洪家庆

每一个有经验的运动员都知道同一牌号的发动机往往性能很不一致，特别是在制造的批量较小时尤为显著。很显然这都是制造质量的影响。甚至可以得出这样的结论：类型相似的发动机，它的好坏几乎全部是由它的制造质量来决定的。这些影响远比有些设计参数不太一样的影响要大的多。因此发动机制造的好坏是决定发动机质量的重要因素，这里我们概括地谈谈它的工艺性以及制造中的一些关键问题。

1.航空模型发动机的工艺性

工艺性简单的讲就是在保证使用质量的情况下尽量使发动机结构容易制造，尽量减少加工劳动量，使生产部门能高速高质量的试制出新型的发动机来。

工艺性是一个内容相当广泛的问题，从零件材料毛坯选择一直到零件图上尺寸及技术条件的标注都应该充分的考虑制造是否容易，特别是大零件，例如发动机的机匣采用锻造的毛坯和铸造的毛坯，对机械加工的劳动量大不相同，锻造的毛胚几乎是从一块锻造铝合金上像雕刻象牙一样的精雕细刻出一个小巧的机匣来，而采用铸造毛胚许多外表面是不必加工的。材料选择的不合适也往往会给加工带来很大的困难，例如我们曾经采用过高速钢作为气缸的材料，大家知道这种用来作刀具的高合金钢热处理及加工都非常困难，而在使用上并没有特别的优点。这里我们特别提出一点就是零件的继承性，和标准化这一点对保证高速及高质量试制很有关系。例如机匣上有四个安装到飞机发动机架上的安装孔，这些孔距在2.5立方公分这一级的发动机上都相差不多。(例如图5，MK－12B是34毫米)但设计者往往没有将这一系列的发动机安装孔距设计成相同的尺寸，这就使加工带来不必要的困难。因为这一组孔(图14之Φd)常常是工艺师们选作为定位基准的，尺寸不同就不能采用同一套夹具，另外改变基准或再制造一套夹具显然会对加工带来困难，延长试制周期。大家都能体会到在临近比赛的日子里如何使发动机能提前制造出来是何等重要的事。在这里应强调说明的是发动机能否高速制造，许多因素是在设计时就已决定下来了，在试制时的工艺上无法从根本上改变。

从实际的工作中我们体会到设计发动机与制造发动机是不可分割的，只有亲身参加设计才能提高发动机的制造质量，才能使发动机日臻完善，才能提出正确合理的技术条件和寻找出多快好省的工艺过程。

2.发动机的材料选择及其制造

详细的谈每个航模发动机零件的材料选择及制造过程是不必要的，因为它的大多数零件制造都相当简单。下面我们只谈谈气缸活塞机匣等大件的加工。

1)气缸的加工：气缸的种类很多，但总括起来不外如图11的二种形式，它们都是一个圆筒，A型是用在单边横渡式驱气的发动机上，B型是用在喷泉相遇式的发动机上，对气缸的主要要求是要气缸内圆ΦA与活塞要能很好的配合，耐磨。为了装配的正确要求Γ处的圆柱面与端面互相垂直，这就是对气缸的基本技术要求。为此我们要选用适当的材料和适当的热处理，使气缸有足够的强度足够的硬度来抵抗磨损。

图11

制造气缸的复杂不在于此，而在于它是受有热负荷的。气缸的顶端与反活塞构成了燃烧室，有比较高的温度。而气缸下端是在曲轴机匣内，它经常受到新鲜混合气的冲洗，温度很低，因此沿着气缸轴向的温度分布相差很大。使得高温的上面膨胀多，而低温的下面膨胀少。因此给制造者们提出了一个问题，即按照那一个尺寸来制造气缸，是否应该考虑这种热膨胀的影响呢？很明显无论从设计上及制造上都应该考虑的。考虑这种膨胀的结果就使得气缸工作表面(即内表面)不是一个圆柱面，而是一个大体上是锥面的特殊型面了。这就是我们常说的气缸型面，它对发动机的功率、起动性能以及工作寿命都很有影响。

常用来做发动机气缸的钢材可以用高碳钢、低碳合金钢，渗炭或者氰化，也可以采用高级的氮化钢如38×МЮА。小发动机用高炭钢淬火来制造并没有太大的缺点。由于零件小，其韧性及强度都足够；高碳钢淬火以后硬度也足够(尺寸小淬透性也没有问题，只是在加工的过程中热处理等的变形会大一些。)采用低碳合金钢渗碳不是太好的办法，因为渗碳层不能太薄(总要在1毫米左右)，而气缸筒的厚度也不会超过1.5毫米，许多有驱气道排气口地方还会小于1毫米。渗碳淬火以后材料比较脆，受到反复载荷以后就会断裂。1958年我们制造“东风一号”模型发动机时，开始是渗碳处理的，都因为渗炭层太脆而不能使用。渗碳处理时温度较高变形也较大。因此制造过程不简单，所以作者认为最好不采用渗碳处理方法。

