人形機器人齒輪的類型和工藝流程

技術前沿：人形機器人傳動——模數齒輪

齒輪的歷史

齒輪的歷史早在公元前350年，古希臘著名的哲學家亞里士多德在文獻中對齒輪有過記錄。公元前250年左右，數學家阿基米德也在文獻中對使用了渦輪蝸桿的卷揚機進行了說明。在現今伊拉克凱特斯芬遺跡中還保存著公元前的齒輪。

齒輪在我國的歷史也源遠流長。據史料記載，遠在公元前400~200年的中國古代就已開始使用齒輪，在我國山西出土的青銅齒輪是迄今已發現的最古老齒輪，作為反映古代科學技術成就的指南車就是以齒輪機構為核心的機械裝置。15世紀后半的意大利文藝復興時期，著名的全才列奧納多.達芬奇，不僅在文化藝術方面，在齒輪技術史上也留下了不可磨滅的功績，經過了500年以上，現在的齒輪仍然保留著當時素描的原型。

直到17世紀末，人們才開始研究能正確傳遞運動的輪齒形狀。18世紀，歐洲工業革命以后，齒輪傳動的應用日益廣泛；先是發展擺線齒輪，而后是漸開線齒輪，一直到20世紀初，漸開線齒輪已在應用中占了優勢。其后又發展了變位齒輪、圓弧齒輪、錐齒輪、斜齒輪等等。

現代齒輪技術已達到：齒輪模數0.004-100毫米；齒輪直徑由1毫米到150米；傳遞功率可達十萬千瓦；轉速可達十萬轉/分；最高的圓周速度達300米/秒。

國際上，動力傳動齒輪裝置正沿著小型化、高速化、標準化方向發展。特殊齒輪的應用、行星齒輪裝置的發展、低振動、低噪聲齒輪裝置的研制是齒輪設計方面的一些特點。

齒輪的類型

齒輪的類型齒輪的種類繁多，其分類方法最通常的是根據齒輪軸性。一般分為平行軸、相交軸及交錯軸三種類型。

1）平行軸齒輪：包括正齒輪、斜齒輪、內齒輪、齒條及斜齒條等。

2）相交軸齒輪：有直齒錐齒輪、弧齒錐齒輪、零度齒錐齒輪等。

3）交錯軸齒輪：有交錯軸斜齒齒輪、蝸桿蝸輪、準雙曲面齒輪等。

上表中所列出的效率為傳動效率，不包括軸承及攪拌潤滑等的損失。平行軸及相交軸的齒輪副的嚙合，基本上是滾動，相對的滑動非常微小，所以效率高。交錯軸斜齒輪及蝸桿蝸輪等交錯軸齒輪副，因為是通過相對滑動產生旋轉以達到動力傳動，所以摩擦的影響非常大，與其他齒輪相比傳動效率下降。齒輪的效率是齒輪在正常裝配狀況下的傳動效率。如果出現安裝不正確的情況，特別是錐齒輪裝配距離不正確而導致同錐交點有誤差時，其效率會顯著下降。

01平行軸齒輪

1）正齒輪

齒線與軸心線為平行方向的圓柱齒輪。因為易于加工，因此在動力傳動上使用最為廣泛。

2）齒條

與正齒輪嚙合的直線齒條狀齒輪?？梢钥闯墒钦X輪的節圓直徑變成無限大時的特殊情況。

3）內齒輪

與正齒輪相嚙合在圓環的內側加工有輪齒的齒輪。主要使用在行星齒輪傳動機構及齒輪聯軸器等應用上。

4）斜齒齒輪

齒線為螺旋線的圓柱齒輪。因為比正齒輪強度高且運轉平穩，被廣泛使用。傳動時產生軸向推力。

5）斜齒齒條與斜齒齒輪相嚙合的條狀齒輪。相當于斜齒齒輪的節徑變成無限大時的情形。

6）人字齒輪齒線為左旋及右旋的兩個斜齒齒輪組合而成的齒輪。有在軸向不產生推力的優點。

02相交軸齒輪

1）直齒錐齒輪齒線與節錐線的母線一致的錐齒輪。在錐齒輪中，屬于比較容易制造的類型。所以，作為傳動用錐齒輪應用范圍廣泛。

2）弧齒錐齒輪

齒線為曲線，帶有螺旋角的錐齒輪。雖然與直齒錐齒輪相比，制作難度較大，但是作為高強度、低噪音的齒輪使用也很廣泛。

3）零度錐齒輪

螺旋角為零度的曲線齒錐齒輪。因為同時具有直齒和曲齒錐齒輪的特征，齒面的受力情形與直齒錐齒輪相同。

03交錯軸齒輪

1）圓柱蝸桿副

圓柱蝸桿副是圓柱蝸桿和與之嚙合的蝸輪的總稱。運轉平靜及單對即可獲得大傳動比為其最大的特征，但是有效率低的缺點。

2）交錯軸斜齒齒輪

圓柱蝸桿副在交錯軸間傳動時的名稱?？稍谛饼X齒輪副或斜齒齒輪與正齒輪副的情況下使用。運轉雖然平穩，但只適合于使用在輕負荷的情況下。

04其他特殊齒輪

1）面齒輪

可與正齒輪或斜齒齒輪嚙合的圓盤狀齒輪。在直交軸及交錯軸間傳動。

2）鼓形蝸桿副

鼓形蝸桿及與之嚙合的蝸輪的總稱。雖然制造比較困難，但比起圓柱蝸桿副，可以傳動大負荷。

3）準雙曲面齒輪

在交錯軸間傳動的圓錐形齒輪。大小齒輪經過偏心加工，與弧齒齒輪相似，嚙合原理非常復雜。

齒輪的術語

齒輪有很多齒輪所特有的術語和表現方法，為了使大家能更多的了解齒輪，在此介紹一些經常使用的齒輪基本術語。

1）齒輪各部位的名稱

2）表示輪齒的大小的術語是模數

m1、m3、m8…被稱為模數1、模數3、模數8。模數是全世界通用的稱呼，使用符號m（模數）和數字（毫米〉來表示輪齒的大小，數字越大，輪齒也越大。

另外，在使用英制單位的國家（比如美國），使用符號（徑節）及數字（分度圓直徑為1英吋時的齒輪的輪齒數）來表示輪齒的大小。比如：DP24、DP8等。還有使用符號（周節）和數字（毫米）來表示輪齒大小的比較特殊的稱呼方法，比如CP5、CP10。

