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7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
1/16
US006902507B2
( 1 2 ) United
States
Patent ( 1 0 ) P a t e n t N 0 . 2 US 6 , 9 0 2 , 5 0 7
B2
B a l l a r d
4 5 )
D a t e o f P a t e n t : J u n . 7 , 2 0 0 5
(54) ROLLERCAM
ASSEMBLY
3,783,712 A
*
1/1974 C o l i n e t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
475/168
3 , 9 9 8 , 1 1 2
A
*
1 2 / 1 9 7 6 Pierrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 5 / 1 6 8
7 6 )
I n v e n t o r : Richard
N. Ballard, 5240 Miami R d . ,
4 , 0 2 3 , 4 4 0
A * 5 / 1 9 7 7
K e n n i n g t o n 9 t
a 1 ~
~ ~ ~ ~ ~ ~
- -
4 7 5 / 1 6 8
Cincinnati
OH
Us )
4 5 2 4 3
4 , 2 7 1 , 7 2 6 A
*
6 / 1 9 8 1
R y f f e l
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .
475/168
4,526,064 A * 7/ 1985 Carden e t a 1 . 4 75 /16 8
4 - . - - - - 4 549 450 10/1985 Pierrat ................... . 475/168
( )
N o m e
S u t b ] e f t . t
a r t l y i l l s g l a l m e i t h f f i e r m g m g g 4 , 5 8 4 , 9 0 4 A
*
4 / 1 9 8 6 D i s t i n , J r . e t a 1 . . . . .
4 7 5 / 1 6 8
Pa
en
1 5
6X
en
6
or
a
Jus
e
1 1
er
4,604,916 A
*
8 / 1 9 8 6 D i s t i n , J r . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .
4 7 5 / 1 6 8
U - S - C - 1 5 4 k ) )
b y ) d a y s -
4 , 6 4 3 , 0 4 7
A * 2 / 1 9 8 7
D i s t i n e t
a 1 . 4 7 5 / 1 6 8
4,658,675 A *
4 / 1 9 8 7
Murray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 5 / 1 6 8
2 1 ) Appl. No.1 10/121,099 5 , 1 8 8 , 5 7 2 A * 2 / 1 9 9 3 Yamaguchi e t
a 1 .
. . . . . . . . 4 7 5 / 1 6 8
_ 5,247,847 9/1993 Gu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
74/465
2 2 ) P 1 1 9 9 1 1 Apr-
1 1 ,
2002 5 , 6 9 5 , 4 2 5
A
* 1 2 / 1 9 9 7 Hashimoto e t a 1 . . . . . . . . . .
475/180
_ _ _
5 , 7 0 7 , 3 1 0 A
*
1 / 1 9 9 8 Maeguchi t
a 1 .
4 7 5 / 1 8 0
(65) Pm ubhcatlon Data
6,023,989
A * 2/2000
Imase e t
a l . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .
74/422
US
2 0 0 3 / 0 1 9 5 0 7 6
A1
O c t . 1 6 ,
2 0 0 3 1 C i t e d
by examiner
7
5 1 ) I n t . C l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
F16H / 3 2
Primary Emmi-MPH,
HO
U-S.
C l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A t t o r n e y )
Or Firm_FrOSt
Brown
odd,
5 8 )
Field Of
Search
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475/168,
1 8 0 ; 5 7 )
ABSTRACT
74/413, 415, 422, 457, 465 . . . . . . .
A
w o - s t a g e
eprcychc
r o l l e r cam t r a n s m 1 s s 1 0 n
c0mpr1s1ng
i n
5 6 ) R e f e r e n c e s C i t e d
e a c h
s t a g e : a r o l l e r r i n g
h a v i n g
a p l u r a l i t y o f
? x e d - p o s i t i o n
r o l l e r s ; a n d
a cam g e a r h a v i n g
p i t c h - c i r c l e - g e n e r a t e d ,
U . S . PATENT DOCUMENTS t r o c h o i d - s h a p e d
t e e t h
a n d i n d e p e n d e n t p i t c h , W h e r e i n t h e
r o l l e r s
a r e s p a c e d
t o mesh W i t h t h e
cam
g e a r
and e f ? c i e n t l y
1,199,398 A
* 9/1916
Loftus
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 74/465
transferener
underheav 10a
ds
1 444 717
2/1923
Webb . . . . . . . . .. 475/168
gy y
RE17,811 E
*
9/1930
B r a r e n
475/168
1 , 8 4 7 , 5 9 1
A * 3 / 1 9 3 2 B i i t t n e r
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 4 7 5 / 1 6 8
16 Claims,
1 0 rawing Sheets
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2/16
U.S. Patent J u n .
7 , 2 0 0 5 S h e e t
1 0 f 1 0
U S
6 , 9 0 2 , 5 0 7
B2
P 7 6 1 2
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
3/16
U.S. Patent
J u n . 7 , 2 0 0 5 S h e e t 2
0 f 1 0
U S
6 , 9 0 2 , 5 0 7
B2
F I G .
5
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4/16
U.S. Patent
J u n . 7 , 2 0 0 5 S h e e t
3 0 f 1 0
U S
6 , 9 0 2 , 5 0 7 B2
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
5/16
U.S. Patent
J u n . 7 , 2 0 0 5 S h e e t
4 0 f 1 0
U S
6 , 9 0 2 , 5 0 7
B2
F K B
H 6 .
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
6/16
U.S. Patent
J u n .
7 , 2 0 0 5
S h e e t
5
0 f
1 0 U S
6 , 9 0 2 , 5 0 7
B2
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
7/16
U.S. Patent
J u n . 7 , 2 0 0 5 S h e e t 6
0 f 1 0
U S
6 , 9 0 2 , 5 0 7 B2
l l
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8/16
U.S. Patent J u n .
