航空模型發(fā)動(dòng)機(jī)（三）

洪家慶

每一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)員都知道同一牌號的發(fā)動(dòng)機(jī)往往性能很不一致，特別是在制造的批量較小時(shí)尤為顯著。很顯然這都是制造質(zhì)量的影響。甚至可以得出這樣的結(jié)論：類型相似的發(fā)動(dòng)機(jī)，它的好壞幾乎全部是由它的制造質(zhì)量來決定的。這些影響遠(yuǎn)比有些設(shè)計(jì)參數(shù)不太一樣的影響要大的多。因此發(fā)動(dòng)機(jī)制造的好壞是決定發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重要因素，這里我們概括地談?wù)勊墓に囆砸约爸圃熘械囊恍╆P(guān)鍵問題。

1.航空模型發(fā)動(dòng)機(jī)的工藝性

工藝性簡單的講就是在保證使用質(zhì)量的情況下盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)容易制造，盡量減少加工勞動(dòng)量，使生產(chǎn)部門能高速高質(zhì)量的試制出新型的發(fā)動(dòng)機(jī)來。

工藝性是一個(gè)內(nèi)容相當(dāng)廣泛的問題，從零件材料毛坯選擇一直到零件圖上尺寸及技術(shù)條件的標(biāo)注都應(yīng)該充分的考慮制造是否容易，特別是大零件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣采用鍛造的毛坯和鑄造的毛坯，對機(jī)械加工的勞動(dòng)量大不相同，鍛造的毛胚幾乎是從一塊鍛造鋁合金上像雕刻象牙一樣的精雕細(xì)刻出一個(gè)小巧的機(jī)匣來，而采用鑄造毛胚許多外表面是不必加工的。材料選擇的不合適也往往會(huì)給加工帶來很大的困難，例如我們曾經(jīng)采用過高速鋼作為氣缸的材料，大家知道這種用來作刀具的高合金鋼熱處理及加工都非常困難，而在使用上并沒有特別的優(yōu)點(diǎn)。這里我們特別提出一點(diǎn)就是零件的繼承性，和標(biāo)準(zhǔn)化這一點(diǎn)對保證高速及高質(zhì)量試制很有關(guān)系。例如機(jī)匣上有四個(gè)安裝到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)架上的安裝孔，這些孔距在2.5立方公分這一級的發(fā)動(dòng)機(jī)上都相差不多。(例如圖5，MK－12B是34毫米)但設(shè)計(jì)者往往沒有將這一系列的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝孔距設(shè)計(jì)成相同的尺寸，這就使加工帶來不必要的困難。因?yàn)檫@一組孔(圖14之Φd)常常是工藝師們選作為定位基準(zhǔn)的，尺寸不同就不能采用同一套夾具，另外改變基準(zhǔn)或再制造一套夾具顯然會(huì)對加工帶來困難，延長試制周期。大家都能體會(huì)到在臨近比賽的日子里如何使發(fā)動(dòng)機(jī)能提前制造出來是何等重要的事。在這里應(yīng)強(qiáng)調(diào)說明的是發(fā)動(dòng)機(jī)能否高速制造，許多因素是在設(shè)計(jì)時(shí)就已決定下來了，在試制時(shí)的工藝上無法從根本上改變。

從實(shí)際的工作中我們體會(huì)到設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)與制造發(fā)動(dòng)機(jī)是不可分割的，只有親身參加設(shè)計(jì)才能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的制造質(zhì)量，才能使發(fā)動(dòng)機(jī)日臻完善，才能提出正確合理的技術(shù)條件和尋找出多快好省的工藝過程。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)的材料選擇及其制造

詳細(xì)的談每個(gè)航模發(fā)動(dòng)機(jī)零件的材料選擇及制造過程是不必要的，因?yàn)樗拇蠖鄶?shù)零件制造都相當(dāng)簡單。下面我們只談?wù)剼飧谆钊麢C(jī)匣等大件的加工。

1)氣缸的加工：氣缸的種類很多，但總括起來不外如圖11的二種形式，它們都是一個(gè)圓筒，A型是用在單邊橫渡式驅(qū)氣的發(fā)動(dòng)機(jī)上，B型是用在噴泉相遇式的發(fā)動(dòng)機(jī)上，對氣缸的主要要求是要?dú)飧變?nèi)圓ΦA(chǔ)與活塞要能很好的配合，耐磨。為了裝配的正確要求Γ處的圓柱面與端面互相垂直，這就是對氣缸的基本技術(shù)要求。為此我們要選用適當(dāng)?shù)牟牧虾瓦m當(dāng)?shù)臒崽幚恚箽飧子凶銐虻膹?qiáng)度足夠的硬度來抵抗磨損。