模數乘以圓周率即可得到齒距（p），齒距是相鄰兩齒間的長度。用公式表示就是：p=圓周率x模數=πm。不同模數的輪齒大小對比：

3）壓力角

壓力角是決定齒輪齒形的參數。即輪齒齒面的傾斜度。壓力角（α）一般采用20°。以前，壓力角為14.5°的齒輪曾經很普及。

壓力角是在齒面的一點（一般是指節點）上，半徑線與齒形的切線間所成之角度。如圖所示，α為壓力角。因為α’=α，所以α’也是壓力角。

A齒與B齒的嚙合狀態從節點看上去時：

A齒在節點上推動B點。這個時候的推動力作用在A齒及B齒的共同法線上。也就是說，共同法線是力的作用方向，亦是承受壓力的方向，α則為壓力角。

模數（m）、壓力角（α）再加上齒數（z）是齒輪的三大基本參數，以此參數為基礎計算齒輪各部位尺寸。

4）齒高與齒厚

輪齒的高度由模數（m）來決定。

全齒高h=2.25m（=齒根高+齒頂高）

齒頂高（ha）是從齒頂到分度線的高度。ha=1m。

齒根高（hf）是從齒根到分度線的高度。hf=1.25m。

齒厚（s）的基準是齒距的一半。s=πm/2。

5）齒輪的直徑

決定齒輪大小的參數是齒輪的分度圓直徑（d）。以分度圓為基準，才能定出齒距、齒厚、齒高、齒頂高、齒根高。

分度圓直徑d=zm

齒頂圓直徑da=d+2m

齒根圓直徑df=d-2.5m

分度圓在實際的齒輪中是無法直接看到的，因為分度圓是為了決定齒輪的大小而假設的圓。

6）中心距與齒隙

一對齒輪的分度圓相切嚙合時，中心距是兩個分度圓直徑的和的一半。

中心距a=（d1+d2）/2

在齒輪的嚙合中，要想得到圓滑的嚙合效果，齒隙是個重要的因素。齒隙是一對齒輪嚙合時齒面間的空隙。

齒輪的齒高方向也有空隙。這個空隙被稱為頂隙（Clearance)。頂隙(c)是齒輪的齒根高與相配齒輪的齒頂高之差。

頂隙c=1.25m-1m=0.25m

7）斜齒齒輪

將正齒輪的輪齒螺旋狀扭轉后的齒輪為斜齒齒輪。正齒輪幾何計箅的大部分都可適用于斜齒齒輪。斜齒齒輪，根據其基準面不同有2種方式：

端面（軸直角）基準（端面模數/壓力角〉

法面（齒直角）基準（法向模數/壓力角〉

端面模數mt和法向模數mn的關系式mt=mn/cosβ

8）螺旋方向與配合

斜齒齒輪、弧齒傘形齒輪等，輪齒呈螺旋狀的齒輪，螺旋方向和配合是一定的。螺旋方向是指當齒輪的中心軸指向上下，從正面看上去時，輪齒的方向指向右上的是[右旋]，左上的是[左旋]。各種齒輪的配合如下所示。

常用的漸開線齒形

僅僅在摩擦輪的外周上分割出等分的齒距，裝上突起，然后相互嚙合轉動的話,會出現如下問題：

輪齒的切點產生滑動、切點的移動速度時快時慢、產生振動及噪音

輪齒傳動時既要安靜又要圓滑，由此，誕生了漸開曲線。

1）什么是漸開線

將一端系有鉛筆的線纏在圓筒的外周上，然后在線繃緊的狀態下將線漸漸放開。此時，鉛筆所畫出的曲線即為漸開曲線。圓筒的外周被稱為基圓。

2）8齒漸開線齒輪示例

將圓筒8等分后，系上8根鉛筆，畫出8條漸開曲線。然后，將線向相反方向纏繞，按同樣方法畫出8條曲線，這就是以漸開曲線作為齒形，齒數為8的齒輪。

3）漸開線齒輪的優點

即使中心距多少有些誤差，也可以正確的嚙合；

比較容易得到正確的齒形，加工也比較容易；

因為在曲線上滾動嚙合，所以，可以圓滑地傳遞旋轉運動；

只要輪齒的大小相同，一個刀具可以加工齒數不同的齒輪；

齒根粗壯，強度高。

4）基圓和分度圓

基圓是形成漸開線齒形的基礎圓。分度圓是決定齒輪大小的基準圓?；鶊A與分度圓是齒輪的重要幾何尺寸。漸開線齒形是在基圓的外側形成的曲線。在基圓上壓力角為零度。

5）漸開線齒輪的嚙合

兩個標準的漸開線齒輪的分度圓在標準的中心距下相切嚙合。

兩輪嚙合時的模樣，看上去就像是分度圓直徑大小為d1、d2兩個摩擦輪（Frictionwheels）在傳動。但是，實際上漸開線齒輪的嚙合取決于基圓而不是分度圓。

兩個齒輪齒形的嚙合接觸點按P1—P2—P3的順序在嚙合線上移動。請注意驅動齒輪中黃色的輪齒。這個齒開始嚙合后的一段時間內，齒輪為兩齒嚙合（P1、P3）。嚙合繼續，當嚙合點移動到分度圓上的點P2時，嚙合輪齒只剩下了一個。嚙合繼續進行，嚙合點移動到點P3時，下一個輪齒開始在P1點嚙合，再次形成兩齒嚙合的狀態。就像這樣，齒輪的兩齒嚙合與單齒嚙合交互重復傳遞旋轉運動。

