單向軸承在金融機具行業中的應用研究

蔣 壯

0 引言

超越離合器是隨著機電一體化產品的發展而出現的基礎件，它是用于原動機和工作機之間或機器內部主動軸與從動軸之間動力傳遞與分離功能的重要部件。它是利用主、從動部分的速度變化或旋轉方向的變換，具有自行離合功能的裝置[1]。當主動件帶動從動件一起轉動時，稱為結合狀態，當主動件與從動件脫開以各自的速度回轉時，稱為超越狀態。只能按一個方向傳遞扭矩，反向時自動分離的叫定向超越離合器。以滾珠定向離合器應用最為廣泛，也稱超越離合器。在精密機械傳動，特別是金融機具領域的核心部件中，超越離合器作為標準件被廣泛使用，其結構更加小巧，使用更加方便，也被稱為單向軸承。因此對其工作原理和使用方法進行研究對提高金融機具的設計水平意義重大。

1 結構

定向超越離合器主要由星形輪、外環、彈簧頂桿和滾柱組成。彈簧頂桿的作用是將滾珠壓向星輪的楔形槽內，使滾珠與星形輪，外環相接觸。

單向軸承（超越離合器）是在定向超越離合器的基礎上進行簡化，包括外圈支架、圓形滾柱、壓緊彈片以及固定環等。壓緊彈片的作用是將滾柱壓向外圈支架上的楔形槽的小端，使圓形滾柱、外圈支架和裝入其中的傳動軸相接觸。單向軸承因去除了星形輪，把楔形槽移植到外圈支架上而使其結構更加緊湊。

圖1 定向超越離合器結構示意圖[3]

2 工作原理

單向軸承的外圈支架里，包含很多個滾柱、滾針或者滾珠，而其楔形槽的形狀以及壓緊彈片的安裝位置（如圖2）使它在彈力作用下移到楔形槽的小端，由于滾柱的直徑比小端直徑略大，圓形滾柱超出了內圓邊界[2]。

當傳動軸為主動軸，且沿與單向軸承箭頭一致的方向轉動時，傳動軸通過在楔形槽小端的滾柱帶動外圈及其通過周圍凹槽與其相連的傳動齒輪或其他負載零件一起轉動，起到傳遞轉矩的作用，并保持同步。

當傳動軸為主動軸，且沿與單向軸承箭頭相反的方向轉動時，傳動軸與滾柱之間的摩擦力逐漸克服壓緊彈片的彈力向楔形槽的大端移動。由于楔形槽的空間較大，滾柱退出傳動軸的空間，此時傳動軸空轉，處于超越狀態。

當外圈上鑲嵌的齒輪或其他功能件為主動件時，根據運動的相對性，與上述描述的現象相反。

圖2 單向軸承結構示意圖（去除端蓋后）

3 主要功能

一般超越離合器具有如下功能：

（1）在快速進給機械中起到快慢速的轉換、超越功能；

（2）在步進間隙運動中和精確定位的分度功能；

（3）當它與滾珠絲杠或其他部件配套使用時，防止逆轉，實現自鎖和逆止的功能。

由于單向軸承是定向滾柱超越離合器的一種，故其主要功能為單獨或與其他配套零件一起起到防止逆轉，實現自鎖和逆止的作用[3-4]。

4 在金融機具行業中的應用

4.1 在傳輸通道中的應用

金融機具行業的競爭日趨激烈，出于成本的考慮就要求產品體積小，并減少關鍵器件（如電機、拉力摯等）的使用。

圖3 傳輸通道原理結構簡圖

如圖3是某款機芯類產品傳輸通道原理結構簡圖，從圖中可以看出通過單向軸承實現不輪主動軸正向或反向轉動，其從動軸的轉向始終朝一個方向。既是不管在存款或取款的過程中，從動軸所帶動的通道都是向鈔口方向轉動。從而實現了存款過程中的退鈔流程以及直接取款流程。動力只需要一個電機實現，大大地降低了模塊成本，結構也更加緊湊。

當主動軸在電機的帶動下順時針轉動，同時帶動安裝在該軸上兩側的主動齒輪。整個主動軸固定在兩側的側板上（省略）。一側通過固定在側板上的兩個過渡齒輪A將動力傳送到從動齒輪上，而另一側通過固定在側板上的過渡齒輪B將動力傳送到該側的從動齒輪上，故從動齒輪的轉動方向相反。由于嵌套在兩側從動齒輪上的單向軸承方向同為順時針，故逆時針轉動的從動齒輪帶動從動軸轉動，而順時針轉動的從動齒輪與從動軸處于超越狀態，也不影響從動軸的轉動。當主動軸在電機的帶動下逆時針轉動時，與上述現象一樣從動軸逆時針轉動，只是由另一側的從動齒輪帶動而已。

反之，如果需要將從動軸順時針轉動，只需將單向軸承的安裝方向更換。

4.2 介質集聚裝置中的應用

如圖4當介質進入集聚裝置時，介質在分離輪及其相應的軸承（圖上省略）作用下進入集聚區域。同時動力通過一對過渡齒輪將動力傳送到反轉輪齒輪上，其內裝有單向軸承C，帶動反轉輪軸轉動。反轉輪軸通過單向軸承A帶動反轉輪及其上的翼輪(圖上省略），從而使介質進入集聚區域并在后續的過程中進行有效堆疊。此時單向軸承B處于超越狀態，反轉輪軸逆時針轉動。

當介質分離時，分離輪齒輪逆時針轉動，同理過渡齒輪將動力傳送到反轉輪齒輪上，由于反轉輪齒輪上嵌套有單向軸承C且處于超越狀態，故反轉輪齒輪空轉不能帶動反轉輪軸轉動。反轉輪軸的順時針轉動被單向軸承B（單向軸承B嵌套在支架上）阻止，而反轉輪也被單向軸承A阻止不能順時針轉動，從而阻止后一張鈔票實現介質分離，使介質一張張依次脫離集聚區域。當然介質的有序分離還要求拾鈔輪、分離輪、反轉輪與介質的摩擦系數滿足一定的數學關系，這里不做描述。

圖4 介質分離原理結構簡圖

單向軸承A在介質分離結束的瞬間有一定回彈，使其在反轉輪軸上有較小幅度的逆時針轉動，其作用是防止反轉輪不均勻磨損形成凹坑，使分鈔效果更穩定并且增加反轉輪的使用壽命。

5 總結

單向軸承是金融機具領域（驗鈔機、清分機、循環機芯等）的關鍵零部件之一，其穩定性對設備性能尤其重要[5]。通過單獨或多個組合運用實現不同的功能，其本身的質量也尤為重要。除此之外，單向軸承的固定要牢固。另外由于單向軸承要進行頻繁換向，故嵌套在其上的軸容易磨損，為防止單向軸承失效要對軸進行淬火加硬處理[6]。