人形机器人齿轮的类型和工艺流程

技术前沿：人形机器人传动——模数齿轮

齿轮的历史

齿轮的历史早在公元前350年，古希腊著名的哲学家亚里士多德在文献中对齿轮有过记录。公元前250年左右，数学家阿基米德也在文献中对使用了涡轮蜗杆的卷扬机进行了说明。在现今伊拉克凯特斯芬遗迹中还保存着公元前的齿轮。

齿轮在我国的历史也源远流长。据史料记载，远在公元前400~200年的中国古代就已开始使用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今已发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。15世纪后半的意大利文艺复兴时期，著名的全才列奧纳多.达芬奇，不仅在文化艺术方面，在齿轮技术史上也留下了不可磨灭的功绩，经过了500年以上，现在的齿轮仍然保留着当时素描的原型。

直到17世纪末，人们才开始研究能正确传递运动的轮齿形状。18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮，一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势。其后又发展了变位齿轮、圆弧齿轮、锥齿轮、斜齿轮等等。

现代齿轮技术已达到：齿轮模数0.004-100毫米；齿轮直径由1毫米到150米；传递功率可达十万千瓦；转速可达十万转/分；最高的圆周速度达300米/秒。

国际上，动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展。特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制是齿轮设计方面的一些特点。

齿轮的类型

齿轮的类型齿轮的种类繁多，其分类方法最通常的是根据齿轮轴性。一般分为平行轴、相交轴及交错轴三种类型。

1）平行轴齿轮：包括正齿轮、斜齿轮、内齿轮、齿条及斜齿条等。

2）相交轴齿轮：有直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮、零度齿锥齿轮等。

3）交错轴齿轮：有交错轴斜齿齿轮、蜗杆蜗轮、准双曲面齿轮等。

上表中所列出的效率为传动效率，不包括轴承及搅拌润滑等的损失。平行轴及相交轴的齿轮副的啮合，基本上是滚动，相对的滑动非常微小，所以效率高。交错轴斜齿轮及蜗杆蜗轮等交错轴齿轮副，因为是通过相对滑动产生旋转以达到动力传动，所以摩擦的影响非常大，与其他齿轮相比传动效率下降。齿轮的效率是齿轮在正常装配状况下的传动效率。如果出现安装不正确的情况，特别是锥齿轮装配距离不正确而导致同锥交点有误差时，其效率会显著下降。

01平行轴齿轮

1）正齿轮

齿线与轴心线为平行方向的圆柱齿轮。因为易于加工，因此在动力传动上使用最为广泛。

2）齿条

与正齿轮啮合的直线齿条状齿轮。可以看成是正齿轮的节圆直径变成无限大时的特殊情况。

3）内齿轮

与正齿轮相啮合在圆环的内侧加工有轮齿的齿轮。主要使用在行星齿轮传动机构及齿轮联轴器等应用上。

4）斜齿齿轮

齿线为螺旋线的圆柱齿轮。因为比正齿轮强度高且运转平稳，被广泛使用。传动时产生轴向推力。

5）斜齿齿条与斜齿齿轮相啮合的条状齿轮。相当于斜齿齿轮的节径变成无限大时的情形。

6）人字齿轮齿线为左旋及右旋的两个斜齿齿轮组合而成的齿轮。有在轴向不产生推力的优点。

02相交轴齿轮

1）直齿锥齿轮齿线与节锥线的母线一致的锥齿轮。在锥齿轮中，属于比较容易制造的类型。所以，作为传动用锥齿轮应用范围广泛。

2）弧齿锥齿轮

齿线为曲线，带有螺旋角的锥齿轮。虽然与直齿锥齿轮相比，制作难度较大，但是作为高强度、低噪音的齿轮使用也很广泛。

3）零度锥齿轮

螺旋角为零度的曲线齿锥齿轮。因为同时具有直齿和曲齿锥齿轮的特征，齿面的受力情形与直齿锥齿轮相同。

03交错轴齿轮

1）圆柱蜗杆副

圆柱蜗杆副是圆柱蜗杆和与之啮合的蜗轮的总称。运转平静及单对即可获得大传动比为其最大的特征，但是有效率低的缺点。

2）交错轴斜齿齿轮

圆柱蜗杆副在交错轴间传动时的名称。可在斜齿齿轮副或斜齿齿轮与正齿轮副的情况下使用。运转虽然平稳，但只适合于使用在轻负荷的情况下。

04其他特殊齿轮

1）面齿轮

可与正齿轮或斜齿齿轮啮合的圆盘状齿轮。在直交轴及交错轴间传动。

2）鼓形蜗杆副

鼓形蜗杆及与之啮合的蜗轮的总称。虽然制造比较困难，但比起圆柱蜗杆副，可以传动大负荷。

3）准双曲面齿轮

在交错轴间传动的圆锥形齿轮。大小齿轮经过偏心加工，与弧齿齿轮相似，啮合原理非常复杂。

齿轮的术语

齿轮有很多齿轮所特有的术语和表现方法，为了使大家能更多的了解齿轮，在此介绍一些经常使用的齿轮基本术语。

1）齿轮各部位的名称

2）表示轮齿的大小的术语是模数

m1、m3、m8…被称为模数1、模数3、模数8。模数是全世界通用的称呼，使用符号m（模数）和数字（毫米〉来表示轮齿的大小，数字越大，轮齿也越大。

另外，在使用英制单位的国家（比如美国），使用符号（径节）及数字（分度圆直径为1英吋时的齿轮的轮齿数）来表示轮齿的大小。比如：DP24、DP8等。还有使用符号（周节）和数字（毫米）来表示轮齿大小的比较特殊的称呼方法，比如CP5、CP10。

