Tipe dan Bentuk Engine Piston

Industri rekondisi mesin meliputi jangkauan yang luas terhadap berbagai macam mesin pada saat dilakukan pekerjaan rekondisi, dari silinder tunggal kecil hingga silinder multi yang besar.
Karena terdapat berbagai macam desain mesin maupun komponen yang berbeda satu sama lain maka diambil sebuah contoh yaitu piston.
Pengetahuan mengenai desain piston merupakan bagian penting dalam proses rekondisi.
Dengan mempelajari informasi-informasi yang relevan dan mempelajari berbagai tipe piston anda akan mengenal berbagai desain yang berbeda dan mengerti karakteristik apa yang harus dimiliki sebuah piston supaya dapat beroperasi dengan baik.

Piston-piston diproduksi dalam empat macam tipe umum mahkota (sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 1

Gambar 1 : Bentuk Mahkota yang Umum

1. Rata
2. Bentuk kubah
3. Bentuk berlubang cekung/konkav
4. Bentuk berlubang rata

Agar didapatkan pengertian yang lebih baik tentang berbagai jenis bentuk mahkota/crown piston. Desain kedua ruang pembakaran dan persyaratan rasio kompresi mesin perlu dijelaskan.
Mesin harus memiliki sebuah ruang pembakaran untuk mencampur udara dengan bahan bakar. Jika rumah ruang pembakaran berada di dalam kepala silinder biasanya digunakan piston yang berbentuk rata atau bentuk kubah. Jika kepala silinder berbentuk rata maka ruang pembakaran tidak terdapat dalam kepala silinder. Ruang pembakaran diletakkan di dalam bagian atas piston sehingga harus menggunakan piston yang berbentuk ceruk.
Variasi desain bertujuan untuk mengurangi atau memperbesar “perbandingan” kompresi, atau membantu terjadinya turbulensi pada efek squish gas.
Efek squish dihasilkan oleh aksi piston ketika gerakannya mencapai puncak; bagian dari piston mendekati kepala silinder sehingga mendesak gas keluar ke arah ruang pembakaran dan busi. Hal ini juga mengakibatkan terjadinya turbulensi yang diperlukan untuk mengaduk campuran udara dan gas sehingga dapat terjadi pembakaran gas yang sempurna.

Beberapa tahun yang lalu pabrik-pabrik mesin memperkenalkan teknologi baru dalam desain pembuatan piston sehingga lebih kuat dan lebih tahan terhadap keausan. Letupan akibat panas yang terjadi saat piston beroperasi juga dapat diperkecil dengan penggunaan aluminium campuran yang mengandung elemen-elemen ekstra.
Tetapi sebagian besar desain piston yang digunakan pada mesin yang direkondisi mempunyai karakteristik skirt piston serupa dengan piston-piston di bawah ini:

• Desain skirt sederhana
• Desain skirt split
• Desain piston “W” scot
• Desain transverse slot
• Desain strut baja

Gambar 2 : Skirt Sederhana

Skirt piston berfungsi untuk menyangga piston pada silinder supaya kebisingan yang terjadi ketika piston bergerak di dalam silinder dapat diredam.
Aplikasi yang berbeda memerlukan konstruksi piston yang berbeda. Misalnya pada aplikasi heavy duty seperti mesin diesel, mesin dengan peforma tinggi dan mesin dua langkah kebanyakan menggunakan desain skirt sederhana. 

Pada desain jenis ini kekuatan merupakan hal yang penting, karena dengan terjadinya pemuaian aluminium maka diperlukan celah ekstra dan ketika piston dingin bisa timbul noise pada piston.
Piston mempunyai lubang penguras di belakangnya pada ulir/groove minyak sehingga oli dapat mengalir kembali pada pompa setelah di scrap off dari dinding silinder. (Kebanyakan desain piston merupakan modifikasi dari piston skirt sederhana).

Piston dengan desain skirt sederhana walaupun hampir sempurna tetapi ditujukan untuk mobil penumpang. 

Gambar 3 : Piston dengan Desain Skirt Sederhana

Celah pada piston dibuat seminim mungkin supaya piston lebih tenang (tidak terlalu berisik) ketika bekerja. Ketika piston memanas pemuaiannya terjadi pada slot. Karena kadang-kadang slot memanjang pada seluruh panjang piston, maka piston menjadi lebih lemah yang bisa membuatnya patah.

