BAB II

LANDASAN TEORI

A. Sistem Starting

Sistem starter adalah suatu sistem yang dapat merubah energi listrik

menjadi energi mekanik yang dapat mengerakkan motor starter. Motor starter

harus bisa menghasilkan momen yang cukup besar meskipun daya tersedia pada

baterai cuma 12 volt. Sekarang ini, kebanyakan kendaraan menggunakan jenis

motor gulungan series yang sumber tenaganya battery untuk motor starter.

Motor jenis gulungan series menghasilkan putaran rendah dengan daya

yang besar. Apabila bebannya dikurangi, gaya putarnya akan berkurang namun

kecepatan putarnya akan meningkat. Karena itulah, kecepatan putarannya akan

beragam. Karena mesin tidak dapat berputar dengan sendirinya, dibutuhkan

tenaga dari luar untuk mengengkol dan membantunya untuk hidup. Diantara

berbagai peralatan yanga ada, sekarang automobil menggunakan motor listrik

yang dikombinasikan dengan magnetic switch untuk mendorong pinion gear

yang berputar ke dalam atau keluar dari/hubungan dengan ring gear yang ada

pada roda penerus (flywheel) mesin.

Motor starter harus dapat membangkitkan momen puntir yang besar dari

sumber tenaga baterai yang terbatas. Pada waktu yang bersamaan harus ringa dan

kompak. Oleh karena itu maka dipergunakanlah motor seri DC (direct current).

Mesin tidak akan dapat start sebelum melakukan siklus operasionalnya berulang-

ulang yaitu langkah hisap, kompresi, pembakaran dan buang. Langkah pertama

untuk menghidupkan mesin, kemudian memutarkannya dan menyebabkan siklus

pembakaran pendahuluan. Motor starter minimal harus dapat memutarkan mesin

pada kecepatan minimum yang diperlukan untuk memperoleh pembakaran awal.

Kecepatan putar minimum yang diperlukan untuk menghidupkan mesin berbeda

tergantung pada konstruksi dan kondisi operasinya tetapi pada umumnya 40

sampai 60 rpm untuk motor bensin dan 80 sampai 100 rpm untuk motor diesel.

Motor starter harus dapat menghasilkan gaya putar yang bisa tahan

terhadap gaya kompresi dari cylinder mesin dan gaya gesek yang timbul dari

komponen di dalam mesin, sehingga gaya putarnya harus cukup besar. Jenis yang

paling cocok diantara jenis motor yang ada untuk keperluan tersebut adalah jenis

motor gulungan series. Ketentuan yang diperlukan adalah sebagai berikut; gaya

putar untuk starting mesin harus besar, harus bisa sekecil dan seringan mingkin

dan mempunyai output yang besar, harus dapat bekerja dengan kapasitas arus

yang kecil, tahan terhadap guncangan, dan tahan terhadap kejutan mekanis.

Karena karakteristik motor starter semakin rendah putarannya, ia akan

mengambil arus lebih besar dari baterai, dan baterai mungkin tidak mampu untuk

memberikan tenaga yang cukup ke sistem pengapian (pada motor bensin) selama

pemutaran awal, karena tegangan di terminal baterai banyak turun. Bila ini

terjadi, maka kemampuan pembakaran akan menurun, karena tegangan yang

masuk ke kumparan primer dari ignition coil tidak cukup, menyebabkan tegangan

sekunder yang dikirimkan ke busi tidak cukup.

Kaidah ulir kanan: Bila arus mengalir dalam suatu penghantar

(conductor), medan magnet akan bangkit pada arah yang terlihat pada ilustrasi di

dibawah sesuai kaidah ulir kanan.

Gambar 2.1. Kaidah Ulir Kanan

Kaidah tangan kiri Fleming : Jika tangan kiri diposisikan sehingga ibu

jari, telunjuk dan jari tengah seperti terlihat pada gambar. Telunjuk digunakan

untuk menunjukkan arah dari garis gaya magnet, dan jari tengah untuk menunjuk

arah arus listrik, kemudian ibu jari menunjukkan arah pergerakan dari kawat.

