汽车变速箱有两种，自动档和手动挡。我们在驾驶手动挡汽车时，经常会使用换挡杆，但几乎从没有想过它的工作原理。这篇博客，我将使用一个借助 COMSOL 多体动力学模块建立的换档杆模型，来研究它是如何工作的，以及在一个常见的载荷下，即“选择第一档”时，作用在换挡杆上的力。
修复一辆老式汽车
我在修复一辆老式汽车时，对变速箱工作原理产生了兴趣。设计一辆带有手动挡的汽车，明智的做法是将换挡杆直接放在变速箱的顶部，从地板和（或）中央控制台伸出来。然而，在过去人们认为将换挡杆连接到转向柱上会比较方便，因为这样就有可能让前排的长椅坐三个人。
不过，将换挡杆安装在转向柱上也有一些挑战。换挡杆安装在远离变速箱的位置，所以就会出现一个问题：如何将运动从杆向下传递到变速箱。解决这个问题需要使用大量的连杆和铰链。例如，下图中一辆正在修复的老式汽车沃尔沃 121的换挡杆。
它是如何历经了 50 年的磨损还依然幸存的呢？换挡的时候，作用在各个部件上的力有多大？
使用 COMSOL 软件模拟换挡机构
为了回答这些问题，我们选择使用 COMSOL 多体动力学和结构力学模块进行建模仿真，其中多体动力学模块提供了预定义的功能，可用于定义各部件之间不同类型的关节。多体动力学模块扩展了 COMSOL Multiphysics 和结构力学模块的功能，使我们能够对机械装配体进行建模。
为了模拟这种行为，我们使用球型、圆柱型、铰链关节和接触面创建了一个模型。选择机构组件为可变形 类型，这意味着我们将使用结构力学来计算各个组件的变形。或者，将部分或所有组件建模为刚性。最后，作为一个加载序列，为了模拟将变速箱换到一档，将换挡杆向后和向上分两步进行移动。
换档机构的几何形状，由一系列柔性连接装置构成。左边显示了独立的部件，右图显示了整体组装。
柔性多体分析
为了研究换挡机构的运动，即运动学，我们进行了一个瞬态分析。换档需要 2s，对于那个时代的汽车来说，这是一个合适而悠闲的速度。
我们特别想知道在运动过程中各个组件上的力的大小。大的接触力可能意味着过度磨损。事实证明，没有一个铰链或连杆受到过大的载荷，其量级最多只有几牛顿，如下图所示。
随时间变化的关节力的全局图。
扩展阅读
- 从 COMSOL 案例库中下载换挡杆模型
- 查看关于多体动力学仿真的网络研讨会
- 探索多体动力学模块
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