人形機(jī)器人諧波減速器核心部件升級：材料與工藝雙輪驅(qū)動?

精密減速器在人形機(jī)器人的動力傳輸系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，是連接伺服電機(jī)與機(jī)器人關(guān)節(jié)的關(guān)鍵部件。其主要作用是將伺服電機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速、低扭矩的動力，轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速、高扭矩的動力，以滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)對扭矩和轉(zhuǎn)速的需求。

精密減速器包括諧波減速器、RV減速器、擺線針輪行星減速器、精密行星減速器等。隨著移動機(jī)器人部分關(guān)節(jié)因體積、重量等邊界條件限制，需要采用輕量化的技術(shù)路徑，諧波減速器憑借體積小、質(zhì)量小、減速比大、扭矩密度較高、軸向尺寸小等特點(diǎn)以及能在密閉空間、強(qiáng)輻射的工況下正常工作等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛。

諧波減速器由波發(fā)生器、柔輪和鋼輪組成。其中波發(fā)生器為橢圓形，柔輪為具有高抗扭剛性的帶有外齒的薄壁齒輪，鋼輪為帶有內(nèi)齒的剛性環(huán)。波發(fā)生器轉(zhuǎn)動一圈時，柔輪相對于剛輪反向錯位2個齒，因此諧波減速器減速比較高。同時，諧波減速器由于沒有行星減速器和RV減速器的多個齒輪組合，體積相對更小。

諧波減速器結(jié)構(gòu)示意圖 來源：綠的諧波

柔輪作為諧波減速器的核心受力部件，長期承受交變載荷與周期性變形，對材料的綜合性能提出嚴(yán)苛要求。目前行業(yè)主流采用中碳低合金鋼，其中40CrNiMoA、42CrMo、40CrA憑借優(yōu)異的韌性、強(qiáng)度及切削性能成為主流選擇。從力學(xué)性能來看，40CrNiMoA表現(xiàn)最為突出，抗拉強(qiáng)度達(dá)980MPa，屈服強(qiáng)度835MPa，沖擊吸收能78J，能有效保障柔輪在復(fù)雜工況下的使用壽命；42CrMo則以1080MPa的抗拉強(qiáng)度和930MPa的屈服強(qiáng)度適用于高強(qiáng)度場景，而40CrA憑借經(jīng)濟(jì)性在中低負(fù)荷工況中廣泛應(yīng)用。

諧波減速器典型材料 來源：民生證券研究院

在結(jié)構(gòu)與齒形設(shè)計(jì)上，柔輪的優(yōu)化持續(xù)推動性能提升。傳統(tǒng)杯狀、帽狀柔輪因變形一致性差，存在承載能力弱、易產(chǎn)生棘齒現(xiàn)象的弊端，而圓筒型柔輪通過空心圓筒狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整體均勻變形，可增大壁厚與齒高，顯著提升剛度和傳遞扭矩能力。齒廓設(shè)計(jì)則從直線型、漸開線型逐步升級至雙圓弧齒廓，后者通過增加嚙合齒數(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)傳動，有效解決了尖點(diǎn)嚙合與干涉問題，進(jìn)一步強(qiáng)化了承載能力。

常見柔輪類型 來源：《基于圓筒型柔輪的諧波減速器設(shè)計(jì)與分析》

工藝革新方面，精沖技術(shù)的引入為柔輪生產(chǎn)帶來降本增效突破。相較于傳統(tǒng)鍛造工藝的多道成形、周期長、能耗高，精沖技術(shù)通過三向壓應(yīng)力狀態(tài)下的一次成型，可直接獲得尺寸精度高、斷面光潔的零件，無需后續(xù)切削、磨削等工序，不僅減少了精度損失，還能降低設(shè)備投資與人力成本。

精沖工藝示意圖來源：《準(zhǔn)精沖與精沖工藝的優(yōu)劣分析》

剛輪作為與柔輪嚙合傳動的關(guān)鍵部件，摩擦磨損是導(dǎo)致諧波減速器失效的主要原因。由于柔輪采用高強(qiáng)鋼制造且經(jīng)特殊熱處理，其硬度通常比剛輪高出3-7HRC，對剛輪的耐磨性提出極高要求。當(dāng)前國產(chǎn)剛輪主流材料為40Cr、45鋼，特殊場景采用2Cr13不銹鋼。45鋼因切削性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)性突出，適用于普通工況；40Cr淬透性更優(yōu)，經(jīng)調(diào)質(zhì)后可承受中等負(fù)荷；2Cr13不銹鋼具備抗腐蝕優(yōu)勢，但因成本較高、切削性能較差，在民用領(lǐng)域應(yīng)用較少。從性能對比來看，2Cr13不銹鋼硬度最高，但40Cr與45鋼在性價比上更具競爭力。

球墨鑄鐵為剛輪材料帶來輕量化替代方案。相較于傳統(tǒng)合金鋼，球墨鑄鐵具有易切削、自潤滑、耐磨性優(yōu)異的特點(diǎn)，基體中的石墨球可使減重幅度達(dá)5%-10%，同時降低摩擦因數(shù)，減少嚙合過程中的磨損。對比40Cr鋼，球墨鑄鐵磨損后表面光潔度更高，犁溝深度更淺，能有效保障剛輪傳動精度，延長諧波減速器服役壽命。

諧波減速器核心部件的技術(shù)升級，本質(zhì)上是鋼鐵材料性能優(yōu)化與制造工藝革新的協(xié)同推進(jìn)。柔輪領(lǐng)域，精沖技術(shù)相對傳統(tǒng)鍛造工藝降本增效潛力巨大；剛輪領(lǐng)域，球墨鑄鐵憑借輕量化與耐磨性優(yōu)勢，正逐步替代傳統(tǒng)合金鋼。隨著機(jī)器人、自動化裝備等下游行業(yè)的快速發(fā)展，核心部件對材料性能、加工精度的要求將持續(xù)提升。

參考來源:

楊世旭.準(zhǔn)精沖與精沖工藝的優(yōu)劣分析

葉雯莉.基于圓筒型柔輪的諧波減速器設(shè)計(jì)與分析

民生證券《人形機(jī)器人材料需求系列報告之四減速器材料：工藝優(yōu)化正當(dāng)時》