减速器简介：定义、分类及性能 指标
减速器定义：传动系统重要部件，是实现降速增距的关键
减速器是连接动力源和执行结构的中间结构。减速器是由多个齿轮组成的常用传动零部件，其通过不同大 小齿轮的啮合传递动力，从而降低驱动设备的转速并提供更高的扭矩输出和承载能力。
传动系统是机械设备重要环节，减速器是传动系统降速增矩关键部件。 1）机械设备一般由动力、传动与执行三大系统构成，随着现代机械向机电一体化、精密化、自动化、智能 化等方向发展，传动系统已成为设备实现机械功能的关键。 2）减速器是传动系统降速增矩的重要部件。机械设备通常通过电机带动设备运转，但电机额定转速不能得 到完全使用，通过减速器即可实现降低转速、增加扭矩的目的。此外，减速器还具有减少运动机构的惯量、 锁止机构等作用，被广泛应用于化工机械、农业机械、精密机床、机器人等领域。
减速器常用性能指标
减速器常用的性能指标包括：减速比、输出扭矩、传动精度、背隙、传 动效率等。
1）减速比： ①定义：瞬时输入速度与输出速度的比值，是衡量减速器减速性能的指标。 减速比越大，降低的转速越多，输出的速度越慢，增加的扭矩越大。 ②决定因素：由相互啮合的齿轮间的不同齿数决定。 ③公式：a.定义公式：减速比=输入速度/输出速度 b.齿轮系公式：减速比=从动轮齿数/主动轮齿数 ④其他说明：按照传动级数不同，减速器可分为单级减速器和多级减速器。 多级减速器的传动比等于每个单级传动比相乘之积。
2）输出扭矩： ①定义：输出轴上产生的扭矩大小，是衡量电机动力输出大小的指标。输 出扭矩越大，减速器可驱动的负载越大。同体积减速器实现的输出扭矩越 大，其能量密度越大。 ②决定因素：减速器的设计、齿轮传动比、输入功率和输入转速等。 ③公式：T=9550*P/n。P是电机的额定（输出）功率，单位是千瓦（KW）； n是额定转速，单位是转每分 (r/min)。扭矩通常以牛顿·米（Nm）作为 单位表示。（常数9550是为了将功率单位从瓦特和转速单位从rpm转换为 扭矩单位牛顿·米而引入的。这个常数在计算中起到单位换算的作用。）
3）传动精度： ①定义：工作状态下，输入轴单向旋转时，输出轴的实际转角与相对理论转角的接近程度，是对减速器质量 的评估。传动精度越高，减速器越能准确地控制输出转速与扭矩。 ②决定因素：设计（如齿轮间隙）、加工（如齿轮加工精度）、组装（啮合传动误差）、润滑和使用环境等。 ③其他说明：精密工作场景下（如机床加工、精密仪器）的精度要求较高。
4）背隙： ①定义：将输出端固定，输入端顺时针和逆时针方向旋转，使输入端产生额定扭矩+/-2%扭矩时，减速机输入 端产生的微小角位移，是影响减速器精度的一个重要因素。背隙也称回差或回转间隙，其数值越小，减速器 的精度越高。 ②决定因素：加工和装配误差、传动元件松动、弹性变形等。 ③单位：弧分（arcmin），1度=60弧分，1弧分=60弧秒。
5）传动效率： ①定义：输出功率与输入功率的比值，是对减速器功率转换效率的评估。传动效率越高，减速器在输入功率 与输出功率之间的损失越小，其能源利用率越高。 ②决定因素：轴承、齿轮和密封件等部件的质量；传动链的摩擦和间隙；温、湿度是否合适；是否定期润滑 等。
精密减速器分类与比较：按结构 分为行星、RV、谐波三大类
精密减速器：乘机器人发展东风，广泛应用于机器人关节驱动
精密减速器定义与分类。1）精密减速器是一种高端设备传动装置，可以提供更高的控制精度，匹配适当的转速并传递所需的转矩， 对于机器人等高精度设备尤为重要，根据不同的构造和传动方式，可分为行星、RV、谐波等类型。 2）行星减速器：精密行星减速器结构简单且传动效率高，多安装在伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩， 精确定位,其常被用于机器人中对精度要求低的部分身体旋转关节。 3）RV减速器：RV减速器的名称来源于旋转矢量（Rotary Vector）减速器的简称，最早由日本发明，用于 实现高扭矩输出和高精度的旋转运动，通常适用于机器人基座、大臂、肩部等重负载的位置。 4）谐波减速器：谐波减速器由于其体积小、重量轻，结构简单紧凑，传动精度高，更适合应用于3C、半导 体、医疗器械等行业的工业机器人之中，主要适用于机器人小臂、腕部、手部等部件。
精密减速器零部件加工工艺概述