基圓的公切線A一B被稱為嚙合線。齒輪的嚙合點都在這條嚙合線上。

用一個形象的圖來表示，就好像皮帶交叉地套在兩個基圓的外周上做旋轉運動傳遞動力一樣。

齒輪的變位

齒輪的變位分為正變位和負變位。我們通常使用的齒輪的齒廓一般都是標準的漸開線，然而也存在一些情況需要對輪齒進行變位，如調整中心距、防止小齒輪的根切等。

1）齒輪的齒數與形狀

漸開線齒形曲線隨齒數多少而不同。齒數越多，齒形曲線越趨于直線。隨齒數增加，齒根的齒形變厚，輪齒強度增加。

由上圖可以看到，齒數為10的齒輪，其輪齒的齒根處部分漸開線齒形被挖去，發生根切現象。但是如果對齒數z=10的齒輪采用正變位，增大齒頂圓直徑、增加輪齒的齒厚的話，可以得到與齒數200的齒輪同等程度的齒輪強度。

2）變位齒輪

下圖是齒數z=10的齒輪正變位切齒示意圖。切齒時，刀具沿半徑方向的移動量xm（mm）稱為徑向變位量〔簡稱變位量)。

xm=變位量（mm）

x=變位系數

m=模數（mm）

通過正變位的齒形變化。輪齒的齒厚增加，外徑（齒頂圓直徑〉也變大。齒輪通過采取正變位，可以避免根切（Undercut）的發生。對齒輪實行變位還可以達到其它的目的，如改變中心距，正變位可增加中心距，負變位可減少中心距。

不論是正變位還是負變位齒輪，都對變位量有限制。

3）正變位和負變位

變位有正變位和負變位。雖然齒高相同，但齒厚不同。齒厚變厚的為正變位齒輪，齒厚變薄的為負變位齒輪。

無法改變兩個齒輪的中心距時，對小齒輪進行正變位（避免根切），對大齒輪進行負變位，以使中心距相同。這種情況下，變位量的絕對值相等。

4）變位齒輪的嚙合

標準齒輪是在各個齒輪的分度圓相切狀態下嚙合。而經過變位的齒輪的嚙合，如圖所示，是在嚙合節圓上相切嚙合。嚙合節圓上的壓力角稱為嚙合角。嚙合角與分度圓上的壓力角（分度圓壓力角）不同。嚙合角是設計變位齒輪時的重要要素。

6）齒輪變位的作用

可以防止在加工時因為齒數少而產生的根切現象；通過變位可以得到所希望的中心距；在一對齒輪齒數比很大的情況下，對容易產生磨耗的小齒輪進行正變位，使齒厚加厚。相反，對大齒輪進行負變位，使齒厚變薄，以使得兩個齒輪的壽命接近。

齒輪精度

齒輪的精度齒輪是傳遞動力和旋轉的機械要素。對于齒輪的性能要求主要有：

更大的動力傳遞能力、盡可能使用體積小的齒輪、低噪音、正確性。

要想滿足如上所述的要求，提高齒輪的精度將成為必須解決的課題。

1）齒輪精度的分類

齒輪的精度大致可以分為三類：

a）漸開線齒形的正確度—齒形精度

b）齒面上齒線的正確度—齒線精度

c）齒/齒槽位置的正確度

輪齒的分度精度—單齒距精度

齒距的正確度—累積齒距精度

夾在兩齒輪的測球在半徑方向位置的偏差—徑向跳動精度

2）齒形誤差

3）齒線誤差

4）齒距誤差

在以齒輪軸為中心的測定圓周上測量齒距值。單齒距偏差（fpt）實際齒距與理論齒距的差。

齒距累積總偏差（Fp）測定全輪齒齒距偏差做出評價。齒距累積偏差曲線的總振幅值為齒距總偏差。

5）徑向跳動（Fr）

將測頭（球形、圓柱形）相繼置于齒槽內，測定測頭到齒輪軸線的最大和最小徑向距離之差。齒輪軸的偏心量是徑向跳動的一部分。

6）徑向綜合總偏差（Fi”）

到此為止，我們所敘述的齒形、齒距、齒線精度等，都是評價齒輪單體精度的方法。與此不同的是，還有將齒輪與測量齒輪嚙合后評價齒輪精度的兩齒面嚙合試驗的方法。被測齒輪的左右兩齒面與測量齒輪接觸嚙合，并旋轉一整周。記錄中心距離的變化。下圖是齒數為30的齒輪的試驗結果。單齒徑向綜合偏差的波浪線共有30個。徑向綜合總偏差值大約為徑向跳動偏差與單齒徑向綜合偏差的和。

7）齒輪各種精度之間的關聯

齒輪的各部分精度之間是有關聯的，一般來說，徑向跳動與其它誤差的相關性強，各種齒距誤差間的相關性也很強。

8）高精度齒輪的條件

齒輪計算公式

標準正齒輪的計算（小齒輪①，大齒輪②）

移位正齒輪計算公式（小齒輪①，大齒輪②）

標準螺旋齒的計算公式（齒直角方式）（小齒輪①，大齒輪②）

移位螺旋齒的計算公式（齒直角方式）（小齒輪①，大齒輪②）

小模數齒輪

齒輪行業位于產業鏈中游，其產業鏈上游是毛坯件、鋼材類、刀量具供應商及齒輪加工設備供應商等，下游廣泛應用于電動工具、燃油汽車、新能源汽車、機器人、智能家居、醫療器械、安防等領域。

由于下游行業內主要的客戶為實現專業分工，充分發揮比較優勢，最大限度降低生產成本，齒輪下游行業逐步降低齒輪零部件的自制率，紛紛建立零部件全球采購平臺，向全球內的齒輪生產廠商直接采購齒輪零部件。因此，隨著我國齒輪行業的不斷發展，齒輪行業在產業鏈中的地位愈發重要。高端齒輪產品的龍頭企業具有一定的競爭優勢，利潤水平相對較高。