模数乘以圆周率即可得到齿距（p），齿距是相邻两齿间的长度。用公式表示就是：p=圆周率x模数=πm。不同模数的轮齿大小对比：

3）压力角

压力角是决定齿轮齿形的参数。即轮齿齿面的倾斜度。压力角（α）一般采用20°。以前，压力角为14.5°的齿轮曾经很普及。

压力角是在齿面的一点（一般是指节点）上，半径线与齿形的切线间所成之角度。如图所示，α为压力角。因为α’=α，所以α’也是压力角。

A齿与B齿的啮合状态从节点看上去时：

A齿在节点上推动B点。这个时候的推动力作用在A齿及B齿的共同法线上。也就是说，共同法线是力的作用方向，亦是承受压力的方向，α则为压力角。

模数（m）、压力角（α）再加上齿数（z）是齿轮的三大基本参数，以此参数为基础计算齿轮各部位尺寸。

4）齿高与齿厚

轮齿的高度由模数（m）来决定。

全齿高h=2.25m（=齿根高+齿顶高）

齿顶高（ha）是从齿顶到分度线的高度。ha=1m。

齿根高（hf）是从齿根到分度线的高度。hf=1.25m。

齿厚（s）的基准是齿距的一半。s=πm/2。

5）齿轮的直径

决定齿轮大小的参数是齿轮的分度圆直径（d）。以分度圆为基准，才能定出齿距、齿厚、齿高、齿顶高、齿根高。

分度圆直径d=zm

齿顶圆直径da=d+2m

齿根圆直径df=d-2.5m

分度圆在实际的齿轮中是无法直接看到的，因为分度圆是为了决定齿轮的大小而假设的圆。

6）中心距与齿隙

一对齿轮的分度圆相切啮合时，中心距是两个分度圆直径的和的一半。

中心距a=（d1+d2）/2

在齿轮的啮合中，要想得到圆滑的啮合效果，齿隙是个重要的因素。齿隙是一对齿轮啮合时齿面间的空隙。

齿轮的齿高方向也有空隙。这个空隙被称为顶隙（Clearance)。顶隙(c)是齿轮的齿根高与相配齿轮的齿顶高之差。

顶隙c=1.25m-1m=0.25m

7）斜齿齿轮

将正齿轮的轮齿螺旋状扭转后的齿轮为斜齿齿轮。正齿轮几何计箅的大部分都可适用于斜齿齿轮。斜齿齿轮，根据其基准面不同有2种方式：

端面（轴直角）基准（端面模数/压力角〉

法面（齿直角）基准（法向模数/压力角〉

端面模数mt和法向模数mn的关系式mt=mn/cosβ

8）螺旋方向与配合

斜齿齿轮、弧齿伞形齿轮等，轮齿呈螺旋状的齿轮，螺旋方向和配合是一定的。螺旋方向是指当齿轮的中心轴指向上下，从正面看上去时，轮齿的方向指向右上的是[右旋]，左上的是[左旋]。各种齿轮的配合如下所示。

常用的渐开线齿形

仅仅在摩擦轮的外周上分割出等分的齿距，装上突起，然后相互啮合转动的话,会出现如下问题：

轮齿的切点产生滑动、切点的移动速度时快时慢、产生振动及噪音

轮齿传动时既要安静又要圆滑，由此，诞生了渐开曲线。

1）什么是渐开线

将一端系有铅笔的线缠在圆筒的外周上，然后在线绷紧的状态下将线渐渐放开。此时，铅笔所画出的曲线即为渐开曲线。圆筒的外周被称为基圆。

2）8齿渐开线齿轮示例

将圆筒8等分后，系上8根铅笔，画出8条渐开曲线。然后，将线向相反方向缠绕，按同样方法画出8条曲线，这就是以渐开曲线作为齿形，齿数为8的齿轮。

3）渐开线齿轮的优点

即使中心距多少有些误差，也可以正确的啮合；

比较容易得到正确的齿形，加工也比较容易；

因为在曲线上滚动啮合，所以，可以圆滑地传递旋转运动；

只要轮齿的大小相同，一个刀具可以加工齿数不同的齿轮；

齿根粗壮，强度高。

4）基圆和分度圆

基圆是形成渐开线齿形的基础圆。分度圆是决定齿轮大小的基准圆。基圆与分度圆是齿轮的重要几何尺寸。渐开线齿形是在基圆的外侧形成的曲线。在基圆上压力角为零度。

5）渐开线齿轮的啮合

两个标准的渐开线齿轮的分度圆在标准的中心距下相切啮合。

两轮啮合时的模样，看上去就像是分度圆直径大小为d1、d2两个摩擦轮（Frictionwheels）在传动。但是，实际上渐开线齿轮的啮合取决于基圆而不是分度圆。

两个齿轮齿形的啮合接触点按P1—P2—P3的顺序在啮合线上移动。请注意驱动齿轮中黄色的轮齿。这个齿开始啮合后的一段时间内，齿轮为两齿啮合（P1、P3）。啮合继续，当啮合点移动到分度圆上的点P2时，啮合轮齿只剩下了一个。啮合继续进行，啮合点移动到点P3时，下一个轮齿开始在P1点啮合，再次形成两齿啮合的状态。就像这样，齿轮的两齿啮合与单齿啮合交互重复传递旋转运动。

