Pilih piston dan connecting rod forged atau standard?

Honda B16A Twin Cam inline 4 cylinder 1595 cc turbocharged stock cylinder block, forged piston & connecting rod, power output 500 hp. Piston cast dan con-rod standard pabrik tidak akan mampu menahan horsepower dan tekanan boost ukuran raksasa.

Assalamu’alaikum wR wB
Mungkin sebagin besar dari kita tidak terlalu banyak memperhatikan bagian dalam mesin yang berperan menggerakkan kendaraan.  Bagi yang suka oprek untuk mencari power naikan performa kendaraan, bagian dalam engine menjadi area penting untuk di investigasi. Ketika power output ingin ditambah dengan cara merubah ukuran parameter seperti kompresi statik piston, profil camshaft lebih agresif, bagian engine yaitu piston dan stang (connecting rod) menjadi parts yang harus dipertimbangkan. 

Seberapa perlu piston dan connecting rod diganti tergantung pada seberapa radikal engine akan di modifikasi oleh kita. Engine mobil dan motor dengan rasio kompresi statik tinggi misalkan 13:1 dan profil camshaft masuk kategori race beroperasi pada rentang putaran 7500-10000 rpm keatas, disarankan mengganti piston dan connecting-rod. Juga engine dengan aplikasi sistim turbocharger, supercharger memproduksi tekanan boost besar dan juga sistim nitrous oxide perlu dilakukan penggantian piston. Biasanya mobil dan motor standard menggunakan piston tipe cast, meskipun juga mobil dan motor performa tinggi dari pabrik ada yang sudah memakai piston forged.

Piston cast dibuat melalui proses molding yaitu menuangkan campuran silikon dan aluminium kedalam cetakan. Kandungan silikon sekitar 8.5-10.5%, kemudian piston bisa dibentuk sesuai dengan design. Selain silikon ada juga unsur seperti mangan dan tembaga untuk menambah kekuatan struktur. Setelah itu dilakukan “heat treatment” yaitu proses pemanasan selama waktu yang telah ditentukan untuk menghilangkan stress di metal. Tapi piston cast memiliki struktur yang ada batas kelemahan pada level tertentu. Bobot juga berat karena harus memenuhi ketebalan dinding piston bertujuan menambah faktor kekuatan.

Di atas piston cast ada tipe hypereutectic yang juga prosesnya sama dengan moulding. Mengandung silikon lebih banyak dari cast piston sekitar 16-18% memberi pengaruh pada kekerasan metal di bagian alur tempat ring, pin boss dan piston skirt. Hypereutectic alloy memiliki berat lebih ringan sekitar 10% dari cast piston. Dengan kandungan silikon lebih banyak mengurangi kecenderungan piston ekspansi atau memuai akibat panas sekitar 15%. Karena hypereutectic piston bersifat tidak menghantar (konductor) panas secara efisien, maka gap atau jarak kerenggangan antara piston dengan dinding cylinder (piston to wall clearance) bisa lebih ketat (tight) untuk mengurangi kelenturan ring piston dan menambah daya kompresi.

Mahle forged piston for Mitsubishi 4G63 turbocharged engine, made in Germany (streettunedmotorsport)

Forged piston biasanya dibuat dari salah satu antara dua alloy yaitu SAE 4032 dan SAE 2618. Kandungan silikon 4032 lebih banyak sekitar 11-13.5% dibandingkan 2618, sering digunakan pada engine high performance naturally aspirated. Dengan sifat tidak gampang memuai, meningkatkan pelumasan (lubricity) dan tidak mudah lecet.

Sebaliknya piston forged dengan 2618 alloy memiliki kadar 0.28 persen silikon mudah memuai karena panas, kecenderungan mengalami lecet tapi dengan kekuatan 10-15% dari piston 4032 alloy. Forged piston dengan 2618 alloy cocok digunakan pada engine dengan sistim turbocharger, supercharger atau nitrous oxide. Juga normally aspirated engine dengan kompresi sangat tinggi. Dimana engine tersebut memproduksi panas ekstrim di dalam ruang bakar (combustion chamber). Hanya piston tipe ini tidak bisa dipakai pada engine performa tinggi untuk jalan raya yang mana tidak sering melakukan penggantian piston seperti mobil atau motor balap.

Mobil balap Formula 3000 atau motor WSBK memiliki jarak tempuh yang pendek. Mengharuskan penggantian engine parts rutin seperti piston, con-rod, klep pada interval yang telah ditentukan oleh mekanik tim misalkan antara 1000-1500 km.