Gambar 2.2. Kaidah Tangan Kiri Fleming

1. Prinsip Kerja Motor Starter

Prinsip kerja dari motor starter adalah sebagai berikut: Saat kunci

kontak start maka arus akan mengalir dari baterai menuju selenoid, brush

starter kemudian ke komutator dan dilanjutkan ke brush negatif dan berakhir

di massa. Motor starter berfungsi untuk mengerakkan fly wheel, fly wheel

berfungsi untuk menerima dan mempertahankan daya putar poros engkol

sehingga piston dapat bergerak turun naik melakukan proses pembakaran.

starter selenoid berfungsi sebagai kontak penghubung antara kunci kontak

dengan motor starter. Apabila pada starter selenoid terjadi aliran arus maka

motor starter akan berputar. Sementara alternator berfungsi untuk mengisi

baterai, output dari alternator diatur tetap konstan dengan menggunakan

voltage regulator. Start motor terdiri dari tiga komponen utama sesuai dengan

prinsip kerjanya.

a) Komponen untuk meghasilkan gaya putar

b) Komponen untuk menyalurkan gaya putar ke engine fly-wheel ring gear

c) Komponen penghubung agar pinion dengan flywheel ring gear bisa

bertemu melalui gerakan meluncur.

Ketika komponen utama ini ukuran dan banyaknya kutub dan brush

berbeda, mengikuti tegangan sumber dan outputnya. Namun demikian

umumnya struktur dan prinsip kerjanya adalah sama.

Gambar 2.3. Prinsip Kerja Rangkaian Motor Starter

2. Gaya Putar Untuk Starting

Gaya putar dan kecepatan yang diperlukan untuk motor starter mesin

akan tergantung dari jenis mesinnya (volume cylinder, rasio kompresi, dan

jenis pengapiannya) atau temperatur (temperatur daerah setempat atau

temperatur oli pelumasi). Performa starting umumnya dipengaruhi oleh status

battery, sumber kelistrikan. Karena itulah, pada saat akan menentukan

performa starting motor kondisi mesin, karakteristik start motor dan performa

battery harus dipertimbangkan juga.

Tahanan putar pada mesin ditentukan oleh gaya yang diperlukan untuk

menekan campuran udara dan bahan bakar di dalam cylinder dan gaya gesek

pada cylinder, piston ring, bearing dan gear. Pada saat mesin distart, gaya

putar yng diperlukan pada motor starter untuk memutar crank shaft melawan

tahanan putar disebut dengan starting rotation force (gaya putar starter). Gaya

putar starter dapat dinaikkan dengan cara memperbesar rasio antara flywheel

ring gear dan pinion gear (sekitar 10-15:1). Rasio ini dapat diperloleh dengan

persamaan sebagai berikut. Gaya putar motor ini akan besar begitu voleme

cylinder volume atau rasio kompresinya besar, begitu juga pengaruh dari

tempratur luar.

3. Putaran Awal Untuk Start Mesin

Untuk menghidupkan mesin, kecepatan dan gaya putar harus lebih dari

gaya putar crankshaft. Jika kecepatan putarannya terlalu rendah, maka gas

yang ditekan antara cylinder dan piston akan lemah, sehingga tekanan

kompresi untuk starting dapat diperoleh. Untuk mesin bensin, jika tegangan

yang disuplai ke ignition coil terlalu rendah, maka pengapiannya akan gagal.

Untuk mesin diesel, jika kompresi adiabatic tidak mencukupi untuk

dilakukan, maka selanjutnya temperatur untuk membakar bahan bakar tidak

akan dapat diperoleh.

Batas terendah kecepatan putaran untuk menghidupkan mesin disebut

dengan minimum starting rotation speed (kecepatan putar starting minimal).

Kecepatan putaran mesin diesel sedikit lebih besar disbanding dengan mesin

bensin. Umumnya kecepatan putaran minimal akan tinggi begitu

temperaturnya tinggi. Juga beragam tergantung dari jumlah cylinder, jumlah

siklus, bentuk ruang bakar, jenis pengapian dan seterusnya. Untuk mesin 2 tak,

kecepatan putaran minimum adalah sekitar 150-200 rpm dengan suhu 15 derat

celcius. Untuk mesin 4 langkah, putarannya lebih dari 100 rpm untuk mesin

bensin, dan 180 rpm untuk mesin diesel.

(Rotation Resistance of engine) x (Tooth number of pinion gear)

Rotating force =

(Tooth number of flywheel ring gear)

4. Performa Starting Pada Mesin

Output pada start motor beragam tergantung dari kapasitas battery dan

temperatur. Gambar 2.4 menunjukkan satu contoh aneka karakteristik

berdasarkan ragam battery yang mempunyai kapasitas berbeda untuk

menjalankan start motor.