基圆的公切线A一B被称为啮合线。齿轮的啮合点都在这条啮合线上。

用一个形象的图来表示，就好像皮带交叉地套在两个基圆的外周上做旋转运动传递动力一样。

齿轮的变位

齿轮的变位分为正变位和负变位。我们通常使用的齿轮的齿廓一般都是标准的渐开线，然而也存在一些情况需要对轮齿进行变位，如调整中心距、防止小齿轮的根切等。

1）齿轮的齿数与形状

渐开线齿形曲线随齿数多少而不同。齿数越多，齿形曲线越趋于直线。随齿数增加，齿根的齿形变厚，轮齿强度增加。

由上图可以看到，齿数为10的齿轮，其轮齿的齿根处部分渐开线齿形被挖去，发生根切现象。但是如果对齿数z=10的齿轮采用正变位，增大齿顶圆直径、增加轮齿的齿厚的话，可以得到与齿数200的齿轮同等程度的齿轮强度。

2）变位齿轮

下图是齿数z=10的齿轮正变位切齿示意图。切齿时，刀具沿半径方向的移动量xm（mm）称为径向变位量〔简称变位量)。

xm=变位量（mm）

x=变位系数

m=模数（mm）

通过正变位的齿形变化。轮齿的齿厚增加，外径（齿顶圆直径〉也变大。齿轮通过采取正变位，可以避免根切（Undercut）的发生。对齿轮实行变位还可以达到其它的目的，如改变中心距，正变位可增加中心距，负变位可减少中心距。

不论是正变位还是负变位齿轮，都对变位量有限制。

3）正变位和负变位

变位有正变位和负变位。虽然齿高相同，但齿厚不同。齿厚变厚的为正变位齿轮，齿厚变薄的为负变位齿轮。

无法改变两个齿轮的中心距时，对小齿轮进行正变位（避免根切），对大齿轮进行负变位，以使中心距相同。这种情况下，变位量的绝对值相等。

4）变位齿轮的啮合

标准齿轮是在各个齿轮的分度圆相切状态下啮合。而经过变位的齿轮的啮合，如图所示，是在啮合节圆上相切啮合。啮合节圆上的压力角称为啮合角。啮合角与分度圆上的压力角（分度圆压力角）不同。啮合角是设计变位齿轮时的重要要素。

6）齿轮变位的作用

可以防止在加工时因为齿数少而产生的根切现象；通过变位可以得到所希望的中心距；在一对齿轮齿数比很大的情况下，对容易产生磨耗的小齿轮进行正变位，使齿厚加厚。相反，对大齿轮进行负变位，使齿厚变薄，以使得两个齿轮的寿命接近。

齿轮精度

齿轮的精度齿轮是传递动力和旋转的机械要素。对于齿轮的性能要求主要有：

更大的动力传递能力、尽可能使用体积小的齿轮、低噪音、正确性。

要想满足如上所述的要求，提高齿轮的精度将成为必须解决的课题。

1）齿轮精度的分类

齿轮的精度大致可以分为三类：

a）渐开线齿形的正确度—齿形精度

b）齿面上齿线的正确度—齿线精度

c）齿/齿槽位置的正确度

轮齿的分度精度—单齿距精度

齿距的正确度—累积齿距精度

夹在两齿轮的测球在半径方向位置的偏差—径向跳动精度

2）齿形误差

3）齿线误差

4）齿距误差

在以齿轮轴为中心的测定圆周上测量齿距值。单齿距偏差（fpt）实际齿距与理论齿距的差。

齿距累积总偏差（Fp）测定全轮齿齿距偏差做出评价。齿距累积偏差曲线的总振幅值为齿距总偏差。

5）径向跳动（Fr）

将测头（球形、圆柱形）相继置于齿槽内，测定测头到齿轮轴线的最大和最小径向距离之差。齿轮轴的偏心量是径向跳动的一部分。

6）径向综合总偏差（Fi”）

到此为止，我们所叙述的齿形、齿距、齿线精度等，都是评价齿轮单体精度的方法。与此不同的是，还有将齿轮与测量齿轮啮合后评价齿轮精度的两齿面啮合试验的方法。被测齿轮的左右两齿面与测量齿轮接触啮合，并旋转一整周。记录中心距离的变化。下图是齿数为30的齿轮的试验结果。单齿径向综合偏差的波浪线共有30个。径向综合总偏差值大约为径向跳动偏差与单齿径向综合偏差的和。

7）齿轮各种精度之间的关联

齿轮的各部分精度之间是有关联的，一般来说，径向跳动与其它误差的相关性强，各种齿距误差间的相关性也很强。

8）高精度齿轮的条件

齿轮计算公式

标准正齿轮的计算（小齿轮①，大齿轮②）

移位正齿轮计算公式（小齿轮①，大齿轮②）

标准螺旋齿的计算公式（齿直角方式）（小齿轮①，大齿轮②）

移位螺旋齿的计算公式（齿直角方式）（小齿轮①，大齿轮②）

小模数齿轮

齿轮行业位于产业链中游，其产业链上游是毛坯件、钢材类、刀量具供应商及齿轮加工设备供应商等，下游广泛应用于电动工具、燃油汽车、新能源汽车、机器人、智能家居、医疗器械、安防等领域。

由于下游行业内主要的客户为实现专业分工，充分发挥比较优势，最大限度降低生产成本，齿轮下游行业逐步降低齿轮零部件的自制率，纷纷建立零部件全球采购平台，向全球内的齿轮生产厂商直接采购齿轮零部件。因此，随着我国齿轮行业的不断发展，齿轮行业在产业链中的地位愈发重要。高端齿轮产品的龙头企业具有一定的竞争优势，利润水平相对较高。

齿轮行业属于技术密集型行业，由于其产品的特殊属性及广泛的高精度应用场景，产品对性能的要求较高，对于齿轮制造的各个环节都应重点控制。企业只有通过提高工艺技术水平和不断的研发新技术、新工艺，从加工齿轮的齿轮刀具、装备、高速干切工艺、检测等全方面的技术研发才能适应激烈的市场竞争。齿轮加工工艺较为复杂，每一道工序出现问题，都会影响齿轮的最终质量，特别是齿轮刀具、装备以及精滚、磨齿等加工工艺均是齿轮工艺链上的重要环节，上述因素决定了齿轮的质量和成本。