7 , 2 0 0 5 S h e e t 7
0 f 1 0
U S
6 , 9 0 2 , 5 0 7
B2
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
9/16
S h e e t 8
0 f
1 0
US , 9 0 2 , 5 0 7 B 2
.S.
Patent J u n .
7 , 2 0 0 5
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
10/16
U.S. Patent
J u n . 7 , 2 0 0 5 S h e e t 9
0 f 1 0
U S
6 , 9 0 2 , 5 0 7 B2
3/
2/
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
11/16
U.S.
Patent
J u n . 7 , 2 0 0 5 S h e e t
1 0
0 f
1 0
U S
6 , 9 0 2 , 5 0 7 B2
NPUT SHAFT
/ 2
26
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
12/16
US 6 , 9 0 2 , 5 0 7 B2
1
ROLLERCAMASSEMBLY
BACKGROUND OF THE INVENTION
E a r l y
prime
movers o r
power
s o u r c e s
such
a s t h e m i l l
s t r e a m
W a t e r
W h e e l ; a n d , l a t e r t h e s t e a m e n g i n e , c r e a t e d a
n e e d
f o r
t r a n s f e r r i n g
poWer
from
o n e
p l a c e
t o
a n o t h e r
t h r o u g h
t o r q u e t r a n s f e r .
An a r l y e x a m p l e
o f t o r q u e
t r a n s f e r
Was
t h e b e l t a n d p u l l e y
a s s e m b l y , f r e q u e n t l y
u t i l i Z e d i n
m a c h i n e s h o p s
t o d r i v e
v a r i o u s m a c h i n e s .
T h e
e a r l y
p r i m e
m o v e r s g e n e r a t e d l o W r e v o l u t i o n s p e r
m i n u t e
r p m )
a n d
m e c h a n i c a l l y
s i m p l e
t o r q u e
t r a n s f e r
mechanisms Were c a p a b l e
o f
c r e a t i n g v e r y
l i t t l e p o W e r .
I n
p o r t a b l e
m a c h i n e s , c h a i n s
a n d
s p r o c k e t s
a r e o f t e n u s e d
t o
t r a n s f e r
p o W e r . The most common example
o f
t h i s form
o f
t o r q u e
t r a n s f e r
i s
t h e
o r d i n a r y
b i c y c l e .
T h e b i c y c l e s p r o c k e t
and c h a i n
a r e a
r o l l e r cam a s s e m b l y ; and t h e r e l a t i v e motion
betWeen t h e r o l l e r
i n
t h e c h a i n a n d t h e s p r o c k e t
i s
t h a t o f
a n
i n v o l u t e .
I t i s
t h e
s h a p e o f
t h e
s p r o c k e t t h a t e n a b l e s
t h e
poWer
t o
b e t r a n s f e r r e d s m o o t h l y .
W i t h
t h e n e e d
t o
t r a n s f e r t o r q u e b e t W e e n
a d j a c e n t
p a r a l l e l
a n d
p e r p e n d i c u l a r
s h a f t s ,
s o m e t h i n g
e l s e
h a d
t o
b e
d e v i s e d .
I n f a c t , t h e o l d
W a t e r
W h e e l s
t h a t Were u s e d t o
g r i n d g r a i n
employed
Wooden p e g s
a s
g e a r
t e e t h t o
t r a n s f e r t o r q u e ; b u t ,
a s rpm
and
t o r q u e i n c r e a s e d , i t
W a s observed
t h a t a
?uctua
t i o n i n s p e e d s o c c u r r e d , c r e a t i n g
d e s t r u c t i v e
f o r c e s . T h i s
? u c t u a t i o n
r e s u l t e d f r o m t h e v a r i a t i o n s
d u r i n g
r o t a t i o n
o f
t h e
e f f e c t i v e r a d i i b e t W e e n t h e m e s h i n g o f t h e p e g g e d W h e e l s .
The
v a r i a t i o n
o f t h e
e f f e c t i v e
r a d i i W a s
a r e s u l t
o f t h e
s h a p e o f t h e p e g s . The ? r s t
s o l u t i o n
Was o d e v e l o p
a
d o u b l e
c y c l o i d
t o o t h
W i t h
a c o n v e x s h a p e a b o v e
t h e
p i t c h
c i r c l e
a n d
a concave
s h a p e
beloW
t h e
p i t c h
c i r c l e . These
g e a r s
l o o k e d
s o m e t h i n g
l i k e
a p l u r a l i t y o f r o l l e r s e v e n l y s p a c e d Wi t h t h e i r
a x e s p a r a l l e l t o t h e i n p u t s h a f t a n d a t t a c h e d t o t h e s u r f a c e o f
a Wheel. I f tWo concave
a r c s
Were placed
near t h e p o i n t
of
a t t a c h m e n t
and t h e
s u r f a c e o f
t h e
W h e e l ,
i t Would c r e a t e a
t o o t h
t h a t
r e s e m b l e d
t h e t e e t h
u s e d
i n
t h e s e
g e a r s .
T h i s
d e s i g n s o l v e d t h e v e l o c i t y ? u c t u a t i o n s . H o W e v e r , t h e g e a r s
Were
d i f ? c u l t
t o m a n u f a c t u r e and t h e i r
s h a p e
made them
h i g h l y s u s c e p t i b l e
t o f a i l u r e .
I n t h e
l a t t e r
p a r t o f t h e n i n e t e e n t h
c e n t u r y ,
t h e
i n v o l u t e
g e a r Was d e v e l o p e d . I t Was b o t h much s t r o n g e r a n d c h e a p e r
t o make.
I n c a l c u l a t i o n s
o f
g e a r
s t r e n g t h , t h e
t e e t h Were
t r e a t e d a s
a
s e r i e s
o f c a n t i l e v e r e d
beams,
and an e n g i n e e r
named LeWis
d e v i s e d
a t a b l e
o f
v a l u e s c a l l e d t h e LeWis
Form F a c t o r t h a t s i m p l i ? e d
c a l c u l a t i o n s
o f t o r q u e c a p a c i t y
o f s p u r
g e a r s .
