齿轮是机械装备的重要组成部分，担负着传递运动、改变运动速度和运动方向的重要任务，但是齿轮经过机械加工和热处理后不可避免的在轮齿根部产生残余应力，而残余应力的存在是导致轮齿疲劳失效的主要原因，同时齿轮根部的形状复杂、空间狭小，传统的方法很难准确、快速的进行齿根残余应力的检测。因此，本文首次提出了基于超声临界折射纵波的齿根残余应力检测方法，并对其进行了系统的研究。本文对临界折射纵波检测残余应力的基本原理进行了系统的研究。推导出了单向应力状态下材料中应力的变化量与声时差的变化量之间的关系，研究表明，应力的变化与声时差的变化成线性关系。通过理论推导证明了临界折射纵波对与其传播方向平行的残余应力最为敏感。本文搭建了一套基于超声法的齿根残余应力自动化检测系统，并提出了一种超声残余应力检测系统的校准方法。超声法自动化检测系统主要包括电机、齿轮夹持机构、丝杠进给机构、传感器夹持机构、传感器、超声应力检测系统等。超声应力检测系统采用了VC++/MFC编制的人机交互界面，通过拉格朗日插值算法、互相关算法等精确的计算声时差，从而确定残余应力值。校准系统主要包括拉伸试验机、放大器、采集卡、超声应力检测系统等。校准系统采用MATLAB/GUI编制了人机交互界面，通过标准应力值与超声应力值的对比，找出偏差最大值和最大值所处的位置，判断是否符合误差要求。通过特定传感器、自动化检测装置、超声应力检测系统的有机结合完成了齿根残余应力的检测，经过对齿根的实时监测和反复测量证明了临界折射纵波检测齿根残余应力的可行性和稳定性。同时详细分析了齿根残余应力检测时的影响因素，包括温度、入射角度、材料组织、构件曲率、表面粗糙度、耦合剂多少、换能器频率等对检测结果和信号强度的影响，并提出了相应的补偿措施，提高了检测结果的准确性。