基于Matlab-GUI的齿轮泵齿轮正向参数化设计软件开发

陈占锋 王延昌

摘 要：本文依据某型航空齿轮泵的输入要求和齿轮泵的设计原理，应用Matlab软件的参数化建模和计算功能，并用GUI界面做成软件，最后生成所有满足要求的齿轮泵的齿轮参数，极大提高了产品的设计选型的效率。

关键词：齿轮泵;参数化建模和计算;效率

引言

随着液压系统的发展，齿轮泵已广泛的应用于工程机械、机床、航空和航天等领域。齿轮泵结构简单紧凑，加工容易，自吸性能好，抗污染能力强，但是其流量和压力脉动大，又限制了它的应用。航空发动机用齿式燃油泵，为中高压齿轮泵，具有转速高，高压力，结构小等特点，这些都加大了设计难度。由于齿数一般在10～14之间，因而普遍采用变位齿轮。齿轮泵的流量，效率和体积等指标和齿轮参数是一个综合影响的关系，因而建立齿轮泵齿轮的参数化设计软件，对于快速选型显得尤为重要。Matlab是一款以数学计算为主的专业数学软件，本文应用Matlab-GUI建立齿轮泵的齿轮参数化设计软件，具有很高的工程应用价值。

1 齿轮泵工作原理

齿轮泵工作原理如图1所示。齿轮泵的基本工作原理是工作液经壳体进油口流进齿轮泵内部齿轮啮合区域，齿间在进口区被低压工作液充满，齿轮啮合转动，齿牙将齿间的工作液挤往出口，形成一定的压力，进而给工作液能量，通过壳体出油口流向下级管路。主动齿轮轴由驱动单元带动，通过驱动单元的连续工作，进而实现为整个系统提供循环动力的功能。由此可见，齿轮是齿轮泵的功能单元和核心部件，而其余零部件的尺寸参数，都要依托于齿轮参数进行设计，因而齿轮参数直接影响齿轮泵的性能。

2 Matlab 齿轮参数化软件设计

2.1 齿轮参数化设计流程简介

根据齿轮泵的设计原理[3]和齿轮变位原理[2]。齿轮泵齿轮参数化设计的过程图2所示。

以上输出数据为齿轮的基本参数，用于齿轮设计和加工。计算公式和编程中的变量符号如表1所示。

2.2.1 定义输入指标和设计变量

一般齿轮泵原始输入指标包含：流量，压力，转速和外形尺寸。某齿轮泵的输入指标为22L/min，转速为4000r/min。齿轮泵的设计变量为模数m、齿数z、齿顶高系数ha、顶隙系数cn、压力角α。其中对于中高压齿轮泵，齿数一般为10～14;齿顶高系数一般可在1～1.2之间取值，初始设计时，可优选1.15;顶隙系数为0.25（固定值）;压力角可选20°;而模数需在标准模数表中进行对应选取，如表2所示，主要命令如下。

（3）数据输出

最后应用xlswrite命令将计算结果写入excel，其命令如下：xlswrite （filename，shuchujuzhenA，sheet1，B1） ;

2.3 GUI界面的设计和计算软件的生成

Matlab-GUI是图形化的软件操作界面，允许用户使用鼠标键盘等设备操纵屏幕上的图标或菜单，以选择命令、调用文件、启动程序或执行其他工程任务。

2.3.1 GUI界面设计[1]

齿轮泵齿轮设计软件需要用到以下几种操作对象（1）静态文件（Static Text），用于设置各个参数名称的定义，如图3中左侧一列。（2）可编辑文件（Edit Text），用于輸入设计变量和输入指标，如图3中右侧一列。（3）触控按钮（Push botton），用于启动程序计算和程序的初始化，如图3中计算和初始化2个按钮。在面板上单击计算按钮，并在弹出的列表中单击callback 行中的铅笔按钮，即可定位到程序的主体部分，此处用于放置上文中编写的参数化设计代码。

2.3.2 软件封装

封装软件可以保证程序不会被误动，同时也方便其他计算机上使用。在命令行输入deploytool后弹出封装软件的界面，选择需要封装的程序文件并进行其他必要的相关设置，然后点击package，即可生成相应的软件。

3 设计实例

将某型号齿轮泵设计参数：流量、转速、齿顶高系数、压力角、容积效率输入软件，即可快速生成计算结果，如表3所示。

4 结束语

本软件实现了齿轮泵齿轮参数的参数化设计，可以一键完成齿轮泵的齿轮相关参数计算;通过调整设计变量（齿顶高系数和压力角）的数值，即可重新生成一组的齿轮参数，最后结合设计经验和客户的其他需求（如外形体积），从中优选出多组齿轮参数模型进行流体仿真。该软件大大提高的产品选型效率，同时建立在优选模型的流体仿真，也更利于找到最优模型，从而减小设计变更次数，降低研发费用和缩短研发周期。

参考文献：

[1]罗华飞，邵斌.Matlab GUI 设计学习手册[M].北京：北京航空航天大学出版社，2020.

[2]成大先.机械设计手册第3卷[M].北京：化学工业出版社，2002.

[3]西北工业大学，远东机械制造有限公司.发动机燃油控制系统齿轮式燃油泵设计指南[S].1988.