齒輪行業屬于技術密集型行業，由于其產品的特殊屬性及廣泛的高精度應用場景，產品對性能的要求較高，對于齒輪制造的各個環節都應重點控制。企業只有通過提高工藝技術水平和不斷的研發新技術、新工藝，從加工齒輪的齒輪刀具、裝備、高速干切工藝、檢測等全方面的技術研發才能適應激烈的市場競爭。齒輪加工工藝較為復雜，每一道工序出現問題，都會影響齒輪的最終質量，特別是齒輪刀具、裝備以及精滾、磨齒等加工工藝均是齒輪工藝鏈上的重要環節，上述因素決定了齒輪的質量和成本。

齒輪產品是關鍵通用零部件，小模數齒輪產品已經廣泛應用于電動工具、燃油汽車、新能源汽車、機器人、智能家居、醫療器械、安防等領域，屬于非標準、定制產品。

工藝流程

調質

調質是指一種用以改善鋼鐵材料綜合力學性能的熱處理工藝。即在淬火后再經高溫回火處理。其目的在于使鋼鐵零部件獲得強度與韌性的良好配合，既有較高的強度，又有優良的韌性、塑性、切削性能等

正火

將金屬材料加熱到一定溫度并保溫一定時間，然后出爐在空氣中冷卻，以改善鋼材韌性的熱處理的方法

粗滾

用滾刀按展成法加工直齒、斜齒、人字齒、圓柱齒以及渦輪齒

去毛刺

去除零件面與面相交處所形成的刺狀物或飛邊

熱處理

指材料在固態下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝

拋丸

一種機械方面的表面處理工藝的名稱，為了去除表面氧化皮等雜質提高外觀質量

精鏜孔

對鍛出，鑄出或鉆出孔的進一步加工，鏜孔可擴大孔徑，提高精度，減小表面粗糙度，還可以較好地糾正原來孔軸線的偏斜

磨齒

利用磨齒機對齒輪的輪齒進行磨削加工的過程

齒輪加工行業屬于重資產行業，齒輪生產廠商需購買先進的生產設備，為提升生產效率和產品質量提供保障。同時，齒輪生產廠商需要為質量檢測環節配備先進的檢測設備，保證產品的精度、可靠性與一致性。高標準的產品質量及質量控制體系是獲取新客戶，與客戶建立長期穩定業務合作關系的關鍵因素。

齒輪簡介

齒輪是輪緣上有齒能連續嚙合傳遞運動和動力的機械元件，在機械傳動中有著重要的作用。齒輪模數是用以度量輪齒大小的一個基本參數（齒輪模數=徑向尺寸/齒輪齒數），如果齒輪的齒數一定，模數越大則輪的徑向尺寸也越大。按照模數又可分為小模數、中模數和大模數齒輪。齒輪在電動工具、航空航天、精密機械、汽車、機器人、智能家居、醫療器械、安防、軌道交通中廣泛應用。

齒輪精度

齒輪按照精度來劃分共有13個等級，其中0級是精度最高的齒輪，0-3級主要為標準測量齒輪，4-6級為高精度傳動齒輪，7-8級為普通的傳動齒輪，9-12級為低檔齒輪。齒輪應用領域的不同導致對齒輪的精度要求各異，例如：中高端乘用車的精度要求大多為4-6級；手動變速器、商用車、農機以及工程機械大約為7-8級。

行業技術水平及特點

根據中國機械通用零部件工業協會相關數據，截至2020年末，我國齒輪行業規模以上企業（年產值超過5,000萬元）804家。其中，骨干企業（年產值超過1億元）約100多家，市場競爭充分。國內齒輪行業產品很多還屬于低端，以價格競爭為主，缺乏國際競爭力。行業中存在大量的中小企業，難以在生產上形成規模效應，研究開發投入嚴重不足。

近年來，我國齒輪行業取得了長足的發展和進步，但高端產品目前仍主要由國外企業生產。行業內一部分規模較大的企業，也積極參與國際競爭，提升產品設計研發和加工能力，已具備較強的國際競爭力。

目前，業內領先的小模數齒輪生產企業具有齒坯加工及預熱處理、精鍛成形、粗滾、熱處理、滾齒、檢測和試驗的完整工藝鏈，能夠從原材料開始從源頭直至成品全流程控制產品的質量，從而以精度高、可靠性優、一致性好的產品，持久的成本改善能力以及與下游客戶穩定的合作關系占據競爭優勢。

齒輪行業發展狀況

17世紀末，人們開始研究能正確傳遞運動的輪齒形狀；經過多年的發展，前人不斷完善齒輪的理論原理和加工工藝，目前相關理論已經趨于成熟，齒輪在機械工業中得到了大規模的應用。齒輪行業產品作為通用零部件，廣泛應用于各個領域，行業發展與宏觀經濟的發展保持一致。

我國是齒輪產銷大國，從生產端來看，行業集中度較低。根據中國機械通用零部件工業協會相關數據，截至2020年末，我國齒輪行業規模以上企業（年產值超過5,000萬元）804家。其中，骨干企業（年產值超過1億元）約100多家，發行人屬于齒輪制造骨干企業。

總體來說，齒輪行業的整體創新能力在逐步提升，生產產品正處于從中低端向高端轉變的過程中。從消費端來看，齒輪主要用于電動工具、航空航天、精密機械、汽車、機器人、智能家居、醫療器械、安防、軌道交通等領域。這些裝備對齒輪和齒輪裝置的精度、可靠性、傳動效率、使用壽命的要求越來越高。

2016年-2021年，齒輪行業保持較快穩定增長趨勢，2021年我國齒輪市場規模為3,143億元。未來，我國齒輪行業將繼續保持平穩發展，預計2022年中國齒輪市場規模將達3,354億元。

電動工具行業

1）電動工具行業概況

電動工具作為一種便攜的機械化工具，廣泛應用于建筑、機械、電力、石化、冶金、交通、農業等領域，具有攜帶方便、操作簡單、功能多樣、安全可靠等特點。電動工具應用廣泛，隨著經濟的不斷發展，電動工具的需求量正在逐年增加，市場規模不斷增長。