T h i s
t a b l e
i s u s e d
i n c a l c u l a t i o n s t o d a y .
1 . F i e l d o f t h e
I n v e n t i o n
T h e p r e s e n t i n v e n t i o n u t i l i Z e s t h e p a r a m e t e r s o f e x i s t i n g
s p u r g e a r s such a s a c h o i c e o f p i t c h and p i t c h
c i r c l e i n
a
m e s h i n g
r o l l e r
r i n g - t o o t h e d c a m
c o n ? g u r a t i o n t h a t
e m p l o y s
r o l l e r
a c t i o n a s
o p p o s e d
t o
t h e h i g h - f r i c t i o n s l i d i n g
a c t i o n o f
s p u r g e a r .
I n t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , i t
i s
t h e
t r o c h o i d a l s h a p e t h a t e l i m i n a t e s
t h e
i n t e r f e r e n c e b e t W e e n
m e s h i n g m e m b e r s .
T h i s c o n ? g u r a t i o n p e r m i t s f e W e r , l a r g e r
a n d s t r o n g e r
t e e t h
i n
t h e
s m a l l e r
m e s h i n g member
a n d
a l l o W s t h e d e s i g n o f s m a l l e r , s t r o n g e r a n d
more
c o m p a c t
g e a r t r a i n s .
F e W e r ,
l a r g e r t e e t h
a r e p o s s i b l e
b e c a u s e t h e
s h a p e
o f t h e
cam
t o o t h
i s d e t e r m i n e d
by t h e
r e l a t i v e
m o t i o n
b e t W e e n r o t a t i n g b o d i e s .
A
o l l e r
r i n g - t o o t h e d cam c o m b i n a t i o n c a n b e d e s i gn e d
W i t h
e x t e r n a l m e s h i n g
m e m b e r s , i n t e r n a l
m e s h i n g
m e m b e r s ,
b e v e l g e a r a r r a n g e m e n t s a n d r a c k a n d p i n i o n c o m b i n a t i o n s .
I n
a l l
o f t h e s e p r o p o s e d
a s s e m b l i e s ,
e i t h e r t h e l a r g e r o r t h e
s m a l l e r member can be t h e r o l l e r r i n g
o r
t h e t o o t h e d cam.
10
1 5
20
25
30
35
40
45
55
60
6 5
2
The
p o i n t
t o
b e
made
h e r e i s
t h a t
a n y
o f
t h e r o l l e r r i n g
t o o t h e d
cam
a s s e m b l i e s d i s c l o s e d
h e r e i n W i l l p e r m i t
t h e
d e s i g n o f
c o m p a c t ,
h i g h - s t r e n g t h
g e a r
t r a i n s
W i t h v e r y
h i g h
t r a i n v a l u e s a n d p u r e
r o l l i n g
c o n t a c t .
2 . D e s c r i p t i o n o f t h e
P r i o r
A r t
I n US. P a t .
N o .
R e . 1 7 , 8 1 1 i s s u e d S e p . 2 3 , 1 9 3 0 ,
t h e
i n v e n t o r i d e n t i ? e d
t h e p o i n t
on
t h e
cam
s h a p e
Where
t h e
s h a p e
changes from concave t o
c o n v e x .
H e n o t e d
t h a t
t h i s p o i n t
on
t h e c u r v e
Would
c a r r y t h e l o a d ,
c a u s e d
by
t h e c o n t a c t o f t h e r o l l e r
f o r a
l o n g e r p e r i o d o f
t i m e .
To overcome
t h i s d W e l l p r o b l e m ,
h e u t i l i Z e d a p r o l a t e
t r o c h o i d c u r v e
Where
t h e g e n e r a t i n g p o i n t
i s t h r e e - f o u r t h s
t h e
d i s t a n c e
from t h e
c e n t e r
o f t h e
g e n e r a t i n g
c i r c l e com
p a r e d
t o t h e r a d i u s o f t h e
g e n e r a t i n g
c i r c l e . T h i s d i s t a n c e
m u s t a l s o
e q u a l
t h e e c c e n t r i c i t y o f t h e c r a n k .
T h e
d W e l l p o i n t
i s a
p o i n t
on t h e
cam
h a t has a Zero
r a d i u s of
curvature a r i d
t h i s
p o i n t c a n n o t
s u p p o r t l o a d s
W i t h o u t
d e t e r i o r a t in g t h e
cam. For
t h i s r e a s o n , c y c l o i d a l
c u r v e s
should n o t
be used
i n
r o l l e r
c a m s . By l o c a t i n g t h e
g e n e r a t i n g p o i n t s o f a r
f r o m t h e
s u r f a c e o f t h e
g e n e r a t i n g
p i t c h c i r c l e , t h e
e f f e c t i v e
compo
n e n t
o f t h e f o r c e s betWeen t h e r o l l e r and t h e cam s g r e a t l y
r e d u c e d .
t h e r e b y
s e v e r e l y
l i m i t i n g t h e
c a p a c i t y
o f
t h i s
p r i o r
a r t mechanism
t o
h a n d l e
t o r q u e .
U . S . P a t . N o .
5 , 2 4 7 , 8 4 7
d a t e d S e p . 2 8 ,
1 9 9 3
i s
p a r t i c u l a r l y
r e l e v a n t t o
t h e i n s t a n t
d i s c l o s u r e .
I t d e s c r i b e s
t h e
u s e o f r o l l e r cams f o r e x t e r n a l
a s s e m b l i e s W h e r e
t h e
r o l l e r
r i n g
i s a l W a y s
s m a l l e r ,
i n a r a c k
a n d p i n i o n a s s e m b l y W h e r e t h e r o l l e r
r i n g
i s t h e p i n i o n ; a n d
i n
a t o r q u e assembly Where
t h e r o l l e r
cam s
i n
a b e v e l g e a r
d e s i g n .