圖11

制造氣缸的復(fù)雜不在于此，而在于它是受有熱負(fù)荷的。氣缸的頂端與反活塞構(gòu)成了燃燒室，有比較高的溫度。而氣缸下端是在曲軸機(jī)匣內(nèi)，它經(jīng)常受到新鮮混合氣的沖洗，溫度很低，因此沿著氣缸軸向的溫度分布相差很大。使得高溫的上面膨脹多，而低溫的下面膨脹少。因此給制造者們提出了一個(gè)問題，即按照那一個(gè)尺寸來制造氣缸，是否應(yīng)該考慮這種熱膨脹的影響呢？很明顯無論從設(shè)計(jì)上及制造上都應(yīng)該考慮的?？紤]這種膨脹的結(jié)果就使得氣缸工作表面(即內(nèi)表面)不是一個(gè)圓柱面，而是一個(gè)大體上是錐面的特殊型面了。這就是我們常說的氣缸型面，它對發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、起動(dòng)性能以及工作壽命都很有影響。

常用來做發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的鋼材可以用高碳鋼、低碳合金鋼，滲炭或者氰化，也可以采用高級的氮化鋼如38×МЮА。小發(fā)動(dòng)機(jī)用高炭鋼淬火來制造并沒有太大的缺點(diǎn)。由于零件小，其韌性及強(qiáng)度都足夠；高碳鋼淬火以后硬度也足夠(尺寸小淬透性也沒有問題，只是在加工的過程中熱處理等的變形會(huì)大一些。)采用低碳合金鋼滲碳不是太好的辦法，因?yàn)闈B碳層不能太薄(總要在1毫米左右)，而氣缸筒的厚度也不會(huì)超過1.5毫米，許多有驅(qū)氣道排氣口地方還會(huì)小于1毫米。滲碳淬火以后材料比較脆，受到反復(fù)載荷以后就會(huì)斷裂。1958年我們制造“東風(fēng)一號”模型發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，開始是滲碳處理的，都因?yàn)闈B炭層太脆而不能使用。滲碳處理時(shí)溫度較高變形也較大。因此制造過程不簡單，所以作者認(rèn)為最好不采用滲碳處理方法。

凡是能夠滲碳的材料一般都能氰化，氰化就是在金屬表面滲入碳原子及氮原子增加硬度及耐磨性。氰化層很薄一般只有0.5毫米以下，這對一些很薄的氣缸筒(單邊橫渡驅(qū)氣式的)特別合適。近來一些2.5立方公分的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸筒厚度最薄處只有0.7毫米左右，如果采用氰化就能夠保持一定的強(qiáng)度和足夠的硬度。氰化時(shí)應(yīng)該特別注意技術(shù)安全問題，最好是采用無毒氰化法。制造氣缸筒最好的材料還是氮化鋼，采用氮化處理它不但能達(dá)到最高的硬度，同時(shí)能提高疲勞強(qiáng)度，在處理的過程中它的變形亦極小。遺憾的是這種處理方法需要很長的時(shí)間，甚至達(dá)70小時(shí)以上。因此其成本相當(dāng)昂貴，我們并不推薦大家廣泛采用這種材料及處理方法。

除上述幾種材料以外，也可以用合金鑄鐵來作氣缸。捷克有名的“AMA”發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸就是鑄鐵的，還可以用結(jié)構(gòu)鋼如30×ΓCA高頻淬火來作氣缸?？傊茏鳉飧椎牟牧鲜窍喈?dāng)多，應(yīng)該根據(jù)用途生產(chǎn)的具體條件來選擇并不能一味的追求高級合金鋼。

制造氣缸的簡單過程：模型發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸其毛胚毫無疑問都是棒料，在車床上車制出來。一般說來，在熱處理以前，除氣缸型面以外的表面都加工到最后圖紙尺寸，只將氣缸型面留有少量的余量作研磨用。少數(shù)情況下在熱處理以后還將氣缸的安裝表面再磨一下。這些過程都很簡單，我們只談一下氣缸型面的加工。

