机器人vs汽车系列报告（四）：丝杠迎汽车+机器人双轮驱动，国产替代打开千亿市场空间

投资逻辑 滚珠/柱丝杠主要性能指标为精度保持性及疲劳寿命，受到加工工艺影响。滚珠/柱丝杠可以化旋转运动为直线运动，化滑动摩擦为滚动摩擦，因此提高了传动效率。滚珠/柱丝杠的主要性能指标为精度保持性及疲劳寿命，加工工序包括淬火、粗磨、精磨等，常用加工工艺包括砂轮磨削、车削、旋风铣等，其中主要由淬火、磨削环节决定性能差异。 汽车智能化渗透率提升，促进滚珠丝杠应用，未来车端市场空间有望超百亿元。车中滚珠丝杠应用主要为：1）转向：REPS采用滚珠丝杠，输出的推力可达16KN（DP-EPS最大推力为12KN）。2）驻车制动：目前市场EPB制动钳主要采用螺纹、滚珠丝杆两种传动，其中滚珠丝杠效率高、寿命长、运动平稳等，但成本较高。未来随着国内企业的技术突破，有望带动渗透率提升。3）行车制动：one box及EMB产品都会使用滚珠丝杠，未来渗透率提升将促进滚柱丝杠的应用。4）其他：滚珠丝杠在座椅、移门、高端减震系统也有望使用。整体看，未来汽车用滚珠丝杠单车价值量有望达1000元，车端滚珠丝杠市场有望超百亿元。若考虑座椅、移门、悬挂等领域的使用+为了安全冗余，备用部件也使用滚珠丝杠，那么滚珠丝杠的单车价值量将会更高。 人形机器人打开滚珠/柱丝杠发展空间，未来空间或超800亿元。与滚珠丝杠相比，滚柱丝杠在承载能力、传动精度、轴向刚度、速度及加速度等方面具备优势。人形机器人使用的反向式行星滚柱丝杠，因为其螺母更长，可以用更小的扭矩实现更大的负载，且占用体积更小。根据特斯拉AIDay2022信息，特斯拉人形机器人下肢腿部将采用无框电机与行星滚柱丝杠的线性执行器。在假设特斯拉单个人形机器人需4个滚珠丝杠+10个行星滚柱丝杠，全球人口约82亿人，机器人渗透率12台/万人的情况下，测算得机器人贡献滚珠丝杠、行星滚柱丝杠应用空间有望超800亿元。 目前市场基本被外资企业占据，国产替代主要难点在于精加工工艺及磨削设备购买。目前汽车用滚珠丝杠多为国外企业供应：1）转向：多采用舍弗勒、NSK、上银科技等企业；2）线控制动：以博世自制为主。国内厂家的产品在质量稳定性、精度保持性、疲劳寿命等方面还有差距，差距来源于：1）材料端：目前国外厂商采用合金钢，国内轴承钢在配方、除杂上有所差距；2）工艺端：淬火方面，国内滚珠丝杠在热处理加工中存在淬硬层浅、硬度分布不合理、耐磨性差等缺点；螺母磨削方面，人形机器人采用的反向式行星滚柱丝杠需要加工的螺纹线较长，且单螺母需磨削5道螺纹线，加工周期长，生产节拍低，成本较高；3）设备端：国产设备相对落后，进口的单台磨削设备价值千万元以上。 汽车用滚珠丝杠领域已开启国产替代，快于机器人领域。丝杠精度等级要求从高到底排序为：机床、机器人、汽车。 汽车领域：五洲新春、新剑传动、宁波慈兴、长盛轴承等已具备车用丝杠的量产能力，其中前两家公司已开始批量销售，长盛轴承预计今年内拿到主机厂定点；机器人领域：秦川机床、新剑传动、恒立液压、贝斯特、鼎智科技等正在布局，其中秦川机床、新剑传动已实现批量销售，其他三家在研，未来有望突破技术壁垒，实现国产替代。 投资建议与估值 智能汽车渗透率提升，促进丝杠应用+人形机器人打开丝杠需求，未来市场空间有望达千亿元。目前国内企业刚起步，未来国产替代空间广阔。国内部分企业已开启汽车用滚珠丝杠国产替代，建议关注五洲新春、新剑传动等；部分企业已布局行星滚柱丝杠，有望应用于机器人，建议关注秦川机床、新剑传动、恒立液压、贝斯特。 风险提示 人形机器人落地不及预期；人形机器人销量不及预期；行业竞争格局恶化；国内企业技术突破进度不及预期；技术方案存在不确定性。 一、滚珠/柱丝杠：化旋转运动为直线运动，热处理、磨削环节决定性能差异 滚珠/柱丝杠主要作用在于化旋转运动为直线运动，化滑动摩擦为滚动摩擦。滚珠丝杠副（以下均简称滚珠丝杠）是由滚珠丝杠、滚珠螺母和滚珠组成的部件，它可以将旋转运动转变为直线运动，也可将直线运动转变为旋转运动。相对传统的滑动摩擦，滚珠丝杠因为滚珠的存在变为了滚动摩擦，大大提高了传动效率。