Gambar 2.4. Karakteristik Start Motor Berdasarkan Kapasitas Battery

Pada saat kapasitas battery kecil, tegangan terminal akan turun dan

kecepatan putarannya juga lambat untuk menghidupkan mesin, sehingga

output-nya akan berkurang. kemudian, seperti tampak pada gambar Fig. 2.5,

kapasitas aktualnya juga diturunkan begitu temperaturnya rendah, sehingga

output pada start motor juga berkurang. Karena itulah, pada bebarapa hal,

performa starting akan menurun.

Gambar 2.5. Karakteristik Start Motor Terhadap Temperatur

Gambar 2.6 menunjukkan hubungan antara kecepatan putaran mesin

yang diputar oleh motor starter dan gaya putar untuk menjalankan mesin

melalui pinion gear dan flywheel ring gear. Ketika temperaturnya rendah,

tingkat kekentalan oli pelumas akan naik, sehingga tahanan putar dari mesin

juga akan naik. Namun, gaya putar penggeraknya akan berkurang karena

penurunan kapasitas battery.

Gambar 2.6. Karakteristik Engine Starting

B. Komponen-Komponen Sistem Starter

1. Komponen Elektromotor/Komponen Berputar

Komponen electromotor terdiri dari komponen yang berputar

(armature, commutator, etc) dan komponen tetap (field coil, pole core, brush,

dst.).

a) Armature

Armature terdiri dari shaft dan inti besi, kemajemukan gulungan

armature coil yang dibungkus disekelilingnya dan commutator. Kedua

ujung shaft ditopang oleh bearing dan dapat berputar dengan inti besi

yoke. Shaft pada armature terbuat dari baja khusus untuk mencegah agat

tidak mudah patah, penyok atau berubah dari gaya yang besar. Shaft

tersebut mempunyai satu spline dimana pinion bisa meluncur. Shaft

tersebut harus kuat agar tidak mudah aus.

Inti besi dari armature terdiri dari banyak lembaran baja tipis yang

dibungkus dan dilekatkan untuk mengalirkan magnetic flux dengan baik

dan untuk mengurangi pusaran arus. Bahannya terdiri dari besi, nikel atau

cobalt yang mempunyai daya permanen magnet yang besar. Untuk daerah

luarnya, ada slot untuk armature coil dengan tujuan agar inti besinya tidak

overheating. Inti besi pada armature akan menjadi sirkuit magnetik bagi

medan magnet yang dihasilkan dari inti kutub dan merubah gaya

electromagnetic yang dihasilkan diantara gaya magnetik dari inti kutub

dan armature coil ke gaya putar. Karena itulah, semakin besar armature

coil, maka semakin besar pula gaya putarnya.

Gambar 2.7. Struktur Armature

Armature coil harus mempunyai arus yang besar sehingga terbuat

dari conductor persegi yang digulung. Coil disisipkan ke dalam slot yang

sudah diisolasi dimana satu ujung coil dihubungkan ke kutub N dan ujung

lainnya dihubungkan ke kutub S. kedua ujung coil tersebut disolder ke

commutator. Karena itulah gaya putar yang dihasilkan dari masing-masing

coil pada saat arusnya dialirkan ketika itu, memutar armature.

Gambar 2.8. Struktur Armature Coil

Bentuk inti besinya tampak terlihat pada gambar 2.9. Umumnya

dua coil disisipkan ke dalam satu, sehingga bentuk bagian melintangnya

seperti tampak pada gambar 2.9 (a), (b) dan (c). bahan untuk membungkus

armature coil adalah kertas mica, fiber atau plastik.

Gambar 2.9. Bentuk Slot Inti Besi Armature

b) Commutator

Seperti tampak pada gambar 2.10, ada beberapa pelat tembaga

commutator yang disusun dalam bentuk melingkar dengan insulator (mica)

diantara pelat tersebut. Armature coil disolder dengan pelat commutator.

Dengan cara tersebut maka arus dapat mengalir dari brush dalam satu arah

ke armature coil.

