汽车行业丝杠方法论：如何看待齿轮和轮毂轴承厂商在丝杠赛道的竞争优势？

分析师：林子健 SAC编号：S1050523090001 行业深度报告 证券研究报告 丝杠方法论 如何看待齿轮和轮毂轴承厂商在丝杠赛道的竞争优势？ 投资评级：推荐（维持） 报告日期：2024年07月30日 行星滚柱丝杠是人形机器人优质细分赛道，国产替代前景广阔 以特斯拉Optimus为例，单台人形机器人需要14个行星滚柱丝杠，单价约2,000元/个，单台价值量在2.8万元以上。横向对比机器人其他部件，行星滚柱丝杠占人形机器人价值量较高，盈利能力位居前列。主要原因在于丝杠、螺母和滚柱的加工精度决定丝杠整体传动精度，高精度、传动效率、寿命要求使得行星滚柱丝杠的螺纹加工工艺壁垒极高，精密行星滚柱丝杠市场被国外所垄断，国产化率低。随着未来磨削、硬车等工艺趋于成熟，行星滚柱丝杠制造成本有进一步下探空间。 行星滚柱丝杠壁垒有三，分别在于设计、内螺纹加工和生产设备 壁垒一：行星滚柱丝杠副服役性能取决于其螺纹牙齿形及行星齿轮的设计，丝杠设计对厂商研发能力要求较高。行星滚柱丝杠副的传动性能与丝杠-滚柱、滚柱-螺母间啮合点位置及轴向间隙大小有关，而啮合点位置和轴向间隙大小取决于螺纹牙形。为加工出高精度、性能优越的行星滚柱丝杠副，需要根据啮合传动原理并考虑丝杠副啮合特性来设计出合理的螺纹副及齿轮副结构参数。 壁垒二：行星滚柱丝杠最大加工难点在于内螺纹，目前高精度内螺纹加工方式仍以磨削为主。在进行反向式行星滚柱丝杠螺母这种大长径比内螺纹磨削时，砂轮磨杆呈细长悬臂状态，极易发生由砂轮磨杆弱刚度特性引起的颤振问题，严重影响加工精度和加工效率。大螺旋角磨削工件十分困难，对厂商加工技术、磨床要求很高，并且需要在专用磨床上进行。 壁垒三：丝杠加工需要专用设备，国外磨床进口难度大、交付周期长。我国在高档数控机床行业面临“卡脖子”的难题，数控磨床核心部件主要包括数控系统、主轴、丝杆、线轨等，目前国内各核心部件技术距离国际水平存在一定差距。欧洲、日本是高端磨床主要产地，对中国采取出口限制措施。目前国产丝杠螺纹磨床精度已跟上，且设备价格较国外低很多，量产阶段国产设备可满足大规模磨床需求。 齿轮厂商的优势在于丝杠设计，轴承厂商优势在于内螺纹磨削 从丝杠设计角度看：齿轮设计的底层逻辑和丝杠相同。齿轮传动的设计分齿形设计、齿轮设计、结构设计和系统设计。齿轮传动的核心在轮齿，轮齿有一定的形状或者是由特殊的曲面构成的，并且齿形设计的理论基础是啮合理论，这一点与丝杠基本相同。 从内螺纹加工角度来看：轮毂轴承单元生产过程同样是将各个零部件加工集成的过程，其核心加工工艺与丝杠工艺类似。轮毂轴承中钢球的加工质量对轴承振动影响最明显，其次是套圈的加工质量，最主要影响因素是钢球和套圈的圆度、波纹度、表面粗糙度、表面磕碰伤等，轮毂轴承单元零部件质量要求高。轮毂轴承单元的滚珠、内圈、外圈、轴轮与丝杠、螺母所采用的车、磨加工工艺接近，精度和质量要求均较高。 从设备角度来看：齿轮厂商和轴承厂商均有车、铣、磨等工艺加工设备丰富使用经验。设备采购方面主要依靠厂商各自渠道，内螺纹磨床是专用磨床，外采设备现阶段以二手海外设备以及国产设备为主。 投资机会 汽车和人形机器人产业链重叠部分较大，我们持续看好汽车行业，维持“推荐”投资评级。伴随着人形机器人产品趋于成熟，叠加端到端AI大模型赋能，人形机器人将成为“继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品”，行星滚柱丝杠作为“执行侧”的关键部件，凭借“高技术壁垒&国产替代趋势显著&降本路径清晰”，将成为人形机器人赛道的重要细分投资赛道。轴承赛道相关标的包括：双林股份、五洲新春、斯菱股份；齿轮赛道建议关注标的包括：夏厦精密、丰立智能，以及北特科技、贝斯特、新剑传动等精密加工能力较强的厂商。 