The d e ? n i t i o n a n d
d e s c r i p t i o n
o f t h e
r o l l e r
cams i n
t h i s
r e f e r e n c e u t i l i Z e a m a t h e m a t i c a l p r e s e n t a t i o n W i t h
t h e
l i n e
o f
c e n t e r s b e i n g h e l d c o n s t a n t a n d t h e t W o r o t a t i n g
members b e i n g r o t a t e d . T h i s p r o c e d u r e f o l l o W s
t h e
h i s t o r i
c a l g r a p h i c a l p r o c e d u r e u s i n g c o n j u g a t e c u r v e s .
F u r t h e r m o r e , t h i s
p r o c e d u r e
c a n d e v e l o p
t h e
same s h a p e d
t o o t h
t h a t i s
c r e a t e d by t h e
u s e o f
e p i c y c l o i d a l m a t h e m a t i c s
d e s c r i b e d
h e r e i n .
I n
t h e l a t t e r c a s e , one
o f
t h e
p i t c h
c i r c l e s
i s
h e l d
s t a t i o n a r y W h i l e t h e l i n e
o f
c e n t e r s a n d t h e o t h e r p i t c h
c i r c l e ,
W i t h
t h e
g e n e r a t i n g
p o i n t , i s a l l o W e d t o r o t a t e . I n
b o t h
c a s e s , t h e
t o o t h s h a p e s g e n e r a t e d a r e
i d e n t i c a l . The
p r a c t i c a l
p r o b l e m
W i t h t h e s e
e p i c y c l o i d a l
a n d c y c l o i d a l t o o t h s h a p e s
i s t h a t
t h e r e
i s one
p o i n t
on
t h e
f a c e
o f
e a c h t o o t h t h a t
h a s
a Z e r o - r a d i u s o f c u r v a t u r e . And h i s
p o i n t
W i l l
n o t h a n d l e
any
f o r c e s
W i t h o u t
i n ? i c t i n g s e r i o u s
d e t e r i o r a t i o n
on t h e cam
s u r f a c e .
TWo d d i t i o n a l r e f e r e n c e s t h a t
a r e
someWhat r e l e v a n t t o
t h e
d i s c l o s e d
i n v e n t i o n i n c l u d e US. P a t N o .
3 , 7 8 3 , 7 1 2
d a t e d J a n . 8 , 1 9 7 4 , Which d i s c l o s e s a r o l l e r
cam
a s s e m b l y
e m p l o y i n g a
l o n g a r c i n g s l o t c o n t a i n i n g t W o s u s p e n d e d
r o l l e r s t h a t a r e s e p a r a t e d by a Wedge t o
? l l
t h e s l o t a n d
t r a n s m i t t o r q u e ;
a n d US.
a t .
N o . 4 , 6 0 4 , 9 1 6
d a t e d A u g .
1 2 ,
1 9 8 6 , Which u s e s
a
f r e e ? o a t i n g s e t o f r o l l e r s
on a
r e t a i n i n g
r i n g
a s
u s e d i n
r o l l e r b e a r i n g s .
T h i s r i n g o f r o l l e r s h a s o n e
more
r o l l e r
t h a n
t h e i n n e r
member
h a s n o t c h e s
and one
l e s s
r o l l e r
t h a n
t h e o u t e r
member h a s
n o t c h e s and
a l l
r o l l e r s
a r e
i n c o n t a c t W i t h b o t h t h e
i n n e r member and
t h e o u t e r
member
a t
a l l
t i m e s .
SUMMARY OF THE
INVENTION
T h i s
i n v e n t i o n d i s c l o s e s
a
t r a n s m i s s i o n having
a r o l l e r
cam assembly h a t u t i l i Z e s a p a i r
o f
d r i v e s h a f t s , one a n i n p u t
s h a f t
and
h e o t h e r a n o u t p u t
s h a f t , Wher ein one
o f s a i d s h a f t s
i s
a t t a c h e d t o a t o o t h e d cam
having
a t r o c h o i d a l p r o ? l e and
t h e o t h e r d r i v e s h a f t i s a t t a c h e d t o
a r o l l e r
r i n g h a v i n g
a
p l u r a l i t y
o f
a t t a c h e d
c y l i n d r i c a l
r o l l e r
s h a f t s
a l i g n e d
t o
mesh
W i t h
s a i d
t o o t h e d cam a n d t h e r e b y p e r m i t
t h e t r a n s f e r
o f
t o r q u e from one s h a f t
t o
t h e o t h e r .
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
13/16
US 6 , 9 0 2 , 5 0 7 B2
3
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
FIG.
1
i s an
e l e v a t e d a x i a l view o f a c u r t a t e e p i t r o c h o i d a l
cam
and r o l l e r r i n g a s s e m b l y w h e r e i n t h e a x i s o f t h e
cam
s
w i t h i n
o r
i n s id e t h e
p i t c h
c i r c l e o f t h e r o l l e r
r i n g .
F I G . 2 i s t h e
same
view
a s
F I G . 1 , i n p a r t i a l s e c t i o n ,
s h o w i n g
a o n e - h a l f
p i t c h
c l o c k w i s e d i s p l a c e m e n t f r o m F I G .
1 .
F I G .
3
i s a n e l e v a t e d s i d e
view o f
F I G .
1 a f t e r
r o t a t i n g t h e
r o l l e r cam a s s e m b l y 9 0
i n
t h e h o r i Z o n t a l p l a n e .
F I G .
4
i s a n e l e v a t e d a x i a l view o f a p r o l a t e e p i t r o c h o i d a l
cam
and r o l l e r r i n g a s s e m b l y w h e r e i n t h e a x i s o f t h e
cam
s
o u t s i d e
t h e
p i t c h c i r c l e o f
t h e
r o l l e r r i n g .