齿轮产品是关键通用零部件，小模数齿轮产品已经广泛应用于电动工具、燃油汽车、新能源汽车、机器人、智能家居、医疗器械、安防等领域，属于非标准、定制产品。

工艺流程

调质

调质是指一种用以改善钢铁材料综合力学性能的热处理工艺。即在淬火后再经高温回火处理。其目的在于使钢铁零部件获得强度与韧性的良好配合，既有较高的强度，又有优良的韧性、塑性、切削性能等

正火

将金属材料加热到一定温度并保温一定时间，然后出炉在空气中冷却，以改善钢材韧性的热处理的方法

粗滚

用滚刀按展成法加工直齿、斜齿、人字齿、圆柱齿以及涡轮齿

去毛刺

去除零件面与面相交处所形成的刺状物或飞边

热处理

指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺

抛丸

一种机械方面的表面处理工艺的名称，为了去除表面氧化皮等杂质提高外观质量

精镗孔

对锻出，铸出或钻出孔的进一步加工，镗孔可扩大孔径，提高精度，减小表面粗糙度，还可以较好地纠正原来孔轴线的偏斜

磨齿

利用磨齿机对齿轮的轮齿进行磨削加工的过程

齿轮加工行业属于重资产行业，齿轮生产厂商需购买先进的生产设备，为提升生产效率和产品质量提供保障。同时，齿轮生产厂商需要为质量检测环节配备先进的检测设备，保证产品的精度、可靠性与一致性。高标准的产品质量及质量控制体系是获取新客户，与客户建立长期稳定业务合作关系的关键因素。

齿轮简介

齿轮是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件，在机械传动中有着重要的作用。齿轮模数是用以度量轮齿大小的一个基本参数（齿轮模数=径向尺寸/齿轮齿数），如果齿轮的齿数一定，模数越大则轮的径向尺寸也越大。按照模数又可分为小模数、中模数和大模数齿轮。齿轮在电动工具、航空航天、精密机械、汽车、机器人、智能家居、医疗器械、安防、轨道交通中广泛应用。

齿轮精度

齿轮按照精度来划分共有13个等级，其中0级是精度最高的齿轮，0-3级主要为标准测量齿轮，4-6级为高精度传动齿轮，7-8级为普通的传动齿轮，9-12级为低档齿轮。齿轮应用领域的不同导致对齿轮的精度要求各异，例如：中高端乘用车的精度要求大多为4-6级；手动变速器、商用车、农机以及工程机械大约为7-8级。

行业技术水平及特点

根据中国机械通用零部件工业协会相关数据，截至2020年末，我国齿轮行业规模以上企业（年产值超过5,000万元）804家。其中，骨干企业（年产值超过1亿元）约100多家，市场竞争充分。国内齿轮行业产品很多还属于低端，以价格竞争为主，缺乏国际竞争力。行业中存在大量的中小企业，难以在生产上形成规模效应，研究开发投入严重不足。

近年来，我国齿轮行业取得了长足的发展和进步，但高端产品目前仍主要由国外企业生产。行业内一部分规模较大的企业，也积极参与国际竞争，提升产品设计研发和加工能力，已具备较强的国际竞争力。

目前，业内领先的小模数齿轮生产企业具有齿坯加工及预热处理、精锻成形、粗滚、热处理、滚齿、检测和试验的完整工艺链，能够从原材料开始从源头直至成品全流程控制产品的质量，从而以精度高、可靠性优、一致性好的产品，持久的成本改善能力以及与下游客户稳定的合作关系占据竞争优势。

齿轮行业发展状况

17世纪末，人们开始研究能正确传递运动的轮齿形状；经过多年的发展，前人不断完善齿轮的理论原理和加工工艺，目前相关理论已经趋于成熟，齿轮在机械工业中得到了大规模的应用。齿轮行业产品作为通用零部件，广泛应用于各个领域，行业发展与宏观经济的发展保持一致。

我国是齿轮产销大国，从生产端来看，行业集中度较低。根据中国机械通用零部件工业协会相关数据，截至2020年末，我国齿轮行业规模以上企业（年产值超过5,000万元）804家。其中，骨干企业（年产值超过1亿元）约100多家，发行人属于齿轮制造骨干企业。

总体来说，齿轮行业的整体创新能力在逐步提升，生产产品正处于从中低端向高端转变的过程中。从消费端来看，齿轮主要用于电动工具、航空航天、精密机械、汽车、机器人、智能家居、医疗器械、安防、轨道交通等领域。这些装备对齿轮和齿轮装置的精度、可靠性、传动效率、使用寿命的要求越来越高。

2016年-2021年，齿轮行业保持较快稳定增长趋势，2021年我国齿轮市场规模为3,143亿元。未来，我国齿轮行业将继续保持平稳发展，预计2022年中国齿轮市场规模将达3,354亿元。

电动工具行业

1）电动工具行业概况

电动工具作为一种便携的机械化工具，广泛应用于建筑、机械、电力、石化、冶金、交通、农业等领域，具有携带方便、操作简单、功能多样、安全可靠等特点。电动工具应用广泛，随着经济的不断发展，电动工具的需求量正在逐年增加，市场规模不断增长。

二十世纪90年代以来，随着中国制造产业竞争力的提升，中国电动工具制造业也逐渐显示出强大竞争力。经过二十多年的发展，中国电动工具行业在承接国际产业转移的过程中不断发展，已成为国际电动工具市场的主要供应国之一，中国目前已经成为世界上最主要的电动工具生产国和出口国。

