周上

據(jù)悉，全世界現(xiàn)有輕型或超輕型飛機(jī)40余萬架，其中一部分已經(jīng)進(jìn)入發(fā)達(dá)國家的家庭。中國航空界有專家預(yù)測：在不久的將來，這類可統(tǒng)稱為“空中摩托”的小飛機(jī)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(jì)。然而，一個(gè)嚴(yán)峻的事實(shí)是：國內(nèi)高性能輕型活塞發(fā)動機(jī)還是一項(xiàng)空白，輕型飛機(jī)和直升機(jī)所需的動力裝置還依賴進(jìn)口。如果我國還不抓緊時(shí)間研制和生產(chǎn)這種輕型發(fā)動機(jī)，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(gè)中國人都不愿看到的。

大家知道，航空發(fā)動機(jī)主要有活塞發(fā)動機(jī)和燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)兩大類。由于成本和效率等原因，在今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，輕型航空動力仍將依賴于活塞發(fā)動機(jī)。

傳統(tǒng)的活塞發(fā)動機(jī)依靠工質(zhì)推動氣缸中的活塞，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榍男D(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動主軸旋轉(zhuǎn)。它廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、直升機(jī)、機(jī)車、汽車、摩托車、輪船等領(lǐng)域。活塞發(fā)動機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于耗油率低、堅(jiān)固耐用、使用維護(hù)方便、成本較低；但其本身也存在著嚴(yán)重的缺點(diǎn)，最主要的就是活塞與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的復(fù)雜運(yùn)動帶來的一、二次慣性力及不平衡所引起的強(qiáng)烈的扭曲振動和彎曲振動，動力輸出不平衡，結(jié)構(gòu)笨重。因此，長期以來人們一直在為輕型活塞發(fā)動機(jī)尋找新的出路。 能否對傳統(tǒng)的曲柄連桿傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行脫胎換骨的改造？探索者不乏其人，結(jié)果卻總是未盡人意。然而，一種被稱為“凸輪活塞發(fā)動機(jī)”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(jī)的最大特點(diǎn)就在于無曲柄無連桿，用一個(gè)凸輪將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，輸出動力。它不是對某種活塞發(fā)動機(jī)的改造，而是對整個(gè)活塞發(fā)動機(jī)基本原理的重大變革。這種變革所帶來的好處也是實(shí)實(shí)在在的。

以六個(gè)活塞的凸輪活塞發(fā)動機(jī)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(jié)構(gòu)，所以實(shí)際上有12個(gè)汽缸。與傳統(tǒng)的12缸活塞發(fā)動機(jī)相比，它減少了12個(gè)曲柄、12個(gè)連桿及其連軸器。而且，這種活塞發(fā)動機(jī)的凸輪曲線為雙峰雙谷，致使活塞每往返兩次，主軸才旋轉(zhuǎn)一周，從而使軸的轉(zhuǎn)速降低了一半；因此，凸輪活塞發(fā)動機(jī)用于輕型飛機(jī)時(shí)可以不用減速器。而取代這12個(gè)曲柄、12個(gè)連桿和1個(gè)減速器的僅僅是一個(gè)凸輪！顯而易見，發(fā)動機(jī)的零件數(shù)目、零件重量減少50％以上，而衡量發(fā)動機(jī)性能的重要參數(shù)——功率重量比卻大大上升，可達(dá)到1.3 kW／kg（國際先進(jìn)的傳統(tǒng)活塞發(fā)動機(jī)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(jī)的可靠性高、運(yùn)動平穩(wěn)且輸出扭矩均勻。此外，這種活塞發(fā)動機(jī)的耗油率低（僅為258kg／kWh），維護(hù)簡便。以上數(shù)據(jù)僅是這種發(fā)動機(jī)剛問世時(shí)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(jìn)的活塞發(fā)動機(jī)；并且，凸輪活塞發(fā)動機(jī)還有很大的改進(jìn)的潛能。曲柄連桿式活塞的運(yùn)動只能是正弦基的，而凸輪活塞發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)和直升機(jī)使用。

國際上，凸輪活塞發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)被美國的DYNA－CAM公司所壟斷。近年來，這種發(fā)動機(jī)已引起國內(nèi)的關(guān)注，目前尚處于可行性論證階段。因此，推進(jìn)國內(nèi)對凸輪活塞發(fā)動機(jī)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(jī)，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)凸輪活塞發(fā)動機(jī)的模型，如題圖所示。該模型尺寸為真實(shí)發(fā)動機(jī)尺寸的一半；其汽缸材料為有機(jī)玻璃，可視性較強(qiáng)；模型的活塞可運(yùn)動，凸輪可旋轉(zhuǎn)，能直接演示凸輪活塞發(fā)動機(jī)的傳動原理。

該模型的主要零部件可見圖一。最大的那個(gè)零件是汽缸，有兩個(gè)。每個(gè)汽缸上有7個(gè)大通孔，正中的那個(gè)孔稍小，周圍均勻分布著6個(gè)稍大的。凸輪軸從正中的孔中通過，周圍的6個(gè)孔用于讓活塞頭往復(fù)運(yùn)動。那6個(gè)擺放在一排的較小的零件是活塞。這種新型活塞發(fā)動機(jī)的兩端都是活塞頭，即所謂“雙頭”，分別在兩個(gè)汽缸的對應(yīng)孔中運(yùn)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(yùn)動能夠靈活自如，在活塞槽內(nèi)嵌有一對小滾輪。而那個(gè)形狀有點(diǎn)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(jī)的主要零件就是這些。

安裝時(shí)，將6個(gè)活塞的槽卡在凸輪的“筋”上均勻分布；再將活塞頭插入一個(gè)汽缸的6個(gè)通孔內(nèi)，并把另一個(gè)汽缸從另一端活塞頭裝入（圖二）。如果將一個(gè)把手兩端固定在上下兩個(gè)活塞頭的端部，拉動把手時(shí)，活塞就會往復(fù)運(yùn)動。由于活塞槽只能沿凸輪曲線運(yùn)動，因而會迫使凸輪旋轉(zhuǎn)；因?yàn)橥馆嗇S與凸輪是固定連接，所以也隨之旋轉(zhuǎn)。這就成功地將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化成了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

模型的成功直接證明了用凸輪來取代曲柄連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)化是完全可行的。模型雖小，結(jié)構(gòu)俱全。它形象生動地演示了這種新型發(fā)動機(jī)的傳動原理。同時(shí)，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(guān)注！

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