F I G . 4 a i s a n
e n l a r g e d
view
o f
t h e e p i t r o c h o i d cam
o f
F I G .
4 showing
t h e s t r o b b e d m o t i o n o f
a s o l it a r y r o l l e r s
r e l a t i v e
motion a c r o s s t h e
f a c e
of t h e cam.
F I G . 4 b
i s a
f u r t h e r e n l a r g e m e n t
o f a
s i n gl e p i t c h
o f
t h e
cam o f F I G .
4 a ,
which
more c l e a r l y
d e p i c t s how t h e p r o ? l e
o f
t h e cam
p e r f e c t l y
matches t h e
r e l a t i v e
motion
o f
t h e
r o l l e r .
F I G .
5
i s
t h e same view a s
F I G .
4 ,
i n p a r t i a l
s e c t i o n , b u t
showing
a
o n e - h a l f p i t c h d e v i a t i o n
f r o m
F I G .
4 .
F I G . 6 i s a n e l e v a t e d s i d e view
o f
F I G . 4 a f t e r r o t a t i n g t h e
r o l l e r
cam
a s s e m b l y
r o t a t e d
9 0 i n t h e h o r i Z o n t a l
p l a n e .
F I G . 7 i s
a n
e l e v a t e d
a x i a l view o f a
p r o l a t e
e p i t r o c h o i d a l
cam and r o l l e r assembly wherein t h e a x l e o f t h e cam i s
l o c a t e d i n s i d e t h e p i t c h c i r c l e o f t h e r o l l e r r i n g .
FIG. 8 i s an
e l e v a t e d
a x i a l view
o f
a c u r t a t e e p i t r o c h o i d a l
cam and r o l l e r ass embly wherein t h e
a x i s o f
t h e cam i s
e x t e r n a l t o t h e p i t c h
c i r c l e o f
t h e
r o l l e r r i n g .
F I G .
8a i s
t h e
i s
t h e c u r t a t e e p i t r o c h o i d
cam
o f F I G . 8
showing t h e
i n c r e m e n t a l
m o t i o n o f a s o l i t a r y r o l l e r s
r e l a t i v e
motion a c r o s s t h e f a c e of t h e cam.
F I G . 8b i s a n
e n l a r g e d
view o f a s i n g l e p i t c h o f t h e
cam
o f F I G . 8 d e p i c t i n g
s u b s e c t i o n s I V ) o f t h e
r o l l e r s
i n t e r
a c t i o n with
t h e cam.
F I G .
9
i s a n e l e v a t e d
a x i a l
view
o f a
p r o l a t e h y p o t r o c h o i d
cam a n d
r o l l e r
r i n g a s s e m b l y .
FIG.
10
i s an
e l e v a t e d a x i a l view o f a c u r t a t e h y p o t r o
c h o i d
cam
a n d r o l l e r
r i n g
a s s e m b l y .
F I G .
1 1
i s a n e l e v a t e d
a x i a l view o f a
p r o l a t e
h y p o t r o
c h o i d a l cam a n d
r o l l e r r i n g
a s s e m b l y w i t h
a n
e c c e n t r i c a x l e
on t h e r o l l e r r i n g .
FIG. 12 i s an
e l e v a t e d
a x i a l view o f a c u r t a t e h y p o t r o
c h o i d a l
cam a n d r o l l e r r i n g a s s e m b l y w i t h a n e c c e n t r i c s h a f t
on t h e r o l l e r r i n g .
F I G . 1 3 i s a t w o - s t a g e h y p o t r o c h o i d a l r e v e r t e d e p i c y c l i c
r o l l e r r i n g a s s e m b l y w h e r e i n t h e
i n p u t
a n d
o u t p u t
s h a f t s a r e
i n
t h e p l a n e o f t h e
p a g e .
F I G . 14
i s a c u r t a t e
t r o c h o i d a l cam
r o l l e r
r i n g
assembly
t h a t
c h a n g e s
r o t a r y
m o t i o n
i n t o l i n e a r
m o t i o n
DESCRIPTION OF THE
PREFERRED
EMBODIMENTS
An u n d e r s t a n d i n g
o f
t h e d i s c l o s e d r o l l e r
cam
a s s e m b l y
c a n
b e
b e s t a p p r e c i a t e d b y r e f e r r i n g t o t h e
d r a w i n g .
T h i s
d i s c l o s u r e
d e s c r i b e s f o u r
d i f f e r e n t t y p e s
o f t r o c h o i d
cam
p r o ? l e s t h a t
c a n
i n t e r a c t
e f ? c i e n t l y w i t h
a p p r o p r i a t e l y
matched r o l l e r r i n g a s s e m b l i e s . These
cam
p r o ? l e s
c a n
b e
d e s c r i b e d
e i t h e r
m a t h e m a t i c a l l y
o r
m e c h a n i c a l l y . T h i s
d o c u
ment w i l l
do
b o t h .
The
cams can be l o c a t e d i n t e r n a l
t o
t h e
c i r c u mf e r e n c e o f
t h e
r o l l e r r i n g
a s s e m b l y s e e
F I G S . 1 ) .
Or
t h e y c a n b e
l o c a t e d
e x t e r n a l l y
t o t h e
c i r c u m f e r e n c e o f
t h e
r o l l e r r i n g a s s e m b l y s e e F I G S . 4 ) . A d d i t i o n a l l y , t h e
cam
10
1 5
20
25
35
40
45
55
60
6 5
4
c a n a l s o s u r r o u n d
t h e r o l l e r
r i n g a s
i n FIGS.
9 1 2 .