凡是能够渗碳的材料一般都能氰化，氰化就是在金属表面渗入碳原子及氮原子增加硬度及耐磨性。氰化层很薄一般只有0.5毫米以下，这对一些很薄的气缸筒(单边横渡驱气式的)特别合适。近来一些2.5立方公分的发动机气缸筒厚度最薄处只有0.7毫米左右，如果采用氰化就能够保持一定的强度和足够的硬度。氰化时应该特别注意技术安全问题，最好是采用无毒氰化法。制造气缸筒最好的材料还是氮化钢，采用氮化处理它不但能达到最高的硬度，同时能提高疲劳强度，在处理的过程中它的变形亦极小。遗憾的是这种处理方法需要很长的时间，甚至达70小时以上。因此其成本相当昂贵，我们并不推荐大家广泛采用这种材料及处理方法。

除上述几种材料以外，也可以用合金铸铁来作气缸。捷克有名的“AMA”发动机的气缸就是铸铁的，还可以用结构钢如30×ΓCA高频淬火来作气缸。总之能作气缸的材料是相当多，应该根据用途生产的具体条件来选择并不能一味的追求高级合金钢。

制造气缸的简单过程：模型发动机的气缸其毛胚毫无疑问都是棒料，在车床上车制出来。一般说来，在热处理以前，除气缸型面以外的表面都加工到最后图纸尺寸，只将气缸型面留有少量的余量作研磨用。少数情况下在热处理以后还将气缸的安装表面再磨一下。这些过程都很简单，我们只谈一下气缸型面的加工。

气缸型面的准确度相当高，它的椭圆度要求甚至比一级准确度还高，也就是高于一般的活塞式航空发动机了。气缸沿着轴线的直径是变化的、应该满足的要求为在工作时气缸与活塞是有间隙的其间隙的大小等于润滑油膜的厚度(这个厚度能近似计算出来)。显然在冷态时也就是制造时应该是上小下大的即在冷运转时活塞与气缸上部是有紧度Φ1是小于活塞直径的，下部是有间隙的，ΦA等于活塞直径加上间隙大小(如图12所示)。这些间隙与紧度的大小及轴向位置对起动时发动机是否有弹性，对工作寿命影响很大；椭圆度的大小对开车是否容易影响特别显著。对一批发动机作过一次试验发现当椭圆度大于某一值后起动就极端困难，发动机长期使用以后的报废常常就是因为椭圆度过大这个原因。

图12制造汽缸时尺寸的注法

气缸型面的加工，目前都是由有经验的钳工用研磨进行的。因此生产率不高也不容易保证准确度。在产量较大时建议采用带有靠模机械装置来研磨。在研磨的最后应该采用绿色的ЮИ膏来研磨，禁止采用粗粒度的金钢砂作最后研磨。因为这样会形成画痕，影响发动机的工作寿命。气缸制造以后，特别是带有螺纹的气缸，要用磁流检验是否有裂纹，细小的裂纹常常是淬火和磨削造成的，这些都是发动机发生事故的隐患。必须防止。

活塞是与气缸筒相配的零件，表面一般是做成圆柱面，对表面的光滑度要求很高。除此以外就是要求活塞销孔与活塞轴线的垂直度。不垂直会造成磨损的不均匀以及连杆的工作情况。对活塞而言比较重要的是材料的选择，要求它的热膨胀系数与气缸的膨胀系数相适应，否则会造成热卡死和漏气，使发动机得不到最大功率。另外由于活塞是作往复运动的零件，因此尽量希望它能轻一些，一般也应该使活塞硬度比气缸低一些。换一个活塞比气缸是要容易的多。一般活塞用铸铁制造比较好，铸铁活塞比钢活塞也要轻一些。钢活塞与钢气缸相配，摩擦系数大，容易热死，假如工作时不卡死，冷时间隙会过大又不好起动了。也有用轻合金制造活塞的，不过这时候要装上活塞环。活塞的外表面椭圆度等的要求也与气缸是一样的，其准确度的保证也是用研磨来达到的。