二十世紀90年代以來，隨著中國制造產業競爭力的提升，中國電動工具制造業也逐漸顯示出強大競爭力。經過二十多年的發展，中國電動工具行業在承接國際產業轉移的過程中不斷發展，已成為國際電動工具市場的主要供應國之一，中國目前已經成為世界上最主要的電動工具生產國和出口國。

電動工具的品種繁多，當前世界上的電動工具已經發展到500多個品種。根據中國國家標準化管理委員會發布的《電動工具型號編制方法（GB/T9088-2008）》，電動工具可分為金屬切削類、砂磨類、裝配類、建筑道路類、林木類、農牧類、園藝類、礦山類以及其他類。近年來，隨著無繩化電動工具的普及和智能化程度的提高，全球電動工具市場規模呈現逐年上升趨勢。

2021年度，更多消費者投入居家生活，電動工具出貨量在2021年呈現爆發式增長，導致產業鏈下游累計了大量的庫存。2022年以來，由于各國政策基本完全放開，導致電動工具需求下滑，行業在消耗庫存的同時也在縮減庫存量，導致行業總體的出貨量下滑嚴重。

根據EVTank估計，2022年全球電動工具出貨量將同比下滑12.6%，市場規模同比下滑10.2%，市場規模將達到571.9億美元。中長期來看，電動工具產業仍具有滲透空間。據Frost&Sullivan數據，預計未來全球電動工具仍將保持5.7%的年復合增長率平穩增長。

2）電動工具行業的發展對齒輪需求的影響

隨著電動工具市場不斷擴大，中國已然成為全球主要的電動工具產品出口國和全球電動工具生產基地，行業發展潛力巨大。為滿足電動工具日益增長的市場需求，目前大批國際知名電動工具生產企業如牧田集團、博世集團、創科集團、美國史丹利百得公司、日立工機等已經或計劃在中國設廠，直接在國內生產電動工具產品，這將相應加大國內配件的采購力度。電動工具齒輪市場的空間將進一步擴大。

通常，齒輪、齒輪箱、精密機械件等產品在電動工具所有零部件成本占比合計約為18%。

根據EVTank預測數據，2022年全球電動工具市場規模將達到571.9億美元。按照5.7%的年復合增長率預計，2025年全球電動工具市場規模將達到675億美元。

全球電動工具產業呈現生產在我國，消費在歐美的特點。2020年，北美、歐洲、亞太及其他地區市場規模分別占比達39.3%、37.5%、17.1%、6.2%。歐洲及北美是全球電動工具最主要的消費市場，中國則是電動工具出口大國，出口率達80%以上。

隨著電動工具市場不斷擴大，中國已然成為全球主要的電動工具產品出口國和全球電動工具生產基地，行業發展潛力巨大。為滿足電動工具日益增長的市場需求，目前大批國際知名電動工具生產企業如牧田集團、博世集團、創科集團、美國史丹利百得公司、日立工機等已經或計劃在中國設廠，直接在國內生產電動工具產品，這將相應加大國內配件的采購力度。電動工具齒輪市場的空間將進一步擴大。因此，電動工具齒輪出口競爭主要集中在國內。

根據中國機械通用零部件工業協會相關數據，我國齒輪行業規模以上企業（年產值超過5,000萬元）804家。其中，骨干企業（年產值超過1億元）約100多家，發行人屬于齒輪行業骨干企業?？傮w來說，國內齒輪行業集中度較低，單個企業占整體市場份額較小，各企業專注于不同的應用領域，不同企業雖然在齒輪產品中有重合之處，但是整體側重點較為明確。

汽車行業

1）汽車行業概況

汽車行業是國民經濟重要的支柱產業，產業鏈長、關聯度高、就業面廣、消費拉動力大、反映了國家的綜合工業水平。隨著發達國家經濟增速放緩和汽車市場飽和，全球汽車市場結構不斷調整，市場需求增長由傳統發達國家轉移到中國、印度、巴西等新興市場國家，帶動了新興國家汽車產業的高速增長和蓬勃發展。根據韓國汽車產業協會發布的《2022年世界汽車生產情況及啟示》報告，2022年全球汽車產量為8,497萬輛，中國汽車產量達到2,702萬輛，2022年中國汽車產量在全球汽車產量占比為31.80%，是全球第一大汽車生產基地。

隨著環保節能觀念的深入人心，發展清潔、高效、可持續發展的新能源汽車技術，開發汽車清潔代用燃料，并實現產業化，成為當前世界汽車產業發展的最大焦點。新能源汽車近年來在世界范圍內得到長足的發展，國內也相應推出了鼓勵新能源汽車產業發展的多項政策措施，新能源汽車的發展勢頭良好，產品逐步得到了市場的認可。當前我國新能源汽車市場以混合動力汽車為主?；旌蟿恿ζ?，一般是指油電混合動力汽車，即采用傳統的內燃機（柴油機或汽油機）和電動機作為動力源，也有的發動機經過改造使用其他替代燃料，例如壓縮天然氣、丙烷和乙醇燃料等。而隨著電池技術的進步，新能源汽車將逐漸往純電動汽車方向發展。

2016-2021年間，新能源汽車續航里程和性能表現逐步升級，各國政府推出扶助政策和激勵措施。根據中信證券研究報告相關數據，2022年全球新能源汽車年銷量達到1,077萬輛，增長率為59.56%。未來，隨著全球部分國家碳排放標準的趨嚴，新能源汽車仍將保持高速增長，預計全球新能源汽車的銷量在2025年增至2,410萬輛。

