开发新型动力推进“空中摩托”

2000-06-07周上

航空知识 2000年5期

周上

据悉，全世界现有轻型或超轻型飞机40余万架，其中一部分已经进入发达国家的家庭。中国航空界有专家预测：在不久的将来，这类可统称为“空中摩托”的小飞机在中国必有大的发展，到2010年拥有“空中摩托”的中国家庭将数以万计。然而，一个严峻的事实是：国内高性能轻型活塞发动机还是一项空白，轻型飞机和直升机所需的动力装置还依赖进口。如果我国还不抓紧时间研制和生产这种轻型发动机，那么将来广大的中国市场只能对外拱手相让，相信这是我们每一个中国人都不愿看到的。

大家知道，航空发动机主要有活塞发动机和燃气涡轮发动机两大类。由于成本和效率等原因，在今后相当长的时期内，轻型航空动力仍将依赖于活塞发动机。

传统的活塞发动机依靠工质推动气缸中的活塞，通过曲柄连杆机构，将活塞的直线往复运动转变为曲柄的旋转运动，从而带动主轴旋转。它广泛地应用于飞机、直升机、机车、汽车、摩托车、轮船等领域。活塞发动机的主要优点在于耗油率低、坚固耐用、使用维护方便、成本较低；但其本身也存在着严重的缺点，最主要的就是活塞与曲柄连杆机构的复杂运动带来的一、二次惯性力及不平衡所引起的强烈的扭曲振动和弯曲振动，动力输出不平衡，结构笨重。因此，长期以来人们一直在为轻型活塞发动机寻找新的出路。能否对传统的曲柄连杆传动结构进行脱胎换骨的改造？探索者不乏其人，结果却总是未尽人意。然而，一种被称为“凸轮活塞发动机”的新型动力装置的问世，却给人们带来了新的希望。

凸轮活塞发动机的最大特点就在于无曲柄无连杆，用一个凸轮将活塞的往复运动转化为主轴的旋转运动，输出动力。它不是对某种活塞发动机的改造，而是对整个活塞发动机基本原理的重大变革。这种变革所带来的好处也是实实在在的。

以六个活塞的凸轮活塞发动机为例，由于它抛弃了曲柄连杆，并且巧妙地采用“双头”前后缸结构，所以实际上有12个汽缸。与传统的12缸活塞发动机相比，它减少了12个曲柄、12个连杆及其连轴器。而且，这种活塞发动机的凸轮曲线为双峰双谷，致使活塞每往返两次，主轴才旋转一周，从而使轴的转速降低了一半；因此，凸轮活塞发动机用于轻型飞机时可以不用减速器。而取代这12个曲柄、12个连杆和1个减速器的仅仅是一个凸轮！显而易见，发动机的零件数目、零件重量减少50％以上，而衡量发动机性能的重要参数——功率重量比却大大上升，可达到1.3 kW／kg（国际先进的传统活塞发动机的功重比为0.7～1.0 kW／kg）。由于从根本上解决了曲柄连杆所带来的惯性冲击和振动问题，所以凸轮活塞发动机的可靠性高、运动平稳且输出扭矩均匀。此外，这种活塞发动机的耗油率低（仅为258kg／kWh），维护简便。以上数据仅是这种发动机刚问世时的性能参数，就已明显优于传统的已发展成熟的各类先进的活塞发动机；并且，凸轮活塞发动机还有很大的改进的潜能。曲柄连杆式活塞的运动只能是正弦基的，而凸轮活塞发动机则可通过选择一条更合适的非正弦基凸轮曲线来提高其性能。凸轮活塞发动机的发展前景也十分广阔，它不仅可用于航空，也可用于船艇、车辆，尤其适合轻型飞机和直升机使用。

国际上，凸轮活塞发动机的生产被美国的DYNA－CAM公司所垄断。近年来，这种发动机已引起国内的关注，目前尚处于可行性论证阶段。因此，推进国内对凸轮活塞发动机的研制是一件十分有意义的事情。基于以上原因，笔者以参加科技竞赛活动为契机，设计并制作了一个凸轮活塞发动机的模型，如题图所示。该模型尺寸为真实发动机尺寸的一半；其汽缸材料为有机玻璃，可视性较强；模型的活塞可运动，凸轮可旋转，能直接演示凸轮活塞发动机的传动原理。

该模型的主要零部件可见图一。最大的那个零件是汽缸，有两个。每个汽缸上有7个大通孔，正中的那个孔稍小，周围均匀分布着6个稍大的。凸轮轴从正中的孔中通过，周围的6个孔用于让活塞头往复运动。那6个摆放在一排的较小的零件是活塞。这种新型活塞发动机的两端都是活塞头，即所谓“双头”，分别在两个汽缸的对应孔中运动。活塞的“腹部”开槽，是为了把活塞架在凸轮的“筋”上。为了使活塞与凸轮之间的相对运动能够灵活自如，在活塞槽内嵌有一对小滚轮。而那个形状有点怪，中间还插有一根长轴的零件，自然就是凸轮了；那凸起的曲线就是凸轮的“筋”。凸轮活塞发动机的主要零件就是这些。

安装时，将6个活塞的槽卡在凸轮的“筋”上均匀分布；再将活塞头插入一个汽缸的6个通孔内，并把另一个汽缸从另一端活塞头装入（图二）。如果将一个把手两端固定在上下两个活塞头的端部，拉动把手时，活塞就会往复运动。由于活塞槽只能沿凸轮曲线运动，因而会迫使凸轮旋转；因为凸轮轴与凸轮是固定连接，所以也随之旋转。这就成功地将直线运动转化成了旋转运动。