Gambar 2.10. Commutator dan Undercut

Bagian dalam komponen commutator lebih tipis dari komponen

bagian luar. Untuk mencegah agar tidak tidak lepas, maka komponen ini

digabungkan dengan mica berbentuk V atau ring penjepit berbentuk V.

masing potongan pelat commutator dibungkus oleh mica yang mempunyai

ketebalan sekitar 1mm dan diameter 0.5~0.8mm (max 0.2mm) lebih kecil

dari diamter luar commutator.

Bagian kecil ini disebut dengan undercut yang mempunyai peran

penting dalam melindungi commutator dari pemutusan, penyelarasan yang

kurang baik, atau kerusakan karena getaran. Pelama berputar commutator

selalu dihubungkan dengan brush, sehingga terdapat arus yang besar

diantara brush dan commutator. Karena itulah temperaturnya bisa tinggi

dan mudah rusak. Karena itulah komponen start motor kuat dan tahan

lama.

2. Komponen Tetap (Fixed Part)

Fixed part (komponen tetap) pada start motor terdiri dari yoke yang

menghasilkan medan magnet untuk memutar armature, pole core, field coil,

brush untuk mengirimkan arus dari field coil ke armature coil melalui

commutator, brush holder, dan rangka depan-belakang untuk menopang

armature shaft.

a) Yoke & Inti Kutub

Yoke adalah jalan bagi magnetic field sama seperti frame pada start

motor. Dibagian dalam permukaannya ada inti kutub, yang mempunyai

peranan pada kutub magnetik mendukung field coil, ini kutub ini dipasang

dengan sekrup. Pada saat field coil dililit sekelilingnya dengan inti kutub,

ini kutub tersebut akan menjadi electromagnet ketika arus dialirkan ke

field coil. Besarnya electromagnet ditentukan oleh jumlah inti kutub. Jika

jumlah initi kutubnya adalah 4 maka electromagnet mempunyai 4 kutub.

Gambar 2.11. Yoke dan Inti Kutub

b) Field Coil

Field coil berfungsi untuk membangkitkan medan magnet ke

suatu kumparan. Field coil terbuat dari lempengan tembaga untuk dapat

mengalirkan arus listrik yang cukup besar. Arus mengalir melewati field

coil untuk menghasilkan kemagnetan yang kuat pada pole core dan

memperkuat garis gaya magnet. Field coil disambungkan secara seri

dengan armature coil agar arus juga mengalir ke armature coil.

Gambar 2.12. Field Coil

c) Brush & brush holder

Empat brush menyalurkan arus ke armature coil melalui

commutator. Dua diantaranya ditopang oleh insulated holder dan

dihubungkan ke commutator (disebut dengan brush positif (+)) , dan kedua

brush lainnya ditopang oleh grounded holder dan dihubungkan ke

commutator (disebut dengan brush negatif (-)).

Brush terbuat dari carbon, graphitic carbon, electrical graphitic

carbon, atau metallic graphitic carbon yang mempunyai kemampuan

pelumasasan dan kemampuan mengalirkan arus listrik dengan baik.

Karena start motor mempunyai arus yang besar dan dijalankan dalam

jangka waktu yang pendek, maka bahan metallic graphitic carbon untuk

tegangan rendah dan arus listrik besar biasanya dipakai oleh start motor.

Metallic graphitic carbon brush terbuat dari bubuk tembaga dan

graphite yang mempunyai rasio tembaga sekitar 50~90%, sehingga tingkat

tahanannya rendah. Agar supaya brush dapat mensuplai arus ke armature

coil melalui commutator, brush harus kontak ke commutator menggunakan

spring tension untuk menggeser holder ke atas dan bawah. Kekuatan

spring tension pada brush adalah sekitar 0.5~1.0 kgf/Ω. Jika brush

sepertiganya sudah aus maka harus diganti dengan yang baru.

Gambar 2.13. Brush dan Brush Holder

d) Armature Brake

Armature brake befungsi untuk pengereman putaran armature

setelah lepas dari perkaitan dengan roda penerus. Putaran armature perlu

dipercepat berhentinya supaya mesin dapat langsung hidup pada saat start

pertama setelah starter switch di-OFF-kan.

Gambar 2.14. Armature Brake

e) Drive Lever ( Tuas Pengungkit)

Drive lever berfungsi untuk mendorong pinion gear ke arah posisi

berkaitan dengan roda penerus, dan melepaskan perkaitan pinion gear dari

perkaitan roda penerus.

Gambar 2.15. Drive Lever

f)