氣缸型面的準(zhǔn)確度相當(dāng)高，它的橢圓度要求甚至比一級準(zhǔn)確度還高，也就是高于一般的活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)了。氣缸沿著軸線的直徑是變化的、應(yīng)該滿足的要求為在工作時(shí)氣缸與活塞是有間隙的其間隙的大小等于潤滑油膜的厚度(這個(gè)厚度能近似計(jì)算出來)。顯然在冷態(tài)時(shí)也就是制造時(shí)應(yīng)該是上小下大的即在冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)活塞與氣缸上部是有緊度Φ1是小于活塞直徑的，下部是有間隙的，ΦA(chǔ)等于活塞直徑加上間隙大小(如圖12所示)。這些間隙與緊度的大小及軸向位置對起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)是否有彈性，對工作壽命影響很大；橢圓度的大小對開車是否容易影響特別顯著。對一批發(fā)動(dòng)機(jī)作過一次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)橢圓度大于某一值后起動(dòng)就極端困難，發(fā)動(dòng)機(jī)長期使用以后的報(bào)廢常常就是因?yàn)闄E圓度過大這個(gè)原因。

圖12制造汽缸時(shí)尺寸的注法

氣缸型面的加工，目前都是由有經(jīng)驗(yàn)的鉗工用研磨進(jìn)行的。因此生產(chǎn)率不高也不容易保證準(zhǔn)確度。在產(chǎn)量較大時(shí)建議采用帶有靠模機(jī)械裝置來研磨。在研磨的最后應(yīng)該采用綠色的ЮИ膏來研磨，禁止采用粗粒度的金鋼砂作最后研磨。因?yàn)檫@樣會(huì)形成畫痕，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壽命。氣缸制造以后，特別是帶有螺紋的氣缸，要用磁流檢驗(yàn)是否有裂紋，細(xì)小的裂紋常常是淬火和磨削造成的，這些都是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生事故的隱患。必須防止。

活塞是與氣缸筒相配的零件，表面一般是做成圓柱面，對表面的光滑度要求很高。除此以外就是要求活塞銷孔與活塞軸線的垂直度。不垂直會(huì)造成磨損的不均勻以及連桿的工作情況。對活塞而言比較重要的是材料的選擇，要求它的熱膨脹系數(shù)與氣缸的膨脹系數(shù)相適應(yīng)，否則會(huì)造成熱卡死和漏氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)得不到最大功率。另外由于活塞是作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件，因此盡量希望它能輕一些，一般也應(yīng)該使活塞硬度比氣缸低一些。換一個(gè)活塞比氣缸是要容易的多。一般活塞用鑄鐵制造比較好，鑄鐵活塞比鋼活塞也要輕一些。鋼活塞與鋼氣缸相配，摩擦系數(shù)大，容易熱死，假如工作時(shí)不卡死，冷時(shí)間隙會(huì)過大又不好起動(dòng)了。也有用輕合金制造活塞的，不過這時(shí)候要裝上活塞環(huán)?；钊耐獗砻鏅E圓度等的要求也與氣缸是一樣的，其準(zhǔn)確度的保證也是用研磨來達(dá)到的。

2)機(jī)匣的加工：機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)上最大的零件，其材料大多都是用鋁合金或鎂合金。毛胚的獲得可以是鑄造也可以是鍛造。但是應(yīng)該指明除了單件試制以外采用鍛造毛胚是不合理的，因?yàn)殍T造毛胚的強(qiáng)度就綽綽有余。理想的毛胚是由壓鑄而成的，其次是鋼模鑄造的，砂型也只有用在小量生產(chǎn)時(shí)才是合適的。

對機(jī)匣而言，加工主要問題是位置準(zhǔn)確度，也就是各個(gè)安裝孔的相對位置垂直度、平行度。如圖13所示ΦA(chǔ)，ΦC應(yīng)該互相垂直，而ΦBΦC應(yīng)該同心，將來ΦB上安裝旋板時(shí)還要與旋板中心同心。只有同心才能保證曲軸在里面協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)。為了保證它們的同心度主要是依靠定位基準(zhǔn)選擇的合適，用夾具來保證。如圖14選擇孔Φd及平面y是合適的，用這一組基準(zhǔn)，ΦA(chǔ)ΦBΦC都可以用同一組基準(zhǔn)加工，這樣自然就提高了相對位置的準(zhǔn)確度。這也是在前面我們強(qiáng)調(diào)應(yīng)該將Φd及尺寸D標(biāo)準(zhǔn)化的原因。機(jī)匣制造的基本問題就是這些。

圖13

圖14

3.曲軸的制造：曲軸是在極高轉(zhuǎn)速下工作的零件，因此要求極高的疲勞強(qiáng)度，這一點(diǎn)對曲軸作活門時(shí)更加重要。它采用的材料一般是中碳鋼或者是中碳合金鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。