热处理阶段：通过加热、保温和冷却，来获得预期组织和性能的过程，主要分为预备热处理、最终热 处理两个阶段。 1)加工设备：高、中、低温炉(综合选用)、普通氮化炉(氮化处理)。 2)预备热处理阶段：对毛坯进行正火和调质热处理（退火和淬火），回火后提高齿圈刚度、硬度和耐磨 性，消除粗加工应力，使工件具备综合机械性能。 3)最终热处理阶段：采用齿圈整体氮化，通过氮原子扩散改变表面力学性能和理化性质，且氮化过程温 度较低，渗氮后的变形很小，可满足零部件的加工要求。
装配阶段：将各个零部件按照设计要求组装在一起，并进行调试和校准，最终形成完整的减速器系统 的过程。 1)测试和校准：测试包括空载测试、负载测试、振动测试等，以验证减速器的性能和可靠性；如果减速 器设计允许，可进行必要校准，如齿轮啮合间隙、轴向间隙等的调整，以优化性能。 2)润滑和防腐处理：在装配过程中进行适当的润滑，确保齿轮、轴承等摩擦部位良好润滑。同时进行防 腐处理，增强零部件的耐腐蚀性。
RV减速器：扭矩输出高，设计精密、承载力强
RV减速器构造：RV减速器由第一级渐开线行星传动和第二级摆线行星传动组合而成，其常被应用于多关节 机器人机座、大臂、肩部等重负载的位置。承载能力强、高刚度，但成本高、体积大，适用于重负载场景。
RV减速器运行原理： 1）一级减速装置（行星齿轮结构）：①输入齿轮（太阳轮）与电机同步旋转，带动2-3个行星轮。行星轮由 于齿数较多且形状较大，其转动慢于输入轴，实现第一级减速。②一级减速比=行星齿轮数/太阳齿轮数 2）二级减速装置（RV齿轮传动）： ①曲柄轴上的偏心部分与滚针轴承相连接，通过滚针轴承装入第一个RV 齿轮，RV齿轮（摆线轮）在凸轮的带动下随曲柄轴做圆周摆动。②滚针轴承上同时有第二个RV齿轮，前后两 者的相位差须为180度，用于抵消径向跳动，进而实现RV齿轮之间的交错圆周摆动。③外壳内侧有与RV齿轮齿 距相等的针齿，其齿数比RV轮齿数多一个。曲柄轴旋转一圈，RV齿轮在针齿的作用下做一圈偏心运动，实现 第二级减速。 ④二级减速比=针齿壳齿数/（针齿壳齿数-RV齿轮齿数），总减速比=一级减速比*二级减速比。
谐波减速器：设计紧凑轻巧，减速比大、传动精度高
谐波减速器构造:谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三大零部件组成。谐波减速器运行原理: 1)谐波减速器通过柔轮变形产生的周期性波动来实现刚轮轮齿与柔轮轮齿之间的少齿差内啮合，从而完成 运动与动力的传递。 2)当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮齿轮插入刚轮的轮齿 槽内，成为完全啮合状态，而短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态，当波发生器连续转动时，迫使 柔轮不断产生变形并产生了错齿运动，从而实现波发生器与柔轮的运动传递。
竞争格局：海外品牌垄断特 征显著，国产替代加速
全球市场：海外品牌垄断特征显著
全球精密减速器行业格局，呈现海外品牌强垄断特征。全球RV、谐波减速器日系品牌垄断，行星减速器 德系品牌较强。从品类看，2022年全球行星减速器市场赛威传动、纽卡特、威腾斯坦三大品牌合计市占率 达36%，2020年纳博特斯克在全球RV减速器市占率为61%，2020年哈默纳科在谐波减速器市占率为82%。
全球行业格局成因：先发优势+壁垒高筑
复盘哈默纳科成长史：工业机器人产业驱动，自身产品持续升级构筑行业高壁垒。 1955年，美国发明家C.W Musser发明谐波齿轮传动机构（Strain wave gearing），并以此名称取得专 利。1964年，哈默纳科前身长谷川齿轮株式会社与拥有谐波专利的美国USM公司进行技术合作，引进谐 波齿轮传动技术。1970年，两企业共同出资在东京成立了Harmonic Drive Systems Inc.，汉译哈默纳 科，将谐波传动技术正式商业化。 工业机器人产业发展是公司业务规模增长的主要驱动。谐波减速器由于独有的结构特征所具有的运动精 度高、传动比大、体积小、重量轻等优点，使其在工业机器人领域得到广泛应用。1980s以来，工业机 器人产业发展迅速成为哈默纳科营收成长牵引力，哈默纳科历史营收增速与全球工业机器人安装量增速 具有一定相关性。截至2022年，哈默纳科营业收入按用途划分，工业机器人占比达49.5%，其后为半导 体制造设备、电机制造设备、工作机械及平板显示器制造设备等，占比分别为17.5%、4.9%、3.9%、 2.6%。
