单向轴承在金融机具行业中的应用研究

蒋 壮

0 引言

超越离合器是随着机电一体化产品的发展而出现的基础件，它是用于原动机和工作机之间或机器内部主动轴与从动轴之间动力传递与分离功能的重要部件。它是利用主、从动部分的速度变化或旋转方向的变换，具有自行离合功能的装置[1]。当主动件带动从动件一起转动时，称为结合状态，当主动件与从动件脱开以各自的速度回转时，称为超越状态。只能按一个方向传递扭矩，反向时自动分离的叫定向超越离合器。以滚珠定向离合器应用最为广泛，也称超越离合器。在精密机械传动，特别是金融机具领域的核心部件中，超越离合器作为标准件被广泛使用，其结构更加小巧，使用更加方便，也被称为单向轴承。因此对其工作原理和使用方法进行研究对提高金融机具的设计水平意义重大。

1 结构

定向超越离合器主要由星形轮、外环、弹簧顶杆和滚柱组成。弹簧顶杆的作用是将滚珠压向星轮的楔形槽内，使滚珠与星形轮，外环相接触。

单向轴承（超越离合器）是在定向超越离合器的基础上进行简化，包括外圈支架、圆形滚柱、压紧弹片以及固定环等。压紧弹片的作用是将滚柱压向外圈支架上的楔形槽的小端，使圆形滚柱、外圈支架和装入其中的传动轴相接触。单向轴承因去除了星形轮，把楔形槽移植到外圈支架上而使其结构更加紧凑。

图1 定向超越离合器结构示意图[3]

2 工作原理

单向轴承的外圈支架里，包含很多个滚柱、滚针或者滚珠，而其楔形槽的形状以及压紧弹片的安装位置（如图2）使它在弹力作用下移到楔形槽的小端，由于滚柱的直径比小端直径略大，圆形滚柱超出了内圆边界[2]。

当传动轴为主动轴，且沿与单向轴承箭头一致的方向转动时，传动轴通过在楔形槽小端的滚柱带动外圈及其通过周围凹槽与其相连的传动齿轮或其他负载零件一起转动，起到传递转矩的作用，并保持同步。

当传动轴为主动轴，且沿与单向轴承箭头相反的方向转动时，传动轴与滚柱之间的摩擦力逐渐克服压紧弹片的弹力向楔形槽的大端移动。由于楔形槽的空间较大，滚柱退出传动轴的空间，此时传动轴空转，处于超越状态。

当外圈上镶嵌的齿轮或其他功能件为主动件时，根据运动的相对性，与上述描述的现象相反。

图2 单向轴承结构示意图（去除端盖后）

3 主要功能

一般超越离合器具有如下功能：

（1）在快速进给机械中起到快慢速的转换、超越功能；

（2）在步进间隙运动中和精确定位的分度功能；

（3）当它与滚珠丝杠或其他部件配套使用时，防止逆转，实现自锁和逆止的功能。

由于单向轴承是定向滚柱超越离合器的一种，故其主要功能为单独或与其他配套零件一起起到防止逆转，实现自锁和逆止的作用[3-4]。

4 在金融机具行业中的应用

4.1 在传输通道中的应用

金融机具行业的竞争日趋激烈，出于成本的考虑就要求产品体积小，并减少关键器件（如电机、拉力挚等）的使用。

图3 传输通道原理结构简图

如图3是某款机芯类产品传输通道原理结构简图，从图中可以看出通过单向轴承实现不轮主动轴正向或反向转动，其从动轴的转向始终朝一个方向。既是不管在存款或取款的过程中，从动轴所带动的通道都是向钞口方向转动。从而实现了存款过程中的退钞流程以及直接取款流程。动力只需要一个电机实现，大大地降低了模块成本，结构也更加紧凑。

当主动轴在电机的带动下顺时针转动，同时带动安装在该轴上两侧的主动齿轮。整个主动轴固定在两侧的侧板上（省略）。一侧通过固定在侧板上的两个过渡齿轮A将动力传送到从动齿轮上，而另一侧通过固定在侧板上的过渡齿轮B将动力传送到该侧的从动齿轮上，故从动齿轮的转动方向相反。由于嵌套在两侧从动齿轮上的单向轴承方向同为顺时针，故逆时针转动的从动齿轮带动从动轴转动，而顺时针转动的从动齿轮与从动轴处于超越状态，也不影响从动轴的转动。当主动轴在电机的带动下逆时针转动时，与上述现象一样从动轴逆时针转动，只是由另一侧的从动齿轮带动而已。

反之，如果需要将从动轴顺时针转动，只需将单向轴承的安装方向更换。

4.2 介质集聚装置中的应用

如图4当介质进入集聚装置时，介质在分离轮及其相应的轴承（图上省略）作用下进入集聚区域。同时动力通过一对过渡齿轮将动力传送到反转轮齿轮上，其内装有单向轴承C，带动反转轮轴转动。反转轮轴通过单向轴承A带动反转轮及其上的翼轮(图上省略），从而使介质进入集聚区域并在后续的过程中进行有效堆叠。此时单向轴承B处于超越状态，反转轮轴逆时针转动。

当介质分离时，分离轮齿轮逆时针转动，同理过渡齿轮将动力传送到反转轮齿轮上，由于反转轮齿轮上嵌套有单向轴承C且处于超越状态，故反转轮齿轮空转不能带动反转轮轴转动。反转轮轴的顺时针转动被单向轴承B（单向轴承B嵌套在支架上）阻止，而反转轮也被单向轴承A阻止不能顺时针转动，从而阻止后一张钞票实现介质分离，使介质一张张依次脱离集聚区域。当然介质的有序分离还要求拾钞轮、分离轮、反转轮与介质的摩擦系数满足一定的数学关系，这里不做描述。

图4 介质分离原理结构简图

单向轴承A在介质分离结束的瞬间有一定回弹，使其在反转轮轴上有较小幅度的逆时针转动，其作用是防止反转轮不均匀磨损形成凹坑，使分钞效果更稳定并且增加反转轮的使用寿命。

5 总结

单向轴承是金融机具领域（验钞机、清分机、循环机芯等）的关键零部件之一，其稳定性对设备性能尤其重要[5]。通过单独或多个组合运用实现不同的功能，其本身的质量也尤为重要。除此之外，单向轴承的固定要牢固。另外由于单向轴承要进行频繁换向，故嵌套在其上的轴容易磨损，为防止单向轴承失效要对轴进行淬火加硬处理[6]。