蔣 壯

0 引言

超越離合器是隨著機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展而出現(xiàn)的基礎(chǔ)件，它是用于原動機(jī)和工作機(jī)之間或機(jī)器內(nèi)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(zhuǎn)方向的變換，具有自行離合功能的裝置[1]。當(dāng)主動件帶動從動件一起轉(zhuǎn)動時，稱為結(jié)合狀態(tài)，當(dāng)主動件與從動件脫開以各自的速度回轉(zhuǎn)時，稱為超越狀態(tài)。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(yīng)用最為廣泛，也稱超越離合器。在精密機(jī)械傳動，特別是金融機(jī)具領(lǐng)域的核心部件中，超越離合器作為標(biāo)準(zhǔn)件被廣泛使用，其結(jié)構(gòu)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(jìn)行研究對提高金融機(jī)具的設(shè)計水平意義重大。

1 結(jié)構(gòu)

定向超越離合器主要由星形輪、外環(huán)、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(nèi)，使?jié)L珠與星形輪，外環(huán)相接觸。

單向軸承（超越離合器）是在定向超越離合器的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化，包括外圈支架、圓形滾柱、壓緊彈片以及固定環(huán)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(jié)構(gòu)更加緊湊。

圖1 定向超越離合器結(jié)構(gòu)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(nèi)圓邊界[2]。

當(dāng)傳動軸為主動軸，且沿與單向軸承箭頭一致的方向轉(zhuǎn)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(fù)載零件一起轉(zhuǎn)動，起到傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，并保持同步。

當(dāng)傳動軸為主動軸，且沿與單向軸承箭頭相反的方向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，處于超越狀態(tài)。

當(dāng)外圈上鑲嵌的齒輪或其他功能件為主動件時，根據(jù)運(yùn)動的相對性，與上述描述的現(xiàn)象相反。

圖2 單向軸承結(jié)構(gòu)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(jìn)給機(jī)械中起到快慢速的轉(zhuǎn)換、超越功能；

（2）在步進(jìn)間隙運(yùn)動中和精確定位的分度功能；

（3）當(dāng)它與滾珠絲杠或其他部件配套使用時，防止逆轉(zhuǎn)，實現(xiàn)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(zhuǎn)，實現(xiàn)自鎖和逆止的作用[3-4]。

4 在金融機(jī)具行業(yè)中的應(yīng)用

4.1 在傳輸通道中的應(yīng)用

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

圖3 傳輸通道原理結(jié)構(gòu)簡圖

如圖3是某款機(jī)芯類產(chǎn)品傳輸通道原理結(jié)構(gòu)簡圖，從圖中可以看出通過單向軸承實現(xiàn)不輪主動軸正向或反向轉(zhuǎn)動，其從動軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。從而實現(xiàn)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(jī)實現(xiàn)，大大地降低了模塊成本，結(jié)構(gòu)也更加緊湊。

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

反之，如果需要將從動軸順時針轉(zhuǎn)動，只需將單向軸承的安裝方向更換。

4.2 介質(zhì)集聚裝置中的應(yīng)用

如圖4當(dāng)介質(zhì)進(jìn)入集聚裝置時，介質(zhì)在分離輪及其相應(yīng)的軸承（圖上省略）作用下進(jìn)入集聚區(qū)域。同時動力通過一對過渡齒輪將動力傳送到反轉(zhuǎn)輪齒輪上，其內(nèi)裝有單向軸承C，帶動反轉(zhuǎn)輪軸轉(zhuǎn)動。反轉(zhuǎn)輪軸通過單向軸承A帶動反轉(zhuǎn)輪及其上的翼輪(圖上省略），從而使介質(zhì)進(jìn)入集聚區(qū)域并在后續(xù)的過程中進(jìn)行有效堆疊。此時單向軸承B處于超越狀態(tài)，反轉(zhuǎn)輪軸逆時針轉(zhuǎn)動。

當(dāng)介質(zhì)分離時，分離輪齒輪逆時針轉(zhuǎn)動，同理過渡齒輪將動力傳送到反轉(zhuǎn)輪齒輪上，由于反轉(zhuǎn)輪齒輪上嵌套有單向軸承C且處于超越狀態(tài)，故反轉(zhuǎn)輪齒輪空轉(zhuǎn)不能帶動反轉(zhuǎn)輪軸轉(zhuǎn)動。反轉(zhuǎn)輪軸的順時針轉(zhuǎn)動被單向軸承B（單向軸承B嵌套在支架上）阻止，而反轉(zhuǎn)輪也被單向軸承A阻止不能順時針轉(zhuǎn)動，從而阻止后一張鈔票實現(xiàn)介質(zhì)分離，使介質(zhì)一張張依次脫離集聚區(qū)域。當(dāng)然介質(zhì)的有序分離還要求拾鈔輪、分離輪、反轉(zhuǎn)輪與介質(zhì)的摩擦系數(shù)滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，這里不做描述。

圖4 介質(zhì)分離原理結(jié)構(gòu)簡圖

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

5 總結(jié)

單向軸承是金融機(jī)具領(lǐng)域（驗鈔機(jī)、清分機(jī)、循環(huán)機(jī)芯等）的關(guān)鍵零部件之一，其穩(wěn)定性對設(shè)備性能尤其重要[5]。通過單獨或多個組合運(yùn)用實現(xiàn)不同的功能，其本身的質(zhì)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(jìn)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(jìn)行淬火加硬處理[6]。