行星减速器：行业格局分散，国产品牌性能已达国际前沿水平
发展历史：在三大类精密减速器中开发时间最早。19世纪80年代德国出现第一个行星齿轮传导装置的专 利。20世纪20年代，首次量产行星齿轮传动装置；我国从20世纪60年代起开始研制应用行星减速器。 国内头部企业发展历程：普遍创立于20世纪初。①中大力德：2006年正式成立，2008年生产出伺服用精 密行星减速器，2011年生产出国内第一款伺服用斜齿轮高精度行星减速器；②纽氏达特：成立于2006年， 2022年年产销近60万套精密行星减速机；③科峰智能：实控人最早于2004年创立湖北行星进行行星减速器 研发，2010年正式创立科峰智能，2016年行星减速器投产。 我国是全球行星减速器的主要市场，但中高端产品仍主要依赖进口。2022年全球行星减速器销售金额为 12亿美元，其中中国境内厂家销售额为5亿美元，约占41.6%。2023年，我国行星减速器进口额为2.5亿美元， 进口需求相对较大，进出口均价存在明显差距（进口均价285.1美元/个，出口均价12.8美元/个）。
精密减速器在人形机器人的 应用：选型方案各异，影响 关节性能
精密减速器是人形机器人关节的核心硬件，选型方案各异
关节，类似于人类肌肉的伸缩、牵引，是用来控制电机的一种控制器，为机器人的运动系统提供着强劲 动力（本文主要聚焦最常见的电驱关节）。 ①基本硬件构成：主要有电机、控制板、减速器、位置传感器。它们通过执行接收到的通信信号控制输出 端的旋转角度，不管是什么样的产品类型和力矩大小，这四种基本组成都不可缺少，是机器人实现灵活运 动的关键所在； ②数量：人形机器人通常有15-70个关节。一般成年人的骨头有206块，大的关节有78个，而仿人机器人模 拟人类的关节和骨骼架构，通常有15-70个关节。仿人机器人通常头部有1-3个关节，手臂有4-7个关节，腿 部有6-7个关节，手部有2-13个关节。
Optimus：旋转关节为电机+谐波减速器+位置/力矩传感器+离合器
Optimus共采用3款共14个旋转关节：应用于包括腕部、肩部、腰部、髋部4个位置，涉及3类型号①小型 号扭矩20Nm，重量0.55kg；②中型号扭矩11Nm，重量1.62kg；③大型号扭矩180Nm，重量2.26kg。 Optimus旋转关节采用电机+谐波减速器+位置/力矩传感器+离合器设计方案。每一款旋转执行器都包含了 永磁体（电机）、非接触力矩传感器、谐波减速器、交叉滚子轴承、角接触球球轴承、机械离合器、输入/ 输出位置传感器。预计特斯拉Optimus旋转执行器采用的是刚性驱动器方案，关节处逐步添加离合器等弹性 元件，有助于提升整体关节的安全性，使人形机器人的动作更加柔顺。
精密减速器材料/结构创新： 人形机器人成为重要引擎
材料变革：连铸球铁带来低成本、轻量化的产业变革，有望大放异彩
乘机器人发展之东风，各头部减速器厂商积极寻求成本更低、性能更优异的核心材料以获取成本优势，强 化自身技术优势，抢占市场份额。工信部2023年11月2日印发《人形机器人创新发展指导意见》，其中对人 形机器人整机明确提出开发低成本交互型产品的要求，加速人形机器人低成本部署应用；明确提出“机器 体”需突破轻量化骨骼、高强度本体结构的要求。
结构改型：人形机器人部分关节载荷较大，有望应用类RV减速器
RV减速器耐重载、抗冲击性更强，适用于较大载荷的作业场景。相较于谐波减速器，RV减速器一方面具 备更高的减速比，另一方面由于内部为刚性结构，所以呈现出抗冲击、大体积、大重量的特点。一般来看， RV减速器在大负载工业机器人中的应用较多。 人形机器人部分关节载荷较大，有望应用类似RV减速器的产品。通常来看，人形机器人腰部、髋部等位 置受力较大，在搬运等负载场景中，谐波减速器不能匹配应用需求，未来有望使用类RV减速器匹配相应场 景。
报告节选：
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
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