When
h e
cam
s
i n t e r n a l o r e x t e r n a l t o t h e
r o l l e r
r i n g a s s e m b l y , b u t n o t
s u r r o u n d i n g
t h e r o l l e r r i n g a s s e m b l y , i t i s a n e p i t r o c h o i d
cam. I n t h i s d i s c l o s u re , t h e
cams
and r o l l e r r i n g s move t h e
same a s with
t h e g e a r s . The
cam
shape c o n t r o l s
t h e
r e l a t i v e
motion
between
them so a s t o generate t h e same output a s
g e a r s . Herein a r e d e s c r i b e d two t y p e s o f e p i t r o c h o i d a l cams
n a m e l y ,
c u r t a t e
F I G .
1 )
a n d
p r o l a t e
F I G .
4 ) .
S i m i l a r l y ,
we
w i l l d e s c r i b e
two t y p e s o f
r o l l e r
r i n g - s u r r o u n d i n g cams
n a m e l y ,
c u r t a t e
h y p o t r o c h o i d a l
s e e F I G S .
1 0 2 )
a n d
p r o l a t e
h y p o t r o c h o i d a l
s e e F I G S . 9 1 ) .
F u r t h e r m o r e ,
t h e
t r o c h o i d a l
cam and r o l l e r
r i n g arrangement l e n d s i t s e l f t o u s e
i n e p i c y c l i c t r a n s m i ss i o n s a s d e p i c t e d i n F I G S .
1 1
2 .
FIG.
1 shows an a x i a l view of a c u r t a t e e p i t r o c h o i d a l cam
a n d r o l l e r r i n g a s s e m b l y 1 0 w h e r e i n t h e i n p u t s h a f t
2 8
a n d
t h e o u t p u t s h a f t 14 a r e
o f f s e t
a n d p r o j e c t i n t o a n d
o u t
o f t h e
p l a n e o f t h e p a g e . I n t h i s ? g u r e , A r e p r e s e n t s t h e i n p u t
t o r q u e
on t h e
r o l l e r
r i n g
24
a s
d e l i v e r e d by t h e
r o l l e r r i n g
i n p u t
s h a f t 2 8 .
T h i s c l o c k w i s e t o r q u e A
w i l l
d r i v e
t h e
c u r t a t e
e p i t r o c h o i d
cam 1 2 i n a
c l o c k w i s e
d i r e c t i o n
r e s u l t i n g
i n
a r e d u c e d
o u t p u t t o r q u e
B
which
i s
t r a n s f e r r e d t o
t h e
o u t p u t s h a f t 1 4 . Because t h e r e a r e more r o l l e r elements 26
on
t h e
i n p u t
r o l l e r
r i n g
t h a n
t e e t h
on
t h e
cam
1 2 ,
t h i s
c o n ? g u r a t i o n
r e p r e s e n t s
a n o v e r d r i v e t r a n s m i s s i o n i n which
a
0 . 6 7
t u r n on t h e
i n p u t
s h a f t 28 r e s u l t s i n 1 . 0 t u r n o f t h e
o u t p u t s h a f t 1 4 . The i t c h c i r c l e
o f
t h e
cam
1 2 a n d r o l l e r r i n g
24
a r e
r e p r e s e n t e d by t h e
c i r c l e s
l a b e l e d 2 1 1 r e s p e c
t i v e l y . The p i t c h c i r c l e s c o n t a c t a n d t u r n on
e a c h
o t h e r
w i t h o u t
s l i p p i n g a t t h e
1 2
o c l o c k p o s i t i o n . T h e p i t c h o f t h e
cam 1 2 a n d
t h e
r o l l e r r i n g 24
s
r e p r e s e n t e d by
t h e
v a l u e o f
X where t h e i n d i c a t e d
r a d i i
c r o s s t h e p i t c h
c i r c l e 21
o f t h e
cam 1 2 . R e f e r e n c e 27 s
i n t e n d e d t o
i n d i c a t e t h a t t h e r o l l e r s
c a n
c o n s i s t
e s s e n t i a l l y
o f a
s l e e v e w i t h
a
b u s h i n g
f o r h i g h
l o a d i n g
o r
a n y o f
a
v a r i e t y o f c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e
c a n t i l e v e r e d r o l l e r s w i t h i n t e r n a l r o l l e r
b e a r i n g s
f o r l o w e r
l o a d
a p p l i c a t i o n s a n d
r e d u c e d
f r i c t i o n a l l o s s e s .
T h e s e
d e s i g n s d o
n o t
e x c l u d e t h e u s e o f
r o l l e r s w i t h end
s u p p o r t s .
I n t h i s d i s c l o s u r e , end
s u p p o r t s
a r e n o t i n c l u d e d in t h e
d r a w i n g
t o
s i m p l i f y
t h e
? g u r e s a n d
t h e
v i s u a l i Z a t i o n s o f t h e
d e s i g n s .
Upon
c l o s e r
i n s p e c t i o n
o f F I G .
1 ,
t h e r a n g e
o f
r o l l e r p i n
26 i n t e r a c t i o n s
with
t h e cam
12
i s a p p a r e n t . The cam
p o s i t i o n 2 2 d e p i c t s
t h e
i n i t i a l c o n t a c t o r d r i v i n g
i n t e r a c t i o n
b e t w e e n t h e
r o l l e r
p i n 2 6 a n d t h e cam
o o t h 3 0 .
S i m il a r l y , t h e
cam
p o s i t i o n
20
shows
t h e ? n a l
c o n t a c t
r e g i o n between t h e
cam
t o o t h
30
a n d t h e r o l l e r p i n 2 6 .
The
i n t e r a c t i o n between
t h e r o l l e r
p i n
a n d a c u r t a t e e p i t r o c h o i d
cam
s f a i r l y complex
a n d w i l l b e
e x p l a i n e d
i n d e t a i l
b y
r e f e r r i n g
t o
F I G . 8 b .