2）國內新能源汽車市場發展情況

近年來，我國新能源汽車銷量呈現爆發式的增長。截至2018年，我國新能源汽車銷量已達到125.62萬輛，同比增長61.67%。2019至2020年，受中美經貿摩擦、環保標準切換、新能源補貼退坡等因素的影響，我國新能源汽車銷量增速放緩。根據中國汽車工業協會數據，2021年，我國新能源汽車市場回暖，實現強勁增長，年銷量分別為352.05萬輛和688.66萬輛，同比增長157.48%和95.61%。長期來看，新能源汽車是未來汽車行業發展的主要趨勢。2019年12月工信部發布《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》意見稿，規劃2025年新能源汽車銷量占當年汽車總銷量的25%。根據中信證券測算，2025年中國新能源汽車銷量將達到1,560萬輛，年均復合增長率超過30%，新能源汽車市場規模有望達到萬億級別。

3）汽車行業的發展對齒輪需求的影響

汽車齒輪行業作為汽車整車行業的上游行業，是支撐和影響汽車工業發展的核心環節，是汽車行業的基礎和重要組成部分。隨著經濟全球化和產業分工的細化，汽車齒輪行業在汽車工業中的地位越來越重要。汽車齒輪行業中，設計研發和加工能力是核心的競爭力來源。就齒輪而言，齒輪的加工精度是生產和加工能力的關鍵指標，而新能源汽車的增長和普及將對齒輪提出更高的精度要求，這將促使齒輪市場份額向具有國際競爭力的齒輪生產企業集中。

由于石油儲量日趨緊缺和燃油車輛有害排放物成為城市空氣的主要污染源，發展清潔、高效、可持續發展的新能源汽車技術，開發汽車清潔代用燃料，并實現產業化，成為當前世界汽車產業發展的最大焦點。全球新能源汽車消費市場高速增長的趨勢，為國內齒輪制造行業創造了難得的發展契機。

我國齒輪行業得益于堅實的工業基礎和齊全的產業鏈，經過長期的實踐積累，已經具備較強的國際市場競爭能力，可以滿足汽車市場尤其是新能源汽車對齒輪高精度要求。隨著全球主要汽車齒輪及下游廠商的全球化采購和在華投資建廠，外資企業利用自身技術工藝、產品質量、品牌優勢加速布局中國市場，這將帶動產品結構轉型升級，其采購本土化亦為國內齒輪生產企業帶來市場機遇。

與此同時，國內自主品牌汽車的逐漸崛起，也會促進優質配套零部件生產商的培育，齒輪產品作為其中的核心零部件，外包趨勢也越發凸顯，亦面臨重要的發展機遇。

根據中信證券研究報告相關數據，齒輪在汽車中主要應用于動力傳動系統，包括變速器、傳動軸等。傳統燃油車由于變速器結構較為復雜，單車齒輪使用數量約為12-18個，齒輪規格相對較小。新能源汽車由于傳動系統結構較為簡單，單車齒輪使用數量較少，但齒輪規格相對較大。假設2022-2025年全球/國內汽車市場產量同比增速在4%-6%之間，全球齒輪單車價值量為1,200元，國內齒輪單車價值量為900元。2025年，全球汽車齒輪市場規模有望超過1,128億元，國內市場有望達274億元。

機器人行業

近年來，全球機器人領域相關創新機構與科技企業圍繞人工智能、人機協作、多技術融合等領域不斷探索，在倉儲運輸、智能工廠、醫療康復等領域的應用不斷深入，推動機器人成為構建新時代生產力的核心力量。以美國、日本、德國為代表的國家和地區重視推動機器人產業的發展，憑借技術先發優勢、規?；纳a能力、穩定的產品質量和性能，取得了較高的行業集中度和市場份額。其中，工業機器人與服務機器人的應用較為廣泛。

1）工業機器人

根據IFR的分類，工業機器人是指應用于生產過程與環境的機器人，廣泛應用于電子、物流、化工等各個工業領域之中。

近年來，工業機器人行業發展較快。截至2021年，全球工業機器人市場規模達到175億美元。根據《中國機器人產業發展報告（2022年）》，2022年全球機器人市場規模預計將達到195億美元，隨著市場需求的持續釋放以及工業機器人的進一步普及，2024年全球機器人市場規模有望達到230億美元，年均復合增長率為9.54%。

我國工業機器人市場規模處于世界領先地位，但仍有巨大的發展空間。2021年，中國工業機器人市場規模增長至75億美元，同比增長15.6%。當前，我國制造企業數字化、智能化轉型建設步伐日益加快，有力推動了工業機器人市場的快速發展。根據《中國機器人產業發展報告（2022年）》的相關數據，2024年，我國工業機器人市場規模預計將超過110億美元，年均復合增長率超15%。

2）服務機器人

根據IFR的分類，服務機器人是除工業機器人以外的、用于非制造業并服務于人類的各種機器人，分為個人/家用服務機器人及專業（含商用）服務機器人。服務機器人應用場景復雜多樣，可應用在清潔、零售、物流、醫療、教育、安防等眾多行業和場景。隨著人工智能和物聯網技術的不斷發展，醫療、物流、安防領域的服務機器人市場潛力巨大，目前已經成為發展熱點。根據《中國機器人產業發展報告（2022年）》相關數據，2021年度全球服務機器人市場規模已達172億美元，同比增長24.9%，預計到2024年全球機器人市場規模將達到290億美元，年均復合增長率為19.02%。

隨著人口老齡化趨勢加快，以及醫療、公共服務需求的持續旺盛，我國服務機器人存在巨大市場潛力和發展空間，市場規模及總體占比也將持續增長。根據《中國機器人產業發展報告（2022年）》的相關數據，2021年我國服務機器人市場規模為49億美元，同比增長33.4%，高于全球服務機器人市場增速。預計2024年，隨著視覺引導機器人、陪伴服務機器人等新興場景和產品的快速發展，我國服務機器人市場規模有望突破100億美元。

3）機器人行業的發展對減速機需求的影響

減速機是機器人的關鍵傳動部件，也是決定機器人性能與質量的重要因素。減速機是一種應用廣泛的減速傳動裝置，可達到調節輸出軸轉速和扭矩的作用。

按照控制精度，減速機可分為一般傳動減速機和精密減速機：一般傳動減速機控制精度低，可滿足通用機械設備基本的動力傳動需求；精密減速機精度高、使用壽命長、回程間隙小、可靠性高，適用于精密控制需求高的工業機器人、數控機床、航空航天等領域。

