齿轮作为受到交变疲劳载荷的零件,其表面质量非常重要,表面残余应力分布对疲劳强度有重大影响,不利的应力分布将促使齿轮疲劳失效的发生。本文以20CrMnTi渗碳淬火齿轮为研究对象,在超声波应力检测方法理论研究基础上,尝试利用临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal,LCR Wave)方法研究齿轮表面残余应力的分布规律,为齿轮等结构特殊的传动构件的表面质量检测提供依据。本文设计了LCR波探头,并通过CIVA参数仿真与具体实验相结合的方法验证设计方案的准确性与可靠性。系统地研究了LCR波形特征、衰减与渗透深度规律,以及入射角度对LCR波的影响。设计并搭建了齿轮表面残余应力检测系统,包络齿轮表面应力检测用探头,硬件系统设计和软件系统开发;制定了超声应力系数标定实验方案并获得了齿轮应力系数。对20CrMnTi渗碳淬火齿轮表面残余应力分布进行分区域检测,并对影响因素进行分析;采取X射线衍射法在定性上对超声法检测齿轮表面残余应力结果的合理性进行验证。研究表明,本文设计的LCR波探头具有较好的准确性与可靠性,仿真与验证实验均与理论情况相符。LCR波传播时间的变化与传播方向上的应力变化近似呈线性关系。被测齿轮整体轮齿表面残余应力主要为压应力,与渗碳淬火齿轮表面残余应力的理论分布情况一致,符合齿轮制备的一般要求。局部应力集中造成残余应力值较大,渗碳层较薄与轻度磨损导致表面残余拉应力的存在;被测齿轮根部表面进行了淬火硬化处理,提高了齿轮的抗弯曲疲劳性能。耦合条件与温度等外部因素对检测结果均有一定的影响。在定性上,X射线衍射法实现了对超声法检测齿轮表面残余应力合理性的验证。本文设计的齿轮应力检测方法与理论具有较好的可行性,研究结果对无损、高效地齿轮表面质量检测提供参考。