Catatan :
Dalam merakit piston tipe ini, rakitlah selalu dengan slot ke arah sisi pendorong silinder.
Desain piston “W” slot menggunakan slot-slot yang dicor pada skirt piston ke arah boss pen. Desain ini mengarahkan panas menjauhi sisi pendorong piston ke arah boss pen. 

Gambar 4 : Piston Slot "W"

Pada desain piston slot “W” timbul permasalahan yaitu mesin mendapat tekanan yang sangat tinggi karena slot memperlemah skirt piston dan terjadi retak pada slot.
Piston dengan desain slot transverse merupakan skirt sederhana dengan slot yang dibubut pada oil raking groove (biasa disebut sebagai slot termal).
Slot tersebut mempunyai dua fungsi :

1. Menyediakan jalan bagi oli dari dinding silinder kembali menuju pompa
2. Menahan agar panas tidak menuju ke arah sisi pendorong pada skirt piston

Konstruksi piston meliputi :

• Profil bubungan
• Finish permukaan
• Coating permukaan
• Piston komposit
• Keramik
• Proses pengecoran
• Proses tempa

Mesin-mesin empat langkah kebanyakan memiliki profil bubungan pada desain skirt (seperti yang ditunjukkan dan diperjelas dalam gambar 6) supaya dapat memuai akibat panas yang terjadi selama operasi piston. Profil bubungan bisa ground atau turned. Bentuk bubungan disesuaikan dengan desain piston. Semakin besar piston bisanya profil bubungan juga semakin besar. Untuk piston pada mobil penumpang yang umum, biasanya bentuk oval bubungan sekitar 0,5 mm atau 0,6 mm.

Gambar 5 : Profil Hubungan

Dewasa ini kebanyakan piston diputar pada permukaan luarnya dengan menggunakan sejumlah pengontrolan pada mesin bubut. Proses ini menghasilkan finishing permukaan yang terkontrol, yang membantu menahan oli pada skirt sehingga mencegah “pengelupasan/scuffing” dan memperkecil noise.
Beberapa piston terutama tipe diesel yang lebih besar lapisan pada permukaannya untuk mengurangi scuffing pada piston pada kotak. Lapisan timah dan timah hitam lebih jarang dipakai karena sifat-sifat anti pengelupasannya yang kurang baik. Pada skirt piston bisa disemprotkan lagi lapisan molibdenum dan grafit yang penampilannya berwarna gelap karena memiliki sifat-sifat anti-pengelupasan yang baik.

Ada piston yang terdiri dari dua buah. Piston-piston tersebut digunakan untuk aplikasi-aplikasi yang berat (pada mesin-mesin besar). Kadang-kadang piston tersebut dibuat dengan skirt dari aluminium dan bagian atas dari baja.
Beberapa tahun terakhir ini digunakan material keramik untuk komponen-komponen mesin, terutama jika terjadi panas dan beban yang tinggi. Keramik dapat dicor pada puncak piston aluminium atau disemprotkan pada mahkota piston untuk menahan suhu yang tinggi.
Kebanyakan piston diproduksi dengan metode ini yang menggunakan die cast gravitasi. Casting die terdiri dari beberapa buah yang dipasang bersama, kemudian aluminium leleh dituangkan ke dalamnya. Setelah didinginkan cetakan dibuka dan piston dikeluarkan. Kemudian piston diberi perlakuan panas sebelum dilakukan pembubutan.
Piston tempa dibuat dari bongkahan aluminium yang dipres pada lubang cetakan. Piston tempa lebih berat daripada piston tuang tetapi mempunyai kekuatan yang lebih baik jika digunakan pada aplikasi yang berat.

Pada desain piston strut baja terdapat strut baja yang dicor pada piston. Fungsi strut adalah untuk mengontrol ekspansi pada permukaan pendorong pada piston. 

Gambar 6 : Menunjukkan Strut pada Piston

Karena baja mempunyai koefisien pemuaian yang berbeda dengan aluminium sehingga tidak akan mengembang sama besar, maka strut baja membantu mengarahkan panas menjauhi lokasi dorongan. Piston dengan strut baja kebanyakan menggunakan desain slot transverse.

Catatan :
Strut baja tidak memperkuat piston.
Lubang pada boss piston tidak selalu berada pada pusat piston. Lubang ini bisa berada lebih dekat pada satu sisi. 