機器人產業需求的擴張帶動了減速機的銷量增長。當前機器人領域應用的精密減速機主要依賴進口，價格昂貴、交貨周期長、售后維修保養費用高，制約了我國機器人行業的發展。國產精密減速機在精度與穩定性上不及進口減速機，進口替代率仍處于較低水平。我國中高端機器人減速機大部分市場份額被外資減速機企業壟斷，國產化率不足。近年來，國內部分企業通過技術研發，提升了減速機的性能和穩定性，打破了國外產品的技術壟斷，開始逐步實現進口替代。

減速機在國民經濟各行業應用廣泛，在相關政策文件的大力支持和宏觀經濟的穩步增長的背景下，工業自動化的趨勢和環保、新能源發電等新興行業的發展為減速機行業需求帶來了新的增長點。根據前瞻產業研究院的預計，2021-2026年中國減速機行業市場規模將以5%的增長率增長，2026年市場規模將超過1,600億元。

近年來，全球機器人領域相關創新機構與科技企業圍繞人工智能、人機協作、多技術融合等領域不斷探索。以美國、日本、德國為代表的國家和地區重視推動機器人產業的發展，憑借技術先發優勢、規?；纳a能力、穩定的產品質量和性能，取得了較高的行業集中度和市場份額。受全球經濟下行及貿易摩擦的影響，2019年全球工業機器人市場收縮明顯。但2020年，全球工業機器人市場回暖，市場空間廣闊。美國工業機器人密度雖大幅超出世界平均水平，但與其他發達國家相比還有很大提升空間。未來，美國工業機器人市場仍將有較大的發展空間。

機器人產業需求的擴張帶動了減速機的銷量增長。當前機器人領域應用的精密減速機主要依賴進口，價格昂貴、交貨周期長、售后維修保養費用高，制約了我國機器人行業的發展。國產精密減速機在精度與穩定性上不及進口減速機，進口替代率仍處于較低水平。我國中高端機器人減速機大部分市場份額被外資減速機企業壟斷，國產化率不足。近年來，國內部分企業通過技術研發，提升了減速機的性能和穩定性，打破了國外產品的技術壟斷。

智能家居行業

智能家居是以住宅為平臺，基于物聯網技術，由硬件、軟件系統、云計算平臺構成的家居生態圈，并通過收集、分析用戶行為數據為用戶提供個性化生活服務。隨著物聯網技術應用的普及，智能家居行業蓬勃發展，物聯網智能家居成為了新興前沿研究熱點領域。發行人的小模數齒輪可應用于自動旋轉門、升降床、升降椅等智能家居設備的傳動系統。2016-2021年中國智能家居市場規模由2,608.50億元增至5,800.50億元，年均復合增長率為17.33%，呈現極為迅速的發展態勢。

未來，隨著技術的持續進步和消費者對智能家電需求的釋放，國內滲透率的提升將為智能家居市場增長提供強勁動能。根據國際知名數據分析公司Statista數據，我國智能家居市場規模2025年將達到8,182.77億元，市場增幅速度遠超國際平均水平。

醫療器械行業

醫療器械指直接或間接用于人體的儀器、設備、器具、體外診斷試劑及校準物、材料以及其他類似或者相關物品，主要包括醫院常用醫療器械、家庭醫療康復設備、家庭保健器材等。目前，發行人小模數齒輪產品在醫療器械行業可應用于醫療電動輪椅、升降床等方面。

隨著全球人口自然增長，人口老齡化程度提高，居民生活水平的提高，以及發展中國家經濟增長，長期來看全球范圍內醫療器械市場將持續增長。根據《中國醫療器械藍皮書（2021版）》公布的數據，2020年全球醫療器械市場規模為4,935億美元，同比增長8.96%，市場規模持續擴大。

近年來，我國針對醫療器械行業出臺一系列的利好政策，推動醫療器械行業蓬勃發展?！丁笆濉眹覒鹇孕孕屡d產業發展規劃》明確指出，發展高品質醫學影像設備、先進放射治療設備、康復類醫療器械等醫學裝備，大幅提升醫療設備穩定性、可靠性。國家發展和改革委員會將醫療器械相關設備、醫用材料及服務列入《戰略性新興產品重點產品和服務指導目錄》。

在鼓勵國產、優先國產、采購國產等國家政策的大力支持下，我國醫療器械企業替代進口產品的能力得到了有效提升，我國醫療器械行業迎來了快速發展。隨著我國醫療器械企業技術進步及配套產業鏈的成熟，以及醫改、分級診療、扶持國產設備等國家政策的推動，我國醫療器械行業發展前景廣闊。2020年，我國醫療器械市場規模為7,721億元，同比增長21.76%。根據信達證券的預測，2023年我國醫療器械市場規模將增至10,767億元。

安防行業

安防是隨著現代社會安全需求應運而生的產業，是社會公共安全體系的重要組成部分。安防領域涉及的范圍非常廣泛，包括：入侵報警系統、視頻安防監控系統、出入口控制系統、門禁消防系統、防爆安全檢查系統等；或由這些系統為子系統組合或集成的電子系統或網絡。其中門禁消防系統中的自動門等領域對于精密齒輪有很大的需求。

根據Wind數據統計，2021年我國安防行業總產值達到9,020億元。根據中安協發布的《中國安防行業“十四五”發展規劃（2021-2025年）》，我國“十四五”期間安防市場年均增長率約為7%，2025年我國安防行業市場總額達到1萬億元以上。