电动工具的品种繁多，当前世界上的电动工具已经发展到500多个品种。根据中国国家标准化管理委员会发布的《电动工具型号编制方法（GB/T9088-2008）》，电动工具可分为金属切削类、砂磨类、装配类、建筑道路类、林木类、农牧类、园艺类、矿山类以及其他类。近年来，随着无绳化电动工具的普及和智能化程度的提高，全球电动工具市场规模呈现逐年上升趋势。

2021年度，更多消费者投入居家生活，电动工具出货量在2021年呈现爆发式增长，导致产业链下游累计了大量的库存。2022年以来，由于各国政策基本完全放开，导致电动工具需求下滑，行业在消耗库存的同时也在缩减库存量，导致行业总体的出货量下滑严重。

根据EVTank估计，2022年全球电动工具出货量将同比下滑12.6%，市场规模同比下滑10.2%，市场规模将达到571.9亿美元。中长期来看，电动工具产业仍具有渗透空间。据Frost&Sullivan数据，预计未来全球电动工具仍将保持5.7%的年复合增长率平稳增长。

2）电动工具行业的发展对齿轮需求的影响

随着电动工具市场不断扩大，中国已然成为全球主要的电动工具产品出口国和全球电动工具生产基地，行业发展潜力巨大。为满足电动工具日益增长的市场需求，目前大批国际知名电动工具生产企业如牧田集团、博世集团、创科集团、美国史丹利百得公司、日立工机等已经或计划在中国设厂，直接在国内生产电动工具产品，这将相应加大国内配件的采购力度。电动工具齿轮市场的空间将进一步扩大。

通常，齿轮、齿轮箱、精密机械件等产品在电动工具所有零部件成本占比合计约为18%。

根据EVTank预测数据，2022年全球电动工具市场规模将达到571.9亿美元。按照5.7%的年复合增长率预计，2025年全球电动工具市场规模将达到675亿美元。

全球电动工具产业呈现生产在我国，消费在欧美的特点。2020年，北美、欧洲、亚太及其他地区市场规模分别占比达39.3%、37.5%、17.1%、6.2%。欧洲及北美是全球电动工具最主要的消费市场，中国则是电动工具出口大国，出口率达80%以上。

随着电动工具市场不断扩大，中国已然成为全球主要的电动工具产品出口国和全球电动工具生产基地，行业发展潜力巨大。为满足电动工具日益增长的市场需求，目前大批国际知名电动工具生产企业如牧田集团、博世集团、创科集团、美国史丹利百得公司、日立工机等已经或计划在中国设厂，直接在国内生产电动工具产品，这将相应加大国内配件的采购力度。电动工具齿轮市场的空间将进一步扩大。因此，电动工具齿轮出口竞争主要集中在国内。

根据中国机械通用零部件工业协会相关数据，我国齿轮行业规模以上企业（年产值超过5,000万元）804家。其中，骨干企业（年产值超过1亿元）约100多家，发行人属于齿轮行业骨干企业。总体来说，国内齿轮行业集中度较低，单个企业占整体市场份额较小，各企业专注于不同的应用领域，不同企业虽然在齿轮产品中有重合之处，但是整体侧重点较为明确。

汽车行业

1）汽车行业概况

汽车行业是国民经济重要的支柱产业，产业链长、关联度高、就业面广、消费拉动力大、反映了国家的综合工业水平。随着发达国家经济增速放缓和汽车市场饱和，全球汽车市场结构不断调整，市场需求增长由传统发达国家转移到中国、印度、巴西等新兴市场国家，带动了新兴国家汽车产业的高速增长和蓬勃发展。根据韩国汽车产业协会发布的《2022年世界汽车生产情况及启示》报告，2022年全球汽车产量为8,497万辆，中国汽车产量达到2,702万辆，2022年中国汽车产量在全球汽车产量占比为31.80%，是全球第一大汽车生产基地。

随着环保节能观念的深入人心，发展清洁、高效、可持续发展的新能源汽车技术，开发汽车清洁代用燃料，并实现产业化，成为当前世界汽车产业发展的最大焦点。新能源汽车近年来在世界范围内得到长足的发展，国内也相应推出了鼓励新能源汽车产业发展的多项政策措施，新能源汽车的发展势头良好，产品逐步得到了市场的认可。当前我国新能源汽车市场以混合动力汽车为主。混合动力汽车，一般是指油电混合动力汽车，即采用传统的内燃机（柴油机或汽油机）和电动机作为动力源，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。而随着电池技术的进步，新能源汽车将逐渐往纯电动汽车方向发展。

2016-2021年间，新能源汽车续航里程和性能表现逐步升级，各国政府推出扶助政策和激励措施。根据中信证券研究报告相关数据，2022年全球新能源汽车年销量达到1,077万辆，增长率为59.56%。未来，随着全球部分国家碳排放标准的趋严，新能源汽车仍将保持高速增长，预计全球新能源汽车的销量在2025年增至2,410万辆。

2）国内新能源汽车市场发展情况

近年来，我国新能源汽车销量呈现爆发式的增长。截至2018年，我国新能源汽车销量已达到125.62万辆，同比增长61.67%。2019至2020年，受中美经贸摩擦、环保标准切换、新能源补贴退坡等因素的影响，我国新能源汽车销量增速放缓。根据中国汽车工业协会数据，2021年，我国新能源汽车市场回暖，实现强劲增长，年销量分别为352.05万辆和688.66万辆，同比增长157.48%和95.61%。长期来看，新能源汽车是未来汽车行业发展的主要趋势。2019年12月工信部发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》意见稿，规划2025年新能源汽车销量占当年汽车总销量的25%。根据中信证券测算，2025年中国新能源汽车销量将达到1,560万辆，年均复合增长率超过30%，新能源汽车市场规模有望达到万亿级别。

