选择第一档:研究老式汽车的换挡原理

2014年 3月 4日

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?

老式汽车的换挡原理。

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。
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。

换挡杆的运动

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。

随时间变化的沃尔沃换挡杆关节力的全局图。
随时间变化的关节力的全局图。

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