B r i e ? y ,
t h e i n t e r a c t i n g
r o l l e r p i n m a k e s s e v e r a l t r a n s i t i o n s
from d r i v i n g 22 t o h o l d i n g 1 7 t o a n e u t r a l o r n o d a l p o s i t i o n
1 8
back t o
a d r i v i n g p o s i t i o n 1 9 a n d
t o
a ? n a l h o l d i n g
i n t e r a c t i o n
i n
p o s i t i o n 2 0 . Such i n t r i c a t e i n t e r a c t i o n s
a r e n o t
o b v i o u s upon a c a s u a l s c a n n i n g o f t h e ? g u r e s .
F I G . 2 d e p i c t s
t h e
r o l l e r
cam
a s s e m b l y
r o t a t e d o n e - h a l f
X
o r
o n e - h a l f p i t c h from h e
p o s i t i o n
shown n F I G . 1 . N o t e t h e
p o s i t i o n s
M n d
N , w h i c h r e p r e s e n t
t h e i n i t i a l
a n d
? n a l
p o s i t i o n s
o f
r o l l e r
p i n
26
i n t e r a c t i o n w i t h cam
1 2 . When
FIGS.
1
and 2 a r e
c o n c e p t u a l l y
combined, a
b e t t e r a p p r e
c i a t i o n
o f
t h e r o l l e r
p i n
26 and
cam
1 2 i n t e r a c t i o n
i s
r e a l i Z e d .
N o t e t h e
d i s p l a c e m e n t
o f t h e
r o l l e r p i n
c e n t e r s i n si d e t h e
p i t c h c i r c l e
o f
t h e cam 2 1 . T h i s r a d i a l d i s p l a c e m e n t i s a
c o n t r o l l i n g
f a c t o r
i n
d i c t a t i n g t h e c u r t a t e
e p i t r o c h o i d a l cam
p r o ? l e shown
n
F I G S .
1 a n d 2 . T h i s d i sp l a c e m e n t
i n s i d e 3 1
i s
d e ? n e d b y
t h e
t e r m e p s i l o n i n t h e
c u r t a t e
e p i t r o c h o i d
p r o ? l e - d e ? n i n g e q u a t i o n s , i n f r a .
F I G . 3
o f f e r s a l o n g i t u d i n a l p e r s p e c t i v e w h e r e i n t h e r o l l e r
cam
a s s e m b l y 10 i n F I G . 1 h a s been
r o t a t e d
9 0 i n
t h e
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
14/16
US 6 , 9 0 2 , 5 0 7 B2
5
h o r i z o n t a l p l a n e
s u c h
t h a t t h e
cam
s h a f t 1 4 and t h e r o l l e r
r i n g s h a f t
28
a r e noW
i n t h e
p l a n e
o f
t h e p a g e . The com
p a c t n e s s o f t h i s c u r t a t e e p i t r o c h o i d cam
a n d
r o l l e r
r i n g
d e s i g n i s c l e a r l y s e e n i n t h i s v i e W .
F I G S .
4 , 5 , r e p r e s e n t a s e r i e s
o f v i e W s
p a r a l l e l
t o
F I G S . 1 ,
2 ,
e x c e p t t h a t t h e cam
d e s i g n
i s a
p r o l a t e
e p i t r o c h o i d t y p e
a n d
t h e
cam
a X i s
i s
l o c a t e d o u t s id e
t h e
c i r c u m f e r e n c e
o f t h e r o l l e r r i n g a s s e m b l y
2 4 .
F I G . 4 i s a n
a X i a l vieW
o f
a p r o l a t e e p i t r o c h o i d
cam a n d
r o l l e r r i n g
a s s e m b l y 1 0 W h e r e i n t h e
i n p u t
s h a f t 1 4 a n d t h e o u t p u t s h a f t
28 a r e o f f s e t a n d p r o j e c t i n t o a n d o u t o f t h e p l a n e o f t h e p a g e .
I n t h i s ? g u r e
A
r e p r e s e n t s t h e i n p u t t o r q u e o n t h e
cam 1 2
a s d e l i v e r e d by h e i n p u t cam
s h a f t
1 4 .
T h i s c l o c k W i s e
t o r q u e
A i l l d r iv e t h e r o l l e r r i n g
a s s e m b l y
24
i n a
c o u n t e r
c l o c k W i s e
d i r e c t i o n
r e s u l t i n g
i n a
i n c r e a s e d o u t p u t t o r q u e
B , W h i c h i s t r a n s f e r r e d
t o
t h e
r o l l e r
r i n g
o u t p u t
s h a f t
2 8 .
Because
t h e r e a r e more
r o l l e r elements 26
on t h e o u t p u t
r o l l e r r i n g
t h a n
t e e t h o n t h e i n p u t cam 1 2 , t h i s
c o n ? g u r a t i o n
r e p r e s e n t s a
t r a n s m i s s i o n
i n Which 1 . 0
t u r n
on t h e i n p u t s h a f t
1 4 r e s u l t s i n 0 . 5
t u r n
o f t h e o u t p u t
s h a f t 2 8 .
The
p i t c h
c i r c l e s
o f
t h e
cam 1 2 a n d
r o l l e r
r i n g
24
a r e r e p r e s e n t e d
by
h e c i r c l e s
l a b e l e d
2 1 1
r e s p e c t i v e l y . The
p i t c h
c i r c l e s c o n t a c t a n d
t u r n on
e a c h o t h e r
W i t h o u t s l i p p i n g
a t
t h e
6 o c l o c k p o s i t i o n
o f t h e
cam.
Note t h a t t h e
r o l l e r p i n c e n t e r s a r e
d i s p l a c e d
i n W a r d l y
f r o m t h e
r o l l e r
r i n g p i t c h
c i r c l e
3 1 o r o u t W a r d f r o m
t h e
p i t c h
c i r c l e
o f
t h e cam 2 1 .