3）汽车行业的发展对齿轮需求的影响

汽车齿轮行业作为汽车整车行业的上游行业，是支撑和影响汽车工业发展的核心环节，是汽车行业的基础和重要组成部分。随着经济全球化和产业分工的细化，汽车齿轮行业在汽车工业中的地位越来越重要。汽车齿轮行业中，设计研发和加工能力是核心的竞争力来源。就齿轮而言，齿轮的加工精度是生产和加工能力的关键指标，而新能源汽车的增长和普及将对齿轮提出更高的精度要求，这将促使齿轮市场份额向具有国际竞争力的齿轮生产企业集中。

由于石油储量日趋紧缺和燃油车辆有害排放物成为城市空气的主要污染源，发展清洁、高效、可持续发展的新能源汽车技术，开发汽车清洁代用燃料，并实现产业化，成为当前世界汽车产业发展的最大焦点。全球新能源汽车消费市场高速增长的趋势，为国内齿轮制造行业创造了难得的发展契机。

我国齿轮行业得益于坚实的工业基础和齐全的产业链，经过长期的实践积累，已经具备较强的国际市场竞争能力，可以满足汽车市场尤其是新能源汽车对齿轮高精度要求。随着全球主要汽车齿轮及下游厂商的全球化采购和在华投资建厂，外资企业利用自身技术工艺、产品质量、品牌优势加速布局中国市场，这将带动产品结构转型升级，其采购本土化亦为国内齿轮生产企业带来市场机遇。

与此同时，国内自主品牌汽车的逐渐崛起，也会促进优质配套零部件生产商的培育，齿轮产品作为其中的核心零部件，外包趋势也越发凸显，亦面临重要的发展机遇。

根据中信证券研究报告相关数据，齿轮在汽车中主要应用于动力传动系统，包括变速器、传动轴等。传统燃油车由于变速器结构较为复杂，单车齿轮使用数量约为12-18个，齿轮规格相对较小。新能源汽车由于传动系统结构较为简单，单车齿轮使用数量较少，但齿轮规格相对较大。假设2022-2025年全球/国内汽车市场产量同比增速在4%-6%之间，全球齿轮单车价值量为1,200元，国内齿轮单车价值量为900元。2025年，全球汽车齿轮市场规模有望超过1,128亿元，国内市场有望达274亿元。

机器人行业

近年来，全球机器人领域相关创新机构与科技企业围绕人工智能、人机协作、多技术融合等领域不断探索，在仓储运输、智能工厂、医疗康复等领域的应用不断深入，推动机器人成为构建新时代生产力的核心力量。以美国、日本、德国为代表的国家和地区重视推动机器人产业的发展，凭借技术先发优势、规模化的生产能力、稳定的产品质量和性能，取得了较高的行业集中度和市场份额。其中，工业机器人与服务机器人的应用较为广泛。

1）工业机器人

根据IFR的分类，工业机器人是指应用于生产过程与环境的机器人，广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中。

近年来，工业机器人行业发展较快。截至2021年，全球工业机器人市场规模达到175亿美元。根据《中国机器人产业发展报告（2022年）》，2022年全球机器人市场规模预计将达到195亿美元，随着市场需求的持续释放以及工业机器人的进一步普及，2024年全球机器人市场规模有望达到230亿美元，年均复合增长率为9.54%。

我国工业机器人市场规模处于世界领先地位，但仍有巨大的发展空间。2021年，中国工业机器人市场规模增长至75亿美元，同比增长15.6%。当前，我国制造企业数字化、智能化转型建设步伐日益加快，有力推动了工业机器人市场的快速发展。根据《中国机器人产业发展报告（2022年）》的相关数据，2024年，我国工业机器人市场规模预计将超过110亿美元，年均复合增长率超15%。

2）服务机器人

根据IFR的分类，服务机器人是除工业机器人以外的、用于非制造业并服务于人类的各种机器人，分为个人/家用服务机器人及专业（含商用）服务机器人。服务机器人应用场景复杂多样，可应用在清洁、零售、物流、医疗、教育、安防等众多行业和场景。随着人工智能和物联网技术的不断发展，医疗、物流、安防领域的服务机器人市场潜力巨大，目前已经成为发展热点。根据《中国机器人产业发展报告（2022年）》相关数据，2021年度全球服务机器人市场规模已达172亿美元，同比增长24.9%，预计到2024年全球机器人市场规模将达到290亿美元，年均复合增长率为19.02%。

随着人口老龄化趋势加快，以及医疗、公共服务需求的持续旺盛，我国服务机器人存在巨大市场潜力和发展空间，市场规模及总体占比也将持续增长。根据《中国机器人产业发展报告（2022年）》的相关数据，2021年我国服务机器人市场规模为49亿美元，同比增长33.4%，高于全球服务机器人市场增速。预计2024年，随着视觉引导机器人、陪伴服务机器人等新兴场景和产品的快速发展，我国服务机器人市场规模有望突破100亿美元。

3）机器人行业的发展对减速机需求的影响

减速机是机器人的关键传动部件，也是决定机器人性能与质量的重要因素。减速机是一种应用广泛的减速传动装置，可达到调节输出轴转速和扭矩的作用。

按照控制精度，减速机可分为一般传动减速机和精密减速机：一般传动减速机控制精度低，可满足通用机械设备基本的动力传动需求；精密减速机精度高、使用寿命长、回程间隙小、可靠性高，适用于精密控制需求高的工业机器人、数控机床、航空航天等领域。