Gambar 7 : Offset Pen Piston

Offset pen piston tidak selalu mengarah ke sisi pendorong utama piston. (Ini adalah sisi yang terdorong pada dinding silinder pada saat power stroke). Adanya offset ini bertujuan untuk mengurangi “slap piston” yang bisa terjadi pada piston ketika berganti arah pada gerakan ke bawah.
Besarnya offset sekitar 1,00 mm dan bisa diukur menggunakan vernier untuk membandingkan pengukuran dari boss pen ke skirt pada kedua sisi piston.
Selisih yang diperoleh dari pengukuran adalah besarnya offset.
Dalam melaksanakan perakitan kembali perlu diingat bahwa offset selalu terhadap sisi pendorong utama piston. Jika piston dirakit kembali secara keliru gerakan mengganjal piston pada langkah usaha akan menjadi berlebihan sehingga menyebabkan piston “menampar” dinding silinder.

Piston membentuk bagian dari piston dan rakitan poros penghubung. Agar rakitan ini lengkap diperlukan beberapa metode untuk memasang piston pada poros penghubung.
Piston dan rakitan poros penghubung memindahkan gerak bolak balik piston menjadi gerak rotari pada poros bubungan. Agar fungsi tersebut dapat terlaksana poros penghubung harus dapat bergerak pada pen piston (pen gudgeon/pen torak).
Pen piston harus ditahan jika bergerak ke samping secara berlebihan pada boss piston, jika tidak pen akan menyentuh dinding silinder dan menyebabkan kegagalan kerja mesin.

Metode yang paling sering dipakai untuk menahan pen adalah metode press fit dan menggunakan circlip.

Gambar 8 : Pen Piston ditahan oleh Circlip

Pada metode press fit poros dipanasi menggunakan mesin pemanas poros yang diatur sekitar 260 derajat Celcius (gunakan tangkai pengukur panas).

Catatan :
Panas yang diberikan pada mata poros harus rata karena pemanasan yang tidak rata dapat mengakibatkan distorsi mata sehingga terjadi penjepitan yang tidak rata. Jangan menggunakan las oksiasetilene.

Gambar 9 : Tipe Press fit

 Interferensi fit biasanya sebesar 0,03 mm. Jika terdapat keraguan maka harus diperiksa. Jika menggunakan circlip untuk menahan pen pastikan circlip terpasang dengan benar. Gambar 10 menunjukkan tipe umum circlip dan detail rakitan.
Dua tipe umum circlip adalah “seeger” dan “tanged wire”. Seeger clip dibuat oleh pabrik dengan suatu bulatan (radius) kecil. Bagian yang membulat tersebut harus dipasang menghadap ke arah pen piston, jika tidak dipasang demikian maka klip bisa terlontar.

Catatan :
Ujung klip yang membuka harus menghadap ke bawah ketika dipasang.
Dalam memasang circlip tipe tanged wire pasanglah klip dengan tang menghadap keluar, jika tidak dilakukan seperti itu tang akan menggores pen dan bisa patah.
Tipe circlip yang lain adalah tangless wire circlip yang digunakan terutama pada aplikasi yang memerlukan kemampuan tinggi. Circlip dipasang dengan cara yang sama seperti klip lainnya. Kelebihan klip tipe ini adalah aksi penjepitan alur pada sisi luar pin yang mendesak klip ke alur.
Celah ujung yang ada di antara klip dan pen piston tidak boleh terlalu besar. Jika pen bergerak naik turun sedangkan klip tidak terpasang dengan benar maka pen dan klip dapat terlepas. Celah ujung pada pen dan klip biasanya sebesar 0,25 milimeter.
Beberapa tipe pin retention yang jarang digunakan misalnya tipe yang dijepit pada poros dan tipe pen permanen/fixed. 

Gambar 10 : Pen Tipe Jepit

Gambar 11 : Pen Tipe Permainan

Sebagaimana telah dibahas sebelumnya piston harus dipasang dan diluruskan dengan benar pada poros-poros penghubung.
Pada piston sering terdapat tanda untuk menunjukkan arah perakitannya. Tanda-tanda tersebut adalah :

• kata “front” tercetak pada bagian atas mahkota piston.
• kata “notch” pada sisi atas piston
• huruf F pada sisi piston dekat boss
• tanda panah pada bagian atas mahkota piston
• kata “flywheel” dengan tanda panah untuk menunjukkan arah tercetak pada mahkota piston

Jika ada keraguan mengenai posisi piston padahal bagian-bagian poros harus terpasang sesuai susunannya, maka piston dapat diidentifikasi dengan menggunakan stempel penomeran.
Beri stempel/tanda pada bagian atas piston dan poros penghubung pada permukaan-permukaan bagian yang berdekatan dengan hati-hati. Topanglah piston dan poros saat menandainya.