公司代码 名称 2024-07-30股价 EPS PE 投资评级 2023 2024E 2025E 2023 2024E 2025E 300100.SZ 双林股份 11.70 0.20 0.75 0.99 58.50 15.60 11.82 买入 300580.SZ 贝斯特 13.68 0.80 0.97 1.22 17.10 14.10 11.21 买入 301368.SZ 丰立智能 41.20 0.20 0.84 1.04 206.00 48.99 39.58 未评级 301550.SZ 斯菱股份 41.02 1.68 1.92 2.22 24.42 21.36 18.45 未评级 603009.SH 北特科技 15.54 0.14 0.20 0.30 111.00 78.48 51.39 未评级 603667.SH 五洲新春 14.60 0.40 0.53 0.67 36.50 27.51 21.88 未评级 资料来源：华鑫证券研究（未评级公司盈利预测取自wind一致预期） 机器人市场风险 机器人量产进度不及预期 原材料价格风险 丝杠原材料多采用高碳铬轴承钢，原材料价格上升会导致丝杠成本上升 投产进度不及预期 各个公司丝杠产能布局投产进度可能不及预期 地缘政治风险 丝杠属于高精密产品，生产设备需要高精度螺纹磨床，国内螺纹磨床的进口可能受到外国政策限制 01从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.1丝杠、螺母和滚柱是行星滚柱丝杠传动机构的主要部件 行星滚柱丝杠是人形机器人线性关节模组核心部件 行星滚柱丝杠(PRSM)是一种可将旋转运动和直线运动相互转化的机械传动装置，具有螺纹传动和滚动螺旋传动的综合特征。行星滚柱丝杠中的滚动体是含有螺纹的多个滚柱体。螺母或丝杠旋转运动通过滚柱的行星运动转换为直线运动。行星滚柱丝杠传动中特有的滚柱结构，使得滚柱与螺母(或滚柱与丝杠)之间无相对轴向位移，滚柱能够在丝杠和螺母形成的封闭空间内反复循环运动，依靠滚动/滑动摩擦实现运动和动力的传递。 丝杠是线性关节中价值量占比最高的零部件。以特斯拉Optimus为代表，单个机器人丝杠数量：2*7=14个，目前Rollvis单个行星滚柱丝杠价格较高，约2000元/个，单个机器人丝杠价值量为14*0.2=2.8万元。 标准式行星滚柱丝杠传动机构的结构形式 特斯拉Optimus采用线性执行器 每台特斯拉Optimus包含14个丝杠 7 大臂：每边1个 小臂：每边2个 大腿：每边2个 小腿：每边2个 丝杠内齿圈螺母 滚柱 保持架直齿 资料来源：SKF，柯浩《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计》，特斯拉AIday，工业机器人，华鑫证券研究 1.1、丝杠、螺母和滚柱是行星滚柱丝杠传动机构的主要部件 丝杠、螺母和滚柱加工工艺决定行星滚柱丝杠精度 精度是衡量行星滚柱丝杠的核心指标，丝杠、螺母和滚柱的螺距及同轴度误差是影响丝杠精度关键因素。所有误差因素与行程误差均为正相关，其敏感性指数从大到小依次为：丝杠螺距（2.8570）、滚柱螺距（1.0000）、螺母螺距 （1.0000）、丝杠螺纹同轴度（0.9800）、螺母螺纹同轴度（0.4750）、滚柱螺纹同轴度（0.0585），滚柱同轴度敏感性指数小于0.1，可以忽略不计。丝杠、螺母和滚柱的加工精度决定丝杠整体传动精度，从加工角度出发，这三个部件 是行星滚柱丝杠主要工艺壁垒所在。 标准式行星滚柱丝杠传动机构的结构形式 螺距误差 同轴度误差 行程误差敏感性指数直方图 8 回程误差 同轴度误差 行星滚柱丝杠误差 弹力形变误差 单向传动误差 力形变误差 螺距误差 资料来源：李凯《精密行星滚柱丝杠的传动特性》，吴翰林《基于加工误差敏感度与模糊层次分析法的行星滚柱丝杠公差匹配优化方法》，华鑫证券研究 1.2、行星滚柱丝杠核心壁垒一：丝杠设计 滚柱丝杠设计难度大，需要丰富经验积累 行星滚柱丝杠副服役性能取决于其螺纹牙齿形及行星齿轮的设计。行星滚柱丝杠副的传动性能与丝杠-滚柱、滚柱-螺母间啮合点位置及轴向间隙大小有关，而啮合点位置和轴向间隙大小取决于螺纹牙形。