2)机匣的加工：机匣是发动机上最大的零件，其材料大多都是用铝合金或镁合金。毛胚的获得可以是铸造也可以是锻造。但是应该指明除了单件试制以外采用锻造毛胚是不合理的，因为铸造毛胚的强度就绰绰有余。理想的毛胚是由压铸而成的，其次是钢模铸造的，砂型也只有用在小量生产时才是合适的。

对机匣而言，加工主要问题是位置准确度，也就是各个安装孔的相对位置垂直度、平行度。如图13所示ΦA，ΦC应该互相垂直，而ΦBΦC应该同心，将来ΦB上安装旋板时还要与旋板中心同心。只有同心才能保证曲轴在里面协调的运动。为了保证它们的同心度主要是依靠定位基准选择的合适，用夹具来保证。如图14选择孔Φd及平面y是合适的，用这一组基准，ΦAΦBΦC都可以用同一组基准加工，这样自然就提高了相对位置的准确度。这也是在前面我们强调应该将Φd及尺寸D标准化的原因。机匣制造的基本问题就是这些。

图13

图14

3.曲轴的制造：曲轴是在极高转速下工作的零件，因此要求极高的疲劳强度，这一点对曲轴作活门时更加重要。它采用的材料一般是中碳钢或者是中碳合金钢，经过调质处理。

因为曲轴工作时负荷大，又容易与外界碰撞。所以设计及制造时都应当考虑这个问题，从准确度上看最重要的是ΦK及ΦL的平行度，二者不平行就会使连杆活塞工作时卡死。为了使曲轴疲劳强度提高，需要提高曲轴非工作表面及内腔(空心轴)的光滑度，特别注意圆角如R1、R2、R3，圆角过小没有抛光，残留有细小的裂纹都会使曲轴断裂。目前设计的曲轴其安全系数不高，制造的不好就会使它容易断裂。曲轴头部的螺纹不能淬火，否则会断掉。因此有人将曲轴设计成如图15所示的方案，将阳螺纹改成阴螺纹。实际上这并不是好办法，阴螺纹只有用丝锥来加工，其准确度不很高，当然锥用钝时容易产生裂纹，淬火时保护不好就发生裂纹了。使用上也不方便，互换性不好。需要一个特制的长螺钉。一般还是少用的。

图15

发动机另件我们就介绍这三个。

此外提一下装配。将制造合格的单个零件装配成一台发动机乃是最后、最重要的工序，装配以前应该将各个另件洗涤干净，装配时应按装配要求挨个检查尺寸、配合间隙，装配好后应打上印记以便以后分解后重新装配时不会搞错。装配的好坏主要在于正确的组合零件，组合不好常常会使许多加工得很好的零件终身被埋没，发动机亦不能发生足够的功率。发动机的调整和试车亦是一项饶有兴趣且很复杂的工作，限于篇幅这儿不谈了。

曲轴前段用阴螺纹图16

在结束本文的时候，想对活塞式航空模型发动机的发展方向提供一点看法。假如内燃机不进行根本的改革很有被淘汰的可能，因为现在工业上已出现了高效能的蓄电池及小电机在功率重量体积上都有可能代替航空换型用内燃机、并且有一系列的优点，内燃机用在航空模型上有近三十年的历史了，压燃式的采用也将近十五年了，但是以2.5立方公分发动机的发展为例，近十年来功率的提高仅仅只有50%，也就是每年的上升率不到百分之五，从类型及燃料上几乎没有什么改变，根本没有采用新型的低闪点的高能燃料，也没有寻求出高效率的润滑抗爆附加剂，实际上这是大有潜力可挖的，因为航空模型发动机是用于比赛，它的经济性限制不像在国民经济领域中工作的动力装置那样重要。可以说在原理上及新型燃料试验上所作的工作是极不够的。还有极辽阔的领域等待开垦。

从发动机的构造及机构上看，目前在世界上有不少先进的形式，如旋转活塞式凸轮式发动机。总之其方向是去掉作往复运动的零件，只有这样才能使发动机的工作连续起来，这些都能用在小发动机上来，同时采用增压器的要求也愈来愈迫切了，因为不少的模型都需要在一千米以上的天空去创造高度纪录，这就需要它的“心脏”能在高空工作。所有这些都是摆在航空模型发动机的设计家和工艺师面前的光荣任务。我们用了不到十年的时间已使我国的航空模型运动水平追上了世界水平，创造了不上一次的世界纪录。相信今后在党的领导下我们能大搞群众运动按着土洋结合以土为主的方针，高速更高速地将我国航空模型发动机的水平推向世界的最顶端。

(全文完)