在机器人应用方面，滚珠丝杠的主要作用是控制机器人的运动轨迹和姿态。 图表1：梯形丝杠（利用滑动摩擦） 图表2：滚珠丝杠结构图（利用滚动摩擦） 根据郑红《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，滚珠丝杠从加工工艺角度划分为磨削滚珠丝杠和冷轧滚珠丝杠两大类，磨削滚珠丝杠是按照基准统一原则，以两端中心孔为加工工艺工序基准，通过热处理、车削、磨削等几十道工序逐一完成，也可简单分为粗加工（主要是热处理、粗磨）及精加工（主要是精磨），制造精度高达到P1级，非常适合给高精度设备做定位部件。 热处理、磨削环节决定性能差异。滚珠丝杠副的精度保持性及疲劳寿命是至关重要的两项验收指标，丝杠的表面硬度、耐磨性及螺距精度等级是影响以上两种验收指标的关键所在。 其中材料及热处理工艺决定丝杠表面硬度、耐磨性，而磨削工艺及加工设备决定螺距精度。 图表3：磨削滚珠丝杠机械加工工艺过程 热处理：根据郑红《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，滚珠丝杆材料常常选用GCr15高碳铬轴承钢，轴承钢经过淬火加低温回火后具有硬度高、组织均匀、耐磨性强、接触疲劳强度高的优点，但轴承钢材料塑性一般，切削性能中等，焊接性能差，有回火脆性，所以磨削滚珠丝杆粗加工之前要对轴承钢材料进行预先热处理，通过球化退火把GCr15材料中的碳化物球化，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物组织，降低材料组织硬度，提高材料塑性机能，改善材料金属切削机加工性能。 加工方式：根据郑红《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，磨削滚珠丝杠加工常用方法有：砂轮磨削、硬车削、旋风铣削。 （1）砂轮磨削：精度最高，用于精度要求较高的精加工，生产效率较低。按砂轮截面形状不同分单线头砂轮磨削和多线头砂轮磨削两种，以单线头砂轮磨削为例，其能达到的螺距精度为5～6级，表面粗糙度为Ra1.25～0.1微米，砂轮修整较方便。这种方法适于磨削精密丝杠、螺纹量规、蜗杆、小批量的螺纹工件和铲磨精密滚刀。 但这种工艺方法经磁力探伤检测后，会发现在滚珠丝杠滚道的圆弧上，有沿着轴线方向的或网状的裂纹，可以通过“小磨量多次进给”的工艺方法，或采用“磨--工作滚道表面温度稳定--磨”的技术方法解决，最大幅度降低滚珠丝杆工作滚道表面的磨削应力及磨削热量，最大程度避免磨削裂纹或烧伤现象的产生。 （2）硬车削：用于粗加工及精度要求较低的精加工，生产效率高。硬车削是指把淬硬材料的车削作为粗加工或最终加工、精加工的新技术新工艺，回避了使用磨削加工技术。硬车削通常采用高转速、大切深，金属切除效率是磨削加工的3倍多；硬车削加工时一次装夹即可完成零件多个表面的加工（比如车外圆、车内孔、车槽等），而磨削加工需要多次安装才能完成，会产生二次安装误差；硬车削产生的热能一半以上被切屑带走，不会产生像磨削加工那样的表面裂纹与烧伤，所以硬车削可使工件获得良好的加工精度与表面粗糙度，能够保证形位公差技术要求（比如圆度、位置精度）。 （3）旋风铣：用于粗加工及精度要求较低的精加工，生产效率最高。滚珠丝杠工作滚道粗加工还可以采用旋风铣，旋风铣是在数控车床上配套安装高速铣削螺纹动力头,用装在高速旋转刀盘上的硬质合金成型刀具，从工件上铣削出螺纹的加工方法，旋风铣一刀成型，采用压缩空气排屑冷却，而且无需加工螺纹退刀槽，解决了退刀槽部位的应力集中缺陷。 图表4：砂轮磨削、硬车削、旋风铣削三种粗加工工艺对比 冷轧滚珠丝杠效率高，精度低。采用冷加工工艺模具制造，开模工艺自动化程度高，批量生产后成本低，效率高，但制造精度不甚理想，总停留在P7级左右，只能在设备中做传动部件。采用硬车削大余量加工淬硬钢工艺简单效率高，可选择CBN高硬刀具，适合的加工硬度范围为HRC45-79，省去了退火淬火热处理工艺，避免了退火后再二次淬火的弊端，解决了采用砂轮进行大余量磨削加工的工艺难题。