.72 : 1. Ferrari F1 V10 memakai con-rod 110mm, bore 91.5mm x stroke 45.6 mm. Con-rod dan stroke rasio 2.41 : 1.

Kecepatan piston di TDC dan BDC adalah nol. Piston akselerasi semakin cepat dari TDC sampai kemudian deselerasi ke BDC dan seterusnya. Perbedaan kecepatan mekanikal ini memunculkan stress pada con-rod maupun bearing. Terutama engine dengan perbandingan rasio con-rod dan stroke kecil.

Kecepatan rata-rata piston (mean piston speed) :

* BMW S1000RR, 21.5 m/detik.

* Yamaha YZF R6, 20.54 m/detik

* Kawasaki Ninja 250, 15.1 m/detik

* Ferrari F1 Modena V10 3000 cc, 27.3 m/detik

Piston Ducati 1199 Panigale dengan bore XXL dan stroke ultra pendek sangat oversquare 116 x 60.8 mm, con-rod stroke rasio 2 : 1. Mean piston speed mencapai 24.32 m/detik di 12000 rpm.

Rasio con-rod dengan stroke yang tinggi tidak cocok untuk beroperasi pada low rpm yang biasa digunakan kendaraan sehari-hari jalan raya dimana banyak stop n go. Kecepatan piston sangat rendah menjadikan torsi tidak produktif akibat lambatnya airflow mengisi silinder. Untuk itu mobil non performa tinggi biasanya memiliki rasio panjang con-rod dengan stroke yang rendah misalkan 1.5 : 1. Dan dengan perbandingan rasio bore x stroke yang overstroke, targetnya memproduksi torsi kuat mulai rpm rendah dan tengah tercapai.

Honda Jazz – Fit L15A overstroke 73 mm x 89.7 mm, rasio 1.66 : 1. Torsi bawah dan tengah untuk pemakaian jalan raya (Toda Racing)

Sebaliknya mobil atau motor di rancang untuk pemakaian performa tinggi atau balap memilih spek rasio bore x stroke oversquare. Stroke pendek dan con-rod yang panjang dengan rasio mulai dari 2 : 1 ke atas engine nyaman revving sampai rpm tinggi ditambah side load tidak besar.

Area pada bagian piston skirt mendapat beban (load) mayor dan minor pada langkah ledakan dan langkah kompresi

JE piston dengan design asymetrik, lebar piston skirt disesuaikan dengan area yang menerima beban

Seperti juga halnya dalam menentukan spek Intake manifold, exhaust system dan camshaft yang harus berdasarkan kegunaannya, apakah untuk power band di putaran atas atau mulai dari rpm bawah ke tengah. Rasio stang piston dan stroke juga harus dipastikan berdasarkan performa engine seperti yang direncanakan, semoga bermanfaat.