Takegawa forged piston high compression Honda CBR250R

Proses pembuatan forged piston yang lebih banyak tahapannya membuat tipe piston ini lebih mahal dari piston cast atau hypereutectic. Melalui proses moulding cairan metal dibentuk menjadi cylinder atau bar, kemudian di potong sesuai dengan ukuran yang di inginkan. Setelah itu dipanaskan dan di masukkan ke mesin tempa (forging press) untuk membentuk potongan itu menjadi piston yang masih mentah. Proses tempa atau forging menambah kepadatan (density) dari alloy, hal itu menaikkan faktor kekuatan dan daya tahan piston, juga karakteristik piston menerima panas. Forged piston menghantar panas lebih cepat tapi mampu cepat pula dingin kembali.

Selain itu penambahan coating diperlukan untuk melindungi piston dari gesekan dan panas ekstrim dengan bahan seperti moly, graphite dan tefflon. Biasanya di lapisi pada bagian dinding piston dan skirt. Piston dengan qualitas bagus yang ada dipasaran seperti Mahle, Ross, Arias, Omega, JE etc.

Lunati steel forged connecting rod, I-beam & H-beam

Connecting rod standard dari pabrik sudah cukup kuat menerima tekanan energi yang dihasilkan ledakan di ruang bakar dan menahan tensile pada putaran tinggi untuk tidak memanjang (stretch). Tapi ketika power output makin besar dan putaran engine makin bertambah cepat, connecting rod standard mungkin akan sampai pada batas kekuatannya.

Ada dua tipe connecting rod yang tersedia di pasaran, yaitu I-beam dan H-beam. Connecting rod standard dari pabrik biasanya dengan bentuk I-beam dengan struktur yang tipis terbuat dari besi baja biasa. Aftermarket I-beam con-rod memiliki struktur lebih tebal dan dibuat melalui proses forging atau tempa. Walaupun ada juga manufaktur con-rod memproduksi I-beam tanpa proses forging, yaitu penguatan pada struktur nya. Harga lebih murah dari I-beam connecting rod dengan proses tempa.

Pankl titanium I-beam con-rod Ducati 999 superbike

Forged con-rod di manufaktur memakai bahan besi baja 4340 yang biasa disebut dengan “aircraft” grade alloy karena faktor keunggulan kekuatan dan daya tahan. Mampu menahan tekanan tensile sebesar 145000 pound per square inch. Hanya tidak semua steel 4340 diproduksi berdasarkan standard yang sama dimana akan mempengaruhi qualitas connecting rod. Perlu memperhatikan merk-merk yang telah memiliki reputasi baik selama ini, seperti Pankl, Carrillo, Eagle, Cunningham dll.

Untuk pemakaian racing menyentuh rpm sangat tinggi pilihan pada con-rod terbuat dari aluminium atau titanium. Con-rod dari aluminium atau titanium memiliki bobot lebih ringan dari besi baja, mengurangi berat part engine yang berputar resiprokal (reciprocating mass). Faktor itu memberi keuntungan engine revving lebih cepat dan mampu berputar lebih tinggi lagi tentunya menambah horsepower. Kelemahan aluminium con-rod yaitu pada masa kerja yang singkat. Berjalannya dengan pemakaian, con-rod akan mengalami kelelahan (metal fatique) dan perlu penggantian untuk menghindari terjadi stretch yang membahayakan engine.

Titanium con-rod menjadi pilihan tim balap yang serius mencari horsepower di rpm ekstrims. Mobil balap full competition maupun juga motor WSBK menggunakan titanium karena bobot begitu ringan sekitar 24% dari con-rod besi baja tempa dengan perbandingan kekuatan yang sama. Tapi dijual dengan harga mencapai tiga kali lebih mahal dari harga steel forged connecting rod ber qualitas tinggi. 

Struktur tipe H-beam dianggap paling terkuat meskipun ada perdebatan apakah lebih kuat dari tipe I-beam. H-beam biasanya lebih keras (rigid) dan mungkin lebih bagus mendistribusikan beban dari tekanan kompresi yang diterima. Ideal dipakai pada turbocharger engine, supercharger dan nitrous oxide. Hanya lebih berat sekitar 100 gram dari tipe I-beam dengan perbandingan kekuatan yang sama.

I-beam dipilih untuk ditempatkan pada engine yang beroperasi mencapai rpm ekstrim. Con-rod tipe ini memberikan cukup banyak jarak (clearance) didalam cylinder bore maupun crankcase dan dengan bobot lebih ringan.

Jangan sampai dilewatkan penggantian piston dan con-rod akan menjadi bermasalah apabila baut dan mur yang digunakan untuk mengencangkan con-rod tidak memberikan kekuatan seperti seharusnya. Baut dan mur patah menjadi bencana besar, karena menghancurkan engine. Dengan itu mengganti baut dan mur con-rod dengan merk ber qualitas yang tersedia di pasaran seperti “ARP” adalah suatu keharusan.

Kembali kepada engine yang akan dimodifikasi kira-kira setingkat apa power ouput dan rpm yang direncanakan nanti. Misalkan penambahan horsepower tidak terlalu siknifikan juga kenaikan putaran engine, maka piston standard dan connecting rod bawaan pabrik masih bisa digunakan.
semoga berguna.