開發(fā)新型動力 推進“空中摩托”

周上

據(jù)悉，全世界現(xiàn)有輕型或超輕型飛機40余萬架，其中一部分已經(jīng)進入發(fā)達國家的家庭。中國航空界有專家預測：在不久的將來，這類可統(tǒng)稱為“空中摩托”的小飛機在中國必有大的發(fā)展，到2010年擁有“空中摩托”的中國家庭將數(shù)以萬計。然而，一個嚴峻的事實是：國內高性能輕型活塞發(fā)動機還是一項空白，輕型飛機和直升機所需的動力裝置還依賴進口。如果我國還不抓緊時間研制和生產(chǎn)這種輕型發(fā)動機，那么將來廣大的中國市場只能對外拱手相讓，相信這是我們每一個中國人都不愿看到的。

大家知道，航空發(fā)動機主要有活塞發(fā)動機和燃氣渦輪發(fā)動機兩大類。由于成本和效率等原因，在今后相當長的時期內，輕型航空動力仍將依賴于活塞發(fā)動機。

傳統(tǒng)的活塞發(fā)動機依靠工質推動氣缸中的活塞，通過曲柄連桿機構，將活塞的直線往復運動轉變?yōu)榍男D運動，從而帶動主軸旋轉。它廣泛地應用于飛機、直升機、機車、汽車、摩托車、輪船等領域。活塞發(fā)動機的主要優(yōu)點在于耗油率低、堅固耐用、使用維護方便、成本較低；但其本身也存在著嚴重的缺點，最主要的就是活塞與曲柄連桿機構的復雜運動帶來的一、二次慣性力及不平衡所引起的強烈的扭曲振動和彎曲振動，動力輸出不平衡，結構笨重。因此，長期以來人們一直在為輕型活塞發(fā)動機尋找新的出路。 能否對傳統(tǒng)的曲柄連桿傳動結構進行脫胎換骨的改造？探索者不乏其人，結果卻總是未盡人意。然而，一種被稱為“凸輪活塞發(fā)動機”的新型動力裝置的問世，卻給人們帶來了新的希望。

凸輪活塞發(fā)動機的最大特點就在于無曲柄無連桿，用一個凸輪將活塞的往復運動轉化為主軸的旋轉運動，輸出動力。它不是對某種活塞發(fā)動機的改造，而是對整個活塞發(fā)動機基本原理的重大變革。這種變革所帶來的好處也是實實在在的。

以六個活塞的凸輪活塞發(fā)動機為例，由于它拋棄了曲柄連桿，并且巧妙地采用“雙頭”前后缸結構，所以實際上有12個汽缸。與傳統(tǒng)的12缸活塞發(fā)動機相比，它減少了12個曲柄、12個連桿及其連軸器。而且，這種活塞發(fā)動機的凸輪曲線為雙峰雙谷，致使活塞每往返兩次，主軸才旋轉一周，從而使軸的轉速降低了一半；因此，凸輪活塞發(fā)動機用于輕型飛機時可以不用減速器。而取代這12個曲柄、12個連桿和1個減速器的僅僅是一個凸輪！顯而易見，發(fā)動機的零件數(shù)目、零件重量減少50％以上，而衡量發(fā)動機性能的重要參數(shù)——功率重量比卻大大上升，可達到1.3 kW／kg（國際先進的傳統(tǒng)活塞發(fā)動機的功重比為0.7～1.0 kW／kg）。由于從根本上解決了曲柄連桿所帶來的慣性沖擊和振動問題，所以凸輪活塞發(fā)動機的可靠性高、運動平穩(wěn)且輸出扭矩均勻。此外，這種活塞發(fā)動機的耗油率低（僅為258kg／kWh），維護簡便。以上數(shù)據(jù)僅是這種發(fā)動機剛問世時的性能參數(shù)，就已明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的已發(fā)展成熟的各類先進的活塞發(fā)動機；并且，凸輪活塞發(fā)動機還有很大的改進的潛能。曲柄連桿式活塞的運動只能是正弦基的，而凸輪活塞發(fā)動機則可通過選擇一條更合適的非正弦基凸輪曲線來提高其性能。凸輪活塞發(fā)動機的發(fā)展前景也十分廣闊，它不僅可用于航空，也可用于船艇、車輛，尤其適合輕型飛機和直升機使用。

國際上，凸輪活塞發(fā)動機的生產(chǎn)被美國的DYNA－CAM公司所壟斷。近年來，這種發(fā)動機已引起國內的關注，目前尚處于可行性論證階段。因此，推進國內對凸輪活塞發(fā)動機的研制是一件十分有意義的事情?；谝陨显?，筆者以參加科技競賽活動為契機，設計并制作了一個凸輪活塞發(fā)動機的模型，如題圖所示。該模型尺寸為真實發(fā)動機尺寸的一半；其汽缸材料為有機玻璃，可視性較強；模型的活塞可運動，凸輪可旋轉，能直接演示凸輪活塞發(fā)動機的傳動原理。

該模型的主要零部件可見圖一。最大的那個零件是汽缸，有兩個。每個汽缸上有7個大通孔，正中的那個孔稍小，周圍均勻分布著6個稍大的。凸輪軸從正中的孔中通過，周圍的6個孔用于讓活塞頭往復運動。那6個擺放在一排的較小的零件是活塞。這種新型活塞發(fā)動機的兩端都是活塞頭，即所謂“雙頭”，分別在兩個汽缸的對應孔中運動?；钊摹案共俊遍_槽，是為了把活塞架在凸輪的“筋”上。為了使活塞與凸輪之間的相對運動能夠靈活自如，在活塞槽內嵌有一對小滾輪。而那個形狀有點怪，中間還插有一根長軸的零件，自然就是凸輪了；那凸起的曲線就是凸輪的“筋”。凸輪活塞發(fā)動機的主要零件就是這些。

安裝時，將6個活塞的槽卡在凸輪的“筋”上均勻分布；再將活塞頭插入一個汽缸的6個通孔內，并把另一個汽缸從另一端活塞頭裝入（圖二）。如果將一個把手兩端固定在上下兩個活塞頭的端部，拉動把手時，活塞就會往復運動。由于活塞槽只能沿凸輪曲線運動，因而會迫使凸輪旋轉；因為凸輪軸與凸輪是固定連接，所以也隨之旋轉。這就成功地將直線運動轉化成了旋轉運動。

模型的成功直接證明了用凸輪來取代曲柄連桿機構，實現(xiàn)直線運動向旋轉運動的轉化是完全可行的。模型雖小，結構俱全。它形象生動地演示了這種新型發(fā)動機的傳動原理。同時，模型的制作過程引發(fā)了我們對信息的重視，對高科技的垂青，對航空動力的偏愛和對市場需求的關注！

我們期盼我國自行研制的凸輪活塞發(fā)動機能盡快投向國內外市場?！翱罩心ν小毙枰硐氲膭恿?■