目前低精度丝杠主要采用轧制工艺。 图表5：冷轧滚珠丝杠机械加工工艺过程 二、滚珠丝杠：受益于汽车智能化渗透率提升，单车价值量上千 转向：当前以EPS为主流，其中R-EPS采用滚珠丝杠。转向系统当前以EPS为主流。转向系统发展经历了机械转向系统、液压助力转向系统（HPS）、电动助力转向系统（EPS）、电子液压助力转向系统（EHPS）、线控转向系统（SBW）等多个阶段，逐步实现从机械件到电动化再到智能化。目前，液压助力转向系统（HPS）和电子液压助力转向系统（EHPS）广泛应用于商用车，电动助力转向（EPS）则大量地运用于乘用车上。 图表6：不同转向系统对比 根据王虎《汽车电动助力转向系统选型研究》，电动助力转向系统根据电机位置不同和减速机构的差异，大致可以分为六种类型：管柱式电动助力转向系统（C-EPS）、单小齿轮式电动助力转向系统（P-EPS）、双小齿轮式电动助力转向系统（DP-EPS）、齿条式电动助力转向系统（R-EPS）、线控式电动助力转向系统和轮边电机式电动助力转向系统。其中以C-EPS、DP-EPS、R-EPS使用相对广泛。 （1）C-EPS：价格便宜、空间布置容易，工作环境良好；但电机工作噪音传递明显，受齿轮承载能力限制不易实现大助力，适用车型为紧凑型、小型车； （2）DP-EPS：工作噪音小，价格适宜，助力响应速度快，可实现大助力；但电机工作环境恶劣，密封要求严格，受周边环境影响空间布置困难，适用车型为中型、中大型车； （3）R-EPS：工作噪音小，助力响应速度快，可实现更大助力；但价格昂贵、减速机构结构复杂、空间布置难度大，适用车型为中大型、大型车。 R-EPS采用滚珠丝杠，输出的推力更大。电机越靠近转向器，助力传动效率越高，因而电动助力转向系统中C-EPS、DP-EPS到R-EPS转向性能依次提升，前两者的减速机构都采用蜗轮蜗杆形式，R-EPS则是由电机通过带式减速机构后经滚珠丝杠副带动齿条轴进行传动，其输出的齿条推力达9-16KN，显著高于DP-EPS。 R-EPS在汽车转向中渗透率有望逐步提升，从而带动滚珠丝杠在转向上的应用。随着新能源车续航里程不断提升，车身重量也随之增加，需要扭矩推力更大的R-EPS。因此随着新能源车占比逐步提升，REPS在汽车转向中渗透率有望加速，从而带动滚珠丝杠在转向上的应用。 图表7：各类EPS对比 驻车：EPB用滚珠丝杠副用于中高档汽车电子驻车系统。 根据《汽车电子驻车制动系统（EPB）驻车力研究》，EPB驱动部件包括电动机、减速机构和驻车制动器组成。当驾驶员按动电子驻车制动系统按钮时，电子驻车制动系统控制模块接到来自按钮的信号，控制模块会向执行机构的电动机施加电流让其转动。电动机释放的转矩通过减速增扭机构将电机的速度减少、扭矩增大，然后通过输出轴螺纹副或滚珠丝杠副将电动制动单元输出的扭矩转化为直线推力，从而推动制动活塞运动将推力转化为制动块压紧至制动盘上的压力，进而完成实现车辆减少或驻车制动。 目前市场EPB制动钳主要采用两种传动方式，一种是螺纹传动，另一种是滚珠丝杆转动； 这两种均属于螺旋转动，由螺杆与螺母组成，是通过螺杆和螺母的旋合传递运动和动力的。 它主要是将旋转运动变成直线运动，以较小的转矩得到很大的推力。 与传统螺纹传动相比，使用滚珠丝杠的EPB具备效率高、寿命长、运动平稳等优势。螺纹传动的特点是：结构简单，加工方便；易自锁；螺纹有侧向间隙，反向时有空行程，定位精度和轴向刚度较差；摩擦阻力大，传动效率低；磨损快；滚珠丝杆传动的特点是：摩擦阻力小，传动效率高；结构较复杂，制造工艺要求高，成本较高；运动平稳，启动时无振动；寿命长；不自锁，要求自锁时需附加自锁装置。 EPB用滚珠丝杠副用于中高档汽车电子驻车系统。EPB用滚珠丝杠副结构与常规滚珠丝杠副不同，该特殊结构保证其拥有更强的承载能力，在电子制动过程中，卡钳电机通过丝杆花键带动丝杆旋转，丝母的轴向运动为驻车系统提供制动力。EPB用滚珠丝杠副是电子驻车系统中的核心传动部件，质量关乎整套电子驻车系统的性能。目前仅有大陆