基于Matlab-GUI的齒輪泵齒輪正向參數化設計軟件開發

陳占鋒 王延昌

摘 要：本文依據某型航空齒輪泵的輸入要求和齒輪泵的設計原理，應用Matlab軟件的參數化建模和計算功能，并用GUI界面做成軟件，最后生成所有滿足要求的齒輪泵的齒輪參數，極大提高了產品的設計選型的效率。

關鍵詞：齒輪泵;參數化建模和計算;效率

引言

隨著液壓系統的發展，齒輪泵已廣泛的應用于工程機械、機床、航空和航天等領域。齒輪泵結構簡單緊湊，加工容易，自吸性能好，抗污染能力強，但是其流量和壓力脈動大，又限制了它的應用。航空發動機用齒式燃油泵，為中高壓齒輪泵，具有轉速高，高壓力，結構小等特點，這些都加大了設計難度。由于齒數一般在10～14之間，因而普遍采用變位齒輪。齒輪泵的流量，效率和體積等指標和齒輪參數是一個綜合影響的關系，因而建立齒輪泵齒輪的參數化設計軟件，對于快速選型顯得尤為重要。Matlab是一款以數學計算為主的專業數學軟件，本文應用Matlab-GUI建立齒輪泵的齒輪參數化設計軟件，具有很高的工程應用價值。

1 齒輪泵工作原理

齒輪泵工作原理如圖1所示。齒輪泵的基本工作原理是工作液經殼體進油口流進齒輪泵內部齒輪嚙合區域，齒間在進口區被低壓工作液充滿，齒輪嚙合轉動，齒牙將齒間的工作液擠往出口，形成一定的壓力，進而給工作液能量，通過殼體出油口流向下級管路。主動齒輪軸由驅動單元帶動，通過驅動單元的連續工作，進而實現為整個系統提供循環動力的功能。由此可見，齒輪是齒輪泵的功能單元和核心部件，而其余零部件的尺寸參數，都要依托于齒輪參數進行設計，因而齒輪參數直接影響齒輪泵的性能。

2 Matlab 齒輪參數化軟件設計

2.1 齒輪參數化設計流程簡介

根據齒輪泵的設計原理[3]和齒輪變位原理[2]。齒輪泵齒輪參數化設計的過程圖2所示。

以上輸出數據為齒輪的基本參數，用于齒輪設計和加工。計算公式和編程中的變量符號如表1所示。

2.2.1 定義輸入指標和設計變量

一般齒輪泵原始輸入指標包含：流量，壓力，轉速和外形尺寸。某齒輪泵的輸入指標為22L/min，轉速為4000r/min。齒輪泵的設計變量為模數m、齒數z、齒頂高系數ha、頂隙系數cn、壓力角α。其中對于中高壓齒輪泵，齒數一般為10～14;齒頂高系數一般可在1～1.2之間取值，初始設計時，可優選1.15;頂隙系數為0.25（固定值）;壓力角可選20°;而模數需在標準模數表中進行對應選取，如表2所示，主要命令如下。

（3）數據輸出

最后應用xlswrite命令將計算結果寫入excel，其命令如下：xlswrite （filename，shuchujuzhenA，sheet1，B1） ;

2.3 GUI界面的設計和計算軟件的生成

Matlab-GUI是圖形化的軟件操作界面，允許用戶使用鼠標鍵盤等設備操縱屏幕上的圖標或菜單，以選擇命令、調用文件、啟動程序或執行其他工程任務。

2.3.1 GUI界面設計[1]

齒輪泵齒輪設計軟件需要用到以下幾種操作對象（1）靜態文件（Static Text），用于設置各個參數名稱的定義，如圖3中左側一列。（2）可編輯文件（Edit Text），用于輸入設計變量和輸入指標，如圖3中右側一列。（3）觸控按鈕（Push botton），用于啟動程序計算和程序的初始化，如圖3中計算和初始化2個按鈕。在面板上單擊計算按鈕，并在彈出的列表中單擊callback 行中的鉛筆按鈕，即可定位到程序的主體部分，此處用于放置上文中編寫的參數化設計代碼。

2.3.2 軟件封裝

封裝軟件可以保證程序不會被誤動，同時也方便其他計算機上使用。在命令行輸入deploytool后彈出封裝軟件的界面，選擇需要封裝的程序文件并進行其他必要的相關設置，然后點擊package，即可生成相應的軟件。

3 設計實例

將某型號齒輪泵設計參數：流量、轉速、齒頂高系數、壓力角、容積效率輸入軟件，即可快速生成計算結果，如表3所示。

4 結束語

本軟件實現了齒輪泵齒輪參數的參數化設計，可以一鍵完成齒輪泵的齒輪相關參數計算;通過調整設計變量（齒頂高系數和壓力角）的數值，即可重新生成一組的齒輪參數，最后結合設計經驗和客戶的其他需求（如外形體積），從中優選出多組齒輪參數模型進行流體仿真。該軟件大大提高的產品選型效率，同時建立在優選模型的流體仿真，也更利于找到最優模型，從而減小設計變更次數，降低研發費用和縮短研發周期。

參考文獻：

[1]羅華飛，邵斌.Matlab GUI 設計學習手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2020.

[2]成大先.機械設計手冊第3卷[M].北京：化學工業出版社，2002.

[3]西北工業大學，遠東機械制造有限公司.發動機燃油控制系統齒輪式燃油泵設計指南[S].1988.