人形機器人諧波減速器核心部件升級：材料與工藝雙輪驅動?

精密減速器在人形機器人的動力傳輸系統中扮演著至關重要的角色，是連接伺服電機與機器人關節的關鍵部件。其主要作用是將伺服電機輸出的高轉速、低扭矩的動力，轉換為低轉速、高扭矩的動力，以滿足機器人關節對扭矩和轉速的需求。

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。隨著移動機器人部分關節因體積、重量等邊界條件限制，需要采用輕量化的技術路徑，諧波減速器憑借體積小、質量小、減速比大、扭矩密度較高、軸向尺寸小等特點以及能在密閉空間、強輻射的工況下正常工作等優點應用廣泛。

諧波減速器由波發生器、柔輪和鋼輪組成。其中波發生器為橢圓形，柔輪為具有高抗扭剛性的帶有外齒的薄壁齒輪，鋼輪為帶有內齒的剛性環。波發生器轉動一圈時，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。

諧波減速器結構示意圖 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苛要求。目前行業主流采用中碳低合金鋼，其中40CrNiMoA、42CrMo、40CrA憑借優異的韌性、強度及切削性能成為主流選擇。從力學性能來看，40CrNiMoA表現最為突出，抗拉強度達980MPa，屈服強度835MPa，沖擊吸收能78J，能有效保障柔輪在復雜工況下的使用壽命；42CrMo則以1080MPa的抗拉強度和930MPa的屈服強度適用于高強度場景，而40CrA憑借經濟性在中低負荷工況中廣泛應用。

諧波減速器典型材料 來源：民生證券研究院

在結構與齒形設計上，柔輪的優化持續推動性能提升。傳統杯狀、帽狀柔輪因變形一致性差，存在承載能力弱、易產生棘齒現象的弊端，而圓筒型柔輪通過空心圓筒狀結構實現整體均勻變形，可增大壁厚與齒高，顯著提升剛度和傳遞扭矩能力。齒廓設計則從直線型、漸開線型逐步升級至雙圓弧齒廓，后者通過增加嚙合齒數實現連續平穩傳動，有效解決了尖點嚙合與干涉問題，進一步強化了承載能力。

常見柔輪類型 來源：《基于圓筒型柔輪的諧波減速器設計與分析》

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

精沖工藝示意圖來源：《準精沖與精沖工藝的優劣分析》

剛輪作為與柔輪嚙合傳動的關鍵部件，摩擦磨損是導致諧波減速器失效的主要原因。由于柔輪采用高強鋼制造且經特殊熱處理，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。當前國產剛輪主流材料為40Cr、45鋼，特殊場景采用2Cr13不銹鋼。45鋼因切削性能優異、經濟性突出，適用于普通工況；40Cr淬透性更優，經調質后可承受中等負荷；2Cr13不銹鋼具備抗腐蝕優勢，但因成本較高、切削性能較差，在民用領域應用較少。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。相較于傳統合金鋼，球墨鑄鐵具有易切削、自潤滑、耐磨性優異的特點，基體中的石墨球可使減重幅度達5%-10%，同時降低摩擦因數，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升級，本質上是鋼鐵材料性能優化與制造工藝革新的協同推進。柔輪領域，精沖技術相對傳統鍛造工藝降本增效潛力巨大；剛輪領域，球墨鑄鐵憑借輕量化與耐磨性優勢，正逐步替代傳統合金鋼。隨著機器人、自動化裝備等下游行業的快速發展，核心部件對材料性能、加工精度的要求將持續提升。

參考來源:

楊世旭.準精沖與精沖工藝的優劣分析

葉雯莉.基于圓筒型柔輪的諧波減速器設計與分析

民生證券《人形機器人材料需求系列報告之四減速器材料：工藝優化正當時》