为加工出高精度、性能优越的行星滚柱丝杠副，需要根据啮合传动原理并考虑丝杠副啮合特性来设计出合理的螺纹副及齿轮副结构参数。 行星滚柱丝杠副的误差分析 实验台安装误差 变形误差 装配误差 加工误差 传动效率实验 行星滚柱丝杠副齿形设计 行星滚柱丝杠设计流程繁琐，需要逐步改进 持续更新换代 建立零件的空间直角坐标系和丝杠、滚柱及螺母螺纹牙的截面参数方程 求得丝杠、滚柱及螺母的螺旋曲面方程 丝杠-滚柱、螺母-滚柱间的轴向间隙表达式 9 行星滚柱丝杠副磨削工艺齿轮加工工艺 加工精度监测 针对齿轮副参数设计的变形齿轮干涉和强度进行校核 设计变位齿轮 设计丝杠、滚柱及螺母的螺纹牙结构 资料来源：郑伟《精密行星滚柱丝杠副工艺制造与传动性能研究》，华鑫证券研究 行星滚柱丝杠副工艺设计 10 外螺纹现阶段加工工艺包括硬车、磨削、滚轧、旋铣 外螺纹加工工艺主要为硬车、磨削、滚轧、旋铣，其中磨削精度高，滚扎效率高，硬车和硬旋铣较均衡。行星滚柱丝杠依靠零件间的螺纹啮合实现传动功能，螺纹的加工精度将直接影响系统的传动精度、使用寿命、与平稳性，故优化螺纹的加工技术是提升PRS整体性能的关键。PRS螺纹制造工艺方法主要为成型加工，例如目前应用于丝杠副螺纹制造技术主要有硬车、磨削、滚轧成型和旋风铣削技术。 工艺项目 硬车 磨削 滚轧成型 旋风硬旋铣 对材料要求 对精胚外圆的圆度、圆柱度、直度及硬化层深度,硬度的均匀性有要求 无特殊要求 对精胚外圆尺寸、公差、圆度、圆柱度、直线度要求严格,材料塑性应变能力、延伸率要求较高 对精胚外圆的圆度、圆柱度、直度及硬化层深度,硬度的均匀性有要求 最高加工精度 精度与硬铣类似 P3级,P1级,PO级 P3、P5导程误差的波动小、线性好 P3级导程误差的波动小、线性好 齿形精度及表面质量 粗糙度Ra=1.6μm 砂轮品质和使用寿命对其有直接影响 Ra=0.5-0.8um,表面光滑、处于压应力状态 Ra=0.4um,高速、渐近、低温切削,表面质量优于磨削 适宜加工对象 适于长度1m、螺距6mm以下长径比小的丝杠 常用规格高精度丝杠螺纹的精加工 超细长、大导程、超大导程双头和多头螺纹 整体大型超长丝杠,大钢球重型BS,各类异型螺杆 资源友好性 能耗低于磨削 湿切削,能耗、油耗、水耗均较高 低耗无屑加工、材料利用率高达80%以上 干切削,省工序,能耗、油耗、水耗低于磨削 环境友好性 污染小 有磨粒金属粉尘、油雾 无油雾和粉尘,污染小 噪声小,无油、少屑,污染小 生产效率与制造周期 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，低于硬铣 效率低、工序多、制造周期最长 单机快速产出,库存性供货 生产效率高于磨削低于冷滚轧 装备及制造成本 硬车削生产制造成本是螺纹滚道硬磨削成本的1/3-1/2，是硬旋铣加工成本的1/3-1/4。 螺纹磨床已国产化,生产工序多、制造成本高 关键设备前期投入大,后期成本取决于轧辊寿命、研发制造能力 关键设备前期投入大,后期成本取决于 PCBN刀片寿命及刃磨的自主化能力 量产 调整对刀比较麻烦，适用一定批量的产品，效率高于磨削。 更换工件规格较容易,不受生产批量限制 标准化,系列化大批量生产 调整对刀比较麻烦,适用一定批量的产品 外螺纹加工工艺对比 资料来源：王伟《大型螺纹旋风硬铣削数值模拟及工艺参数优化》，华鑫证券研究 11 磨削是内螺纹目前唯一行之有效的加工方式 内螺纹加工难度大，目前高精度内螺纹加工方式仍以磨削为主，磨削工艺效率低，精度高，对磨床设备要求高。未来看好内螺纹加工工艺看好铣削，铣削加工效率较高，设备要求较低，但若加工深度较长效率会下降。 攻丝 车削 铣削 磨削 挤压 介绍 一种连续切削工艺，工件材料由顺序排列的切削刃依次切除，通过一次走刀即可获得最终螺纹尺寸。 在多轴机床或车床上，用可转位刀片式或整体式小型镗刀车削螺纹。 采用螺旋插补方式来切削内螺纹和外螺纹。 一般来说，为了磨削�具有精密牙型的螺纹，机床的磨轮安装位置必须按螺纹的螺旋角