机器人产业需求的扩张带动了减速机的销量增长。当前机器人领域应用的精密减速机主要依赖进口，价格昂贵、交货周期长、售后维修保养费用高，制约了我国机器人行业的发展。国产精密减速机在精度与稳定性上不及进口减速机，进口替代率仍处于较低水平。我国中高端机器人减速机大部分市场份额被外资减速机企业垄断，国产化率不足。近年来，国内部分企业通过技术研发，提升了减速机的性能和稳定性，打破了国外产品的技术垄断，开始逐步实现进口替代。

减速机在国民经济各行业应用广泛，在相关政策文件的大力支持和宏观经济的稳步增长的背景下，工业自动化的趋势和环保、新能源发电等新兴行业的发展为减速机行业需求带来了新的增长点。根据前瞻产业研究院的预计，2021-2026年中国减速机行业市场规模将以5%的增长率增长，2026年市场规模将超过1,600亿元。

近年来，全球机器人领域相关创新机构与科技企业围绕人工智能、人机协作、多技术融合等领域不断探索。以美国、日本、德国为代表的国家和地区重视推动机器人产业的发展，凭借技术先发优势、规模化的生产能力、稳定的产品质量和性能，取得了较高的行业集中度和市场份额。受全球经济下行及贸易摩擦的影响，2019年全球工业机器人市场收缩明显。但2020年，全球工业机器人市场回暖，市场空间广阔。美国工业机器人密度虽大幅超出世界平均水平，但与其他发达国家相比还有很大提升空间。未来，美国工业机器人市场仍将有较大的发展空间。

机器人产业需求的扩张带动了减速机的销量增长。当前机器人领域应用的精密减速机主要依赖进口，价格昂贵、交货周期长、售后维修保养费用高，制约了我国机器人行业的发展。国产精密减速机在精度与稳定性上不及进口减速机，进口替代率仍处于较低水平。我国中高端机器人减速机大部分市场份额被外资减速机企业垄断，国产化率不足。近年来，国内部分企业通过技术研发，提升了减速机的性能和稳定性，打破了国外产品的技术垄断。

智能家居行业

智能家居是以住宅为平台，基于物联网技术，由硬件、软件系统、云计算平台构成的家居生态圈，并通过收集、分析用户行为数据为用户提供个性化生活服务。随着物联网技术应用的普及，智能家居行业蓬勃发展，物联网智能家居成为了新兴前沿研究热点领域。发行人的小模数齿轮可应用于自动旋转门、升降床、升降椅等智能家居设备的传动系统。2016-2021年中国智能家居市场规模由2,608.50亿元增至5,800.50亿元，年均复合增长率为17.33%，呈现极为迅速的发展态势。

未来，随着技术的持续进步和消费者对智能家电需求的释放，国内渗透率的提升将为智能家居市场增长提供强劲动能。根据国际知名数据分析公司Statista数据，我国智能家居市场规模2025年将达到8,182.77亿元，市场增幅速度远超国际平均水平。

医疗器械行业

医疗器械指直接或间接用于人体的仪器、设备、器具、体外诊断试剂及校准物、材料以及其他类似或者相关物品，主要包括医院常用医疗器械、家庭医疗康复设备、家庭保健器材等。目前，发行人小模数齿轮产品在医疗器械行业可应用于医疗电动轮椅、升降床等方面。

随着全球人口自然增长，人口老龄化程度提高，居民生活水平的提高，以及发展中国家经济增长，长期来看全球范围内医疗器械市场将持续增长。根据《中国医疗器械蓝皮书（2021版）》公布的数据，2020年全球医疗器械市场规模为4,935亿美元，同比增长8.96%，市场规模持续扩大。

近年来，我国针对医疗器械行业出台一系列的利好政策，推动医疗器械行业蓬勃发展。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》明确指出，发展高品质医学影像设备、先进放射治疗设备、康复类医疗器械等医学装备，大幅提升医疗设备稳定性、可靠性。国家发展和改革委员会将医疗器械相关设备、医用材料及服务列入《战略性新兴产品重点产品和服务指导目录》。

在鼓励国产、优先国产、采购国产等国家政策的大力支持下，我国医疗器械企业替代进口产品的能力得到了有效提升，我国医疗器械行业迎来了快速发展。随着我国医疗器械企业技术进步及配套产业链的成熟，以及医改、分级诊疗、扶持国产设备等国家政策的推动，我国医疗器械行业发展前景广阔。2020年，我国医疗器械市场规模为7,721亿元，同比增长21.76%。根据信达证券的预测，2023年我国医疗器械市场规模将增至10,767亿元。

安防行业

安防是随着现代社会安全需求应运而生的产业，是社会公共安全体系的重要组成部分。安防领域涉及的范围非常广泛，包括：入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统、门禁消防系统、防爆安全检查系统等；或由这些系统为子系统组合或集成的电子系统或网络。其中门禁消防系统中的自动门等领域对于精密齿轮有很大的需求。

根据Wind数据统计，2021年我国安防行业总产值达到9,020亿元。根据中安协发布的《中国安防行业“十四五”发展规划（2021-2025年）》，我国“十四五”期间安防市场年均增长率约为7%，2025年我国安防行业市场总额达到1万亿元以上。