行業機遇

國家產業政策、規劃的支持

2020年國務院提出，《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》，以融合創新為重點，突破關鍵核心技術，提升產業基礎能力，構建新型產業生態，完善基礎設施體系，優化產業發展環境，推動我國新能源汽車產業高質量可持續發展。2021年由工信部等15個部門聯合印發了《―十四五‖機器人產業發展規劃》，提出到2025年我國成為全球機器人技術創新策源地、高端制造集聚地和集成應用新高地。―十四五‖期間，我國將推動一批機器人核心技術和高端產品取得突破，整機綜合指標達到國際先進水平，關鍵零部件性能和可靠性達到國際同類產品水平；機器人產業營業收入年均增速超過20%；形成一批具有國際競爭力的領軍企業及一大批創新能力強、成長性好的專精特新―小巨人‖企業。

國家政策大力支持和鼓勵行業發展，將進一步擴大對齒輪的市場需求，推動市場整體產品質量的提升，帶動整個行業由中低端產品競爭轉向高端精密化的品質和服務競爭，促進齒輪行業的良性發展。

2）下游需求增長帶來發展機會

電動工具、燃油汽車、新能源汽車、機器人、智能家居、醫療器械、安防等產業的快速發展，對齒輪形成了強勁的市場需求。此外，物聯網、人工智能、5G等技術的成熟與融合，助力智能家居、車聯網、工業物聯網等新應用場景不斷凸顯，將有助于齒輪制造企業快速地轉型升級，把握住市場機遇和高端產品國產化替代的機會。

3）產業集中度不斷提高，優勢企業快速成長

隨著客戶對企業研發實力、成本控制能力、交貨期限、產品精密度等方面提出更高的要求，需要規模較大、實力強勁的齒輪制造企業為其提供服務，產業集中度日趨提高。在這一過程中，行業優勢企業將利用自身優勢進一步擴大產能，圍繞成本控制、新產品開發、客戶資源等方面展開競爭，加快業務增長。

4）進口替代趨勢

齒輪的設計與制造水平將直接影響到機械產品的性能和質量。近年來，隨著國家相關產業政策的實施，齒輪等核心零部件向高端精密制造方向轉型。汽車、機器人等產業對于高精密齒輪傳動裝置的需求持續增加，對齒輪的精度、可靠性、壽命等方面也提出了更高的要求。強大的產品研發能力、先進的生產設備、精密刀具等要素將為應對上述趨勢提供有力的保障。

隨著我國工業制造的技術升級，國產齒輪逐漸具有精度高、可靠性優、一致性好和性價比高等優點。未來，下游產業的快速發展將進一步加速齒輪產品的國產化研制步伐，加大對國產齒輪的需求，進一步實現進口替代。

行業競爭格局

根據中國機械通用零部件工業協會相關數據，截至2020年末，我國齒輪行業規模以上企業（年產值超過5,000萬元）804家。其中，骨干企業（年產值超過1億元）約100多家，市場化程度較高，國內市場份額也比較分散。行業中存在大量的中小企業，難以在生產上形成規模效應，研究開發投入嚴重不足。

經過多年的發展，一部分企業已經具備一定的經營規模和設計研發能力，加工工藝和產品質量也在逐步提高，初步具備了參與國際市場競爭的要求。行業內龍頭企業已經積極參與國際競爭，憑借較高的技術、質量水平以及先進的管理，打入了相關行業國際知名企業集團的供應商體系。未來齒輪行業企業將進一步形成分化，市場份額將更加向龍頭企業集中。

從競爭格局和方式來看，齒輪生產企業競爭以工藝制造技術、裝備水平、產品質量精度和品牌競爭為主。

目前，業內領先的小模數齒輪生產企業具有齒坯加工及預熱處理、精鍛成形、粗滾、熱處理、滾齒、檢測和試驗的完整工藝鏈，能夠從原材料開始從源頭直至成品全流程控制產品的質量，從而以精度高、可靠性優、一致性好和性價比高的優質產品，持久的成本改善能力以及與下游客戶穩定的合作關系占據競爭優勢。

行業內主要企業有豐立智能、雙環傳動、綠的諧波、中大力德等國內企業，以及美國格里森等國際企業。

豐立智能（301368.SZ）

始建于1995年，榮獲國家級專精特新“小巨人”企業，建有機械工業小模數螺旋錐齒輪工程研究中心、豐立小模數齒輪省級高新技術企業研究開發中心等,主要產品包括鋼齒輪、精密減速器及零部件、精密機械件、粉末冶金制品以及氣動工具等產品。主要產品為小模數齒輪、齒輪箱及零部件、相關精密機械件、粉末冶金制品以及氣動工具，主要應用于電動工具行業。

雙環傳動（002472.SZ）

專注于機械傳動核心部件——齒輪及其組件的研發、制造與銷售，已成為全球最大的專業齒輪產品制造商和服務商之一。產品涵蓋傳統汽車、新能源汽車、軌道交通、非道路機械、工業機器人等多個領域，業務遍布全球。主要產品為機械傳動齒輪，主要應用于汽車行業。

綠的諧波（688017.SH）

從事精密傳動裝置研發、設計和生產。自2003年開始,公司核心團隊從事機器人用精密諧波減速器理論基礎的研究。公司業務聚焦諧波減速器、機電一體化產品、旋轉執行器、數控分度轉臺、無框電機、電液伺服控制器、工業自動化服務等多類產品。主要產品為諧波減速器、機電一體化執行器及精密零部件，主要應用于機器人行業。

中大力德（002896.SZ）

始創于1998年,是一家集電機驅動、微特電機、精密減速器、機器人結構本體及一體化智能執行單元的研發、制造、銷售、服務于一體的國家高新技術企業。公司產品以其差異化和高性價比優勢，主要產品包括精密減速器、傳動行星減速器、各類小型及微型減速電機等，主要應用于機器人行業、智能物流、工作母機等領域以及食品、包裝、紡織、電子、醫療等專用機械設備。

美國格里森（Gleason）

目前，格里森在國內獨資或合資企業主要為格里森齒輪科技（蘇州）有限責任公司，主營齒輪生產設備；常州市格里森前進齒輪有限公司，主營螺旋錐齒輪；天津市格里森高精齒輪有限公司，主營高精度圓柱齒輪、弧齒錐齒輪

審核編輯：湯梓紅