因?yàn)榍S工作時(shí)負(fù)荷大，又容易與外界碰撞。所以設(shè)計(jì)及制造時(shí)都應(yīng)當(dāng)考慮這個(gè)問題，從準(zhǔn)確度上看最重要的是ΦK及ΦL的平行度，二者不平行就會(huì)使連桿活塞工作時(shí)卡死。為了使曲軸疲勞強(qiáng)度提高，需要提高曲軸非工作表面及內(nèi)腔(空心軸)的光滑度，特別注意圓角如R1、R2、R3，圓角過小沒有拋光，殘留有細(xì)小的裂紋都會(huì)使曲軸斷裂。目前設(shè)計(jì)的曲軸其安全系數(shù)不高，制造的不好就會(huì)使它容易斷裂。曲軸頭部的螺紋不能淬火，否則會(huì)斷掉。因此有人將曲軸設(shè)計(jì)成如圖15所示的方案，將陽螺紋改成陰螺紋。實(shí)際上這并不是好辦法，陰螺紋只有用絲錐來加工，其準(zhǔn)確度不很高，當(dāng)然錐用鈍時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，淬火時(shí)保護(hù)不好就發(fā)生裂紋了。使用上也不方便，互換性不好。需要一個(gè)特制的長螺釘。一般還是少用的。

圖15

發(fā)動(dòng)機(jī)另件我們就介紹這三個(gè)。

此外提一下裝配。將制造合格的單個(gè)零件裝配成一臺發(fā)動(dòng)機(jī)乃是最后、最重要的工序，裝配以前應(yīng)該將各個(gè)另件洗滌干凈，裝配時(shí)應(yīng)按裝配要求挨個(gè)檢查尺寸、配合間隙，裝配好后應(yīng)打上印記以便以后分解后重新裝配時(shí)不會(huì)搞錯(cuò)。裝配的好壞主要在于正確的組合零件，組合不好常常會(huì)使許多加工得很好的零件終身被埋沒，發(fā)動(dòng)機(jī)亦不能發(fā)生足夠的功率。發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)整和試車亦是一項(xiàng)饒有興趣且很復(fù)雜的工作，限于篇幅這兒不談了。

曲軸前段用陰螺紋圖16

在結(jié)束本文的時(shí)候，想對活塞式航空模型發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向提供一點(diǎn)看法。假如內(nèi)燃機(jī)不進(jìn)行根本的改革很有被淘汰的可能，因?yàn)楝F(xiàn)在工業(yè)上已出現(xiàn)了高效能的蓄電池及小電機(jī)在功率重量體積上都有可能代替航空換型用內(nèi)燃機(jī)、并且有一系列的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)燃機(jī)用在航空模型上有近三十年的歷史了，壓燃式的采用也將近十五年了，但是以2.5立方公分發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展為例，近十年來功率的提高僅僅只有50%，也就是每年的上升率不到百分之五，從類型及燃料上幾乎沒有什么改變，根本沒有采用新型的低閃點(diǎn)的高能燃料，也沒有尋求出高效率的潤滑抗爆附加劑，實(shí)際上這是大有潛力可挖的，因?yàn)楹娇漳Ｐ桶l(fā)動(dòng)機(jī)是用于比賽，它的經(jīng)濟(jì)性限制不像在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中工作的動(dòng)力裝置那樣重要?？梢哉f在原理上及新型燃料試驗(yàn)上所作的工作是極不夠的。還有極遼闊的領(lǐng)域等待開墾。

從發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造及機(jī)構(gòu)上看，目前在世界上有不少先進(jìn)的形式，如旋轉(zhuǎn)活塞式凸輪式發(fā)動(dòng)機(jī)。總之其方向是去掉作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件，只有這樣才能使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作連續(xù)起來，這些都能用在小發(fā)動(dòng)機(jī)上來，同時(shí)采用增壓器的要求也愈來愈迫切了，因?yàn)椴簧俚哪Ｐ投夹枰谝磺滓陨系奶炜杖?chuàng)造高度紀(jì)錄，這就需要它的“心臟”能在高空工作。所有這些都是擺在航空模型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)家和工藝師面前的光榮任務(wù)。我們用了不到十年的時(shí)間已使我國的航空模型運(yùn)動(dòng)水平追上了世界水平，創(chuàng)造了不上一次的世界紀(jì)錄。相信今后在黨的領(lǐng)導(dǎo)下我們能大搞群眾運(yùn)動(dòng)按著土洋結(jié)合以土為主的方針，高速更高速地將我國航空模型發(fā)動(dòng)機(jī)的水平推向世界的最頂端。

(全文完)