行业机遇

国家产业政策、规划的支持

2020年国务院提出，《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，以融合创新为重点，突破关键核心技术，提升产业基础能力，构建新型产业生态，完善基础设施体系，优化产业发展环境，推动我国新能源汽车产业高质量可持续发展。2021年由工信部等15个部门联合印发了《―十四五‖机器人产业发展规划》，提出到2025年我国成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地。―十四五‖期间，我国将推动一批机器人核心技术和高端产品取得突破，整机综合指标达到国际先进水平，关键零部件性能和可靠性达到国际同类产品水平；机器人产业营业收入年均增速超过20%；形成一批具有国际竞争力的领军企业及一大批创新能力强、成长性好的专精特新―小巨人‖企业。

国家政策大力支持和鼓励行业发展，将进一步扩大对齿轮的市场需求，推动市场整体产品质量的提升，带动整个行业由中低端产品竞争转向高端精密化的品质和服务竞争，促进齿轮行业的良性发展。

2）下游需求增长带来发展机会

电动工具、燃油汽车、新能源汽车、机器人、智能家居、医疗器械、安防等产业的快速发展，对齿轮形成了强劲的市场需求。此外，物联网、人工智能、5G等技术的成熟与融合，助力智能家居、车联网、工业物联网等新应用场景不断凸显，将有助于齿轮制造企业快速地转型升级，把握住市场机遇和高端产品国产化替代的机会。

3）产业集中度不断提高，优势企业快速成长

随着客户对企业研发实力、成本控制能力、交货期限、产品精密度等方面提出更高的要求，需要规模较大、实力强劲的齿轮制造企业为其提供服务，产业集中度日趋提高。在这一过程中，行业优势企业将利用自身优势进一步扩大产能，围绕成本控制、新产品开发、客户资源等方面展开竞争，加快业务增长。

4）进口替代趋势

齿轮的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。近年来，随着国家相关产业政策的实施，齿轮等核心零部件向高端精密制造方向转型。汽车、机器人等产业对于高精密齿轮传动装置的需求持续增加，对齿轮的精度、可靠性、寿命等方面也提出了更高的要求。强大的产品研发能力、先进的生产设备、精密刀具等要素将为应对上述趋势提供有力的保障。

随着我国工业制造的技术升级，国产齿轮逐渐具有精度高、可靠性优、一致性好和性价比高等优点。未来，下游产业的快速发展将进一步加速齿轮产品的国产化研制步伐，加大对国产齿轮的需求，进一步实现进口替代。

行业竞争格局

根据中国机械通用零部件工业协会相关数据，截至2020年末，我国齿轮行业规模以上企业（年产值超过5,000万元）804家。其中，骨干企业（年产值超过1亿元）约100多家，市场化程度较高，国内市场份额也比较分散。行业中存在大量的中小企业，难以在生产上形成规模效应，研究开发投入严重不足。

经过多年的发展，一部分企业已经具备一定的经营规模和设计研发能力，加工工艺和产品质量也在逐步提高，初步具备了参与国际市场竞争的要求。行业内龙头企业已经积极参与国际竞争，凭借较高的技术、质量水平以及先进的管理，打入了相关行业国际知名企业集团的供应商体系。未来齿轮行业企业将进一步形成分化，市场份额将更加向龙头企业集中。

从竞争格局和方式来看，齿轮生产企业竞争以工艺制造技术、装备水平、产品质量精度和品牌竞争为主。

目前，业内领先的小模数齿轮生产企业具有齿坯加工及预热处理、精锻成形、粗滚、热处理、滚齿、检测和试验的完整工艺链，能够从原材料开始从源头直至成品全流程控制产品的质量，从而以精度高、可靠性优、一致性好和性价比高的优质产品，持久的成本改善能力以及与下游客户稳定的合作关系占据竞争优势。

行业内主要企业有丰立智能、双环传动、绿的谐波、中大力德等国内企业，以及美国格里森等国际企业。

丰立智能（301368.SZ）

始建于1995年，荣获国家级专精特新“小巨人”企业，建有机械工业小模数螺旋锥齿轮工程研究中心、丰立小模数齿轮省级高新技术企业研究开发中心等,主要产品包括钢齿轮、精密减速器及零部件、精密机械件、粉末冶金制品以及气动工具等产品。主要产品为小模数齿轮、齿轮箱及零部件、相关精密机械件、粉末冶金制品以及气动工具，主要应用于电动工具行业。

双环传动（002472.SZ）

专注于机械传动核心部件——齿轮及其组件的研发、制造与销售，已成为全球最大的专业齿轮产品制造商和服务商之一。产品涵盖传统汽车、新能源汽车、轨道交通、非道路机械、工业机器人等多个领域，业务遍布全球。主要产品为机械传动齿轮，主要应用于汽车行业。

绿的谐波（688017.SH）

从事精密传动装置研发、设计和生产。自2003年开始,公司核心团队从事机器人用精密谐波减速器理论基础的研究。公司业务聚焦谐波减速器、机电一体化产品、旋转执行器、数控分度转台、无框电机、电液伺服控制器、工业自动化服务等多类产品。主要产品为谐波减速器、机电一体化执行器及精密零部件，主要应用于机器人行业。

中大力德（002896.SZ）

始创于1998年,是一家集电机驱动、微特电机、精密减速器、机器人结构本体及一体化智能执行单元的研发、制造、销售、服务于一体的国家高新技术企业。公司产品以其差异化和高性价比优势，主要产品包括精密减速器、传动行星减速器、各类小型及微型减速电机等，主要应用于机器人行业、智能物流、工作母机等领域以及食品、包装、纺织、电子、医疗等专用机械设备。

美国格里森（Gleason）

目前，格里森在国内独资或合资企业主要为格里森齿轮科技（苏州）有限责任公司，主营齿轮生产设备；常州市格里森前进齿轮有限公司，主营螺旋锥齿轮；天津市格里森高精齿轮有限公司，主营高精度圆柱齿轮、弧齿锥齿轮

审核编辑：汤梓红