汽車分為手動(dòng)檔以及自動(dòng)擋，如果你曾經(jīng)駕駛過手動(dòng)檔汽車，都會(huì)有過頻繁操作換擋桿的經(jīng)歷。本文將借助 COMSOL 的多體動(dòng)力學(xué)模塊建立一個(gè)換檔桿模型，來研究換擋桿是如何工作的，以及在一個(gè)常見的載荷情況下，即“選擇第一檔”時(shí)作用在換擋桿上的力。
修復(fù)一輛老式汽車
我在修復(fù)一輛老式汽車時(shí)，對(duì)變速箱工作原理產(chǎn)生了興趣。設(shè)計(jì)帶有手動(dòng)擋的汽車，明智的做法是將換擋桿直接放在變速箱的頂部，從地板和（或）中央控制臺(tái)伸出來。然而，在過去人們認(rèn)為將換擋桿連接到轉(zhuǎn)向柱上會(huì)比較方便因?yàn)檫@樣就有可能使前排的長椅坐三個(gè)人。
不過，將換擋桿安裝在轉(zhuǎn)向柱上也有一些挑戰(zhàn)。換擋桿安裝在遠(yuǎn)離變速箱的位置，所以就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題：如何將運(yùn)動(dòng)從換擋桿向下傳遞到變速箱。解決這個(gè)問題需要使用大量的連桿和鉸鏈。例如下圖中一輛正在修復(fù)的老式汽車
沃爾沃 121
的換擋桿。
它是如何歷經(jīng)了 50 年的磨損還依然幸存的呢？換擋的時(shí)候，作用在各個(gè)部件上的力有多大？
使用 COMSOL 軟件模擬換擋機(jī)構(gòu)
為了回答這些問題，我們選擇使用 COMSOL 多體動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊進(jìn)行仿真，其中多體動(dòng)力學(xué)模塊提供了預(yù)定義的功能，可用于定義各部件之間不同類型的關(guān)節(jié)。
多體動(dòng)力學(xué)模塊
擴(kuò)展了
COMSOL Multiphysics
和
結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊
的功能，使我們能夠?qū)C(jī)械裝配體進(jìn)行建模。
為了模擬這種行為，我們使用球型、圓柱型、鉸鏈關(guān)節(jié)和接觸面創(chuàng)建了一個(gè)模型。選擇機(jī)構(gòu)組件為可變形類型，這意味著我們將使用結(jié)構(gòu)力學(xué)來計(jì)算各個(gè)組件的變形。或者將部分或所有組件建模為剛性。最后，作為一個(gè)加載序列，為了模擬將變速箱換到一檔，將換擋桿向后和向上分兩步進(jìn)行移動(dòng)。
換檔機(jī)構(gòu)的幾何形狀，由一系列柔性連接裝置構(gòu)成。左側(cè)圖像顯示了獨(dú)立的部件，右側(cè)圖像顯示了整體組裝。
柔性多體分析
為了研究換擋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，即運(yùn)動(dòng)學(xué)，我們進(jìn)行了一個(gè)瞬態(tài)分析。換檔需要 2s，對(duì)于那個(gè)時(shí)代的汽車來說，這是一個(gè)合適而悠閑的速度。
我們特別想知道，在運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)組件上的力的大小，大的接觸力可能意味著過度磨損。事實(shí)證明，沒有一個(gè)鉸鏈或連桿受到過大的載荷，其量級(jí)最多只有幾牛頓，如下圖所示。
隨時(shí)間變化的關(guān)節(jié)力的全局圖。
