開發新型動力 推進“空中摩托”

周上

據悉，全世界現有輕型或超輕型飛機40余萬架，其中一部分已經進入發達國家的家庭。中國航空界有專家預測：在不久的將來，這類可統稱為“空中摩托”的小飛機在中國必有大的發展，到2010年擁有“空中摩托”的中國家庭將數以萬計。然而，一個嚴峻的事實是：國內高性能輕型活塞發動機還是一項空白，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這種輕型發動機，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，航空發動機主要有活塞發動機和燃氣渦輪發動機兩大類。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動機。

傳統的活塞發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為曲柄的旋轉運動，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。活塞發動機的主要優點在于耗油率低、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動機尋找新的出路。 能否對傳統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動機的改造，而是對整個活塞發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。與傳統的12缸活塞發動機相比，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，發動機的零件數目、零件重量減少50％以上，而衡量發動機性能的重要參數——功率重量比卻大大上升，可達到1.3 kW／kg（國際先進的傳統活塞發動機的功重比為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，所以凸輪活塞發動機的可靠性高、運動平穩且輸出扭矩均勻。此外，這種活塞發動機的耗油率低（僅為258kg／kWh），維護簡便。以上數據僅是這種發動機剛問世時的性能參數，就已明顯優于傳統的已發展成熟的各類先進的活塞發動機；并且，凸輪活塞發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。凸輪活塞發動機的發展前景也十分廣闊，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，凸輪活塞發動機的生產被美國的DYNA－CAM公司所壟斷。近年來，這種發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動機的研制是一件十分有意義的事情。基于以上原因，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動機的模型，如題圖所示。該模型尺寸為真實發動機尺寸的一半；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。活塞的“腹部”開槽，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動機的傳動原理。同時，模型的制作過程引發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動機能盡快投向國內外市場。“空中摩托”需要更理想的動力!■