T h i s
i n W a r d d i sp l a c e m e n t
o f
t h e r o l l e r p i n
c e n t e r s
f r o m t h e r o l l e r r i n g
p i t c h
c i r c l e i s
s i m i l a r l y
t h e c o n t r o l l i n g f a c t o r f o r d e ? n i n g t h e
p r o l a t e
e p i t r o c h o i d
cam
p r o ? l e . T h i s d i sp l a c e m e n t
i s
de?ned a s
e p s i l o n
i n
t h e p r o l a t e e p i t r o c h o i d d e ? n i n g e q u a t i o n s
i n f r a .
The
p i t c h o f t h e cam 1 2
a n d
t h e
r o l l e r
r i n g
24 s
d e s i g n a t e d
b y t h e v a l u e X a s
m e a s u r e d
a l o n g t h e
p i t c h c i r c l e .
F I G S . 4 a a n d 4 b c l e a r l y
shoW t h a t
t h e
p r o ? l e o f t h e
p r o l a t e
e p i t r o c h o i d
cam s s u c h t h a t
i t
c o m p l e t e l y d e ? n e s t h e
r e l a t i v e
motion o f t h e r o l l e r p i n c e n t e r a c r o s s t h e cam. I n t h i s
vieW
t h e
cam
s
h e l d i n p l a c e a n d
t h e
r o l l e r
r i n g p i t c h
c i r c l e
i s r o t a t e d a r o u n d t h e
cam
i t c h c i r c l e .
From
t h e
b e g i n n i n g
t o
t h e
e n d
o f
t h e p i t c h c y c l e , t h e
r o l l e r
p i n
2 6
i s
i n
c o n t i n u o u s
c o n t a c t With t h e
cam
1 2 .
I n c o n t r a s t
t o t h e c u r t a t e e p i t r o c h o i d cam
F I G S .
1 3 ) , t h e
i n i t i a l
r o l l e r c o n t a c t
a t p o s i t i o n O ) F I G . 4 o f t h e
d r i v i n g
p r o l a t e e p i t r o c h o i d
cam
1 2
a l s o
s e e
F I G S . 4 6 )
p r o v i d e s a
h o l d i n g a c t i o n a s o p p o s e d t o a d r i v i n g
a c t i o n .
S i m i l a r l y , t h e
? n a l i n t e r a c t i o n o f
t h e d r i v i n g
p r o l a t e
e p i t r o c h o i d a l
cam
W i t h
t h e
r o l l e r r i n g 2 4
i s a
d r i v i n g
c o n t a c t
s e e F I G S . 4 , 4 a ,
b ) .
HalfWay betWeen p o s i t i o n s O
n d P
s
a
n e u t r a l o r
n o d a l
p o i n t
i n t h e
r o l l e r p i n s
i n t e r a c t i o n W i t h t h e cam s e e
F I G .
4 ) . At t h e n e u t r a l
p o s i t i o n
t h e
cam i s
n o t d r i v i n g
o r
h o l d i n g
b a c k t h e r o l l e r p i n . I n F I G .
4
t h e
d r i v i n g
f a c e o f t h e
cam t o o t h
16
and
t h e
h o l d i n g
f a c e o f
t h e cam t o o t h
a r e
i d e n t i ? e d b y
2 2 a n d
2 0 ,
r e s p e c t i v e l y .
The
c o n t a c t i n g
p i t c h
c i r c l e s o f t h e
cam
a n d
r o l l e r r i n g a r e
r e p r e s e n t e d
b y
t h e c i r c l e s
l a b e l e d
2 1
a n d
3 1 ,
r e s p e c t i v e l y .
N o t e t h a t t h e r o l l e r p i n
c e n t e r s
a r e d i s p l a c e d i n W a r d l y f r o m
t h e
r o l l e r r i n g p i t c h c i r c l e 3 1 o r o u t W a r d
f r o m t h e
p i t c h c i r c l e
o f
t h e
cam
2 1 .
T h i s i n W a r d
d i s p l a c e m e n t
o f
t h e r o l l e r
p i n
c e n t e r s f r o m t h e
p i t c h
c i r c l e i s
s i m i l a r l y
t h e
c o n t r o l l i n g
f a c t o r
f o r
d e ? n i n g t h e p r o l a t e e p i t r o c h o i d cam p r o ? l e .
T h i s
d i s p l a c e m e n t
i s d e ? n e d
a s
e p s i l o n
i n t h e p r o l a t e
e p i t r o c h o i d
d e ? n i n g e q u a t i o n s , i n f r a .
F I G .
5 i l l u s t r a t e s a n a l t e r n a t e vieW o f
FIG.
4 W herein t h e
cam
h a s been
r o t a t e d
c l o c k W i s e o n e - h a l f
p i t c h .
I n F I G . 5 t h e
u n i q u e f e a t u r e
o f p r o l a t e e p i t r o c h o i d cams
i s c l e a r l y
r e v e a l e d
b y s h o W i n g t h a t
t h e
s i n g l e e n g a g e d
cam
t o o t h
i s
s i m u l t a n e o u s l y d r i v i n g a n d h o l d i n g
t h e
r o l l e r r i n g
a n d
m i n i m i Z i n g b a c k - l a s h
b y h o l d i n g b a c k t h e
n e X t r o l l e r p i n t o
10
1 5
20
25
30
35
40
45
55
60
6 5
6
b e
d r i v e n .
An
a d v a n t a g e i n
t h i s d e s i g n i s t h e
m i n i m i Z a t i o n
o f
t h e in t e r m i t t e n t
motion Which
s
more l i k e l y
W i t h
i n v o l u t e
g e a r d e s i g n s .
F I G .
6
g i v e s
a l o n g i t u d i n a l p e r s p e c t i v e
W h e r e i n t h e
r o l l e r
cam assembly
10
i n
F I G .
4
h a s been r o t a t e d 9 0 s o t h a t t h e
cam s h a f t 14 and
t h e
r o l l e r r i n g s h a f t 28 a r e noW i n
t h e
p l a n e
o f t h e p a g e .
FIGS.
7 shoW t h a t
t h e r o l l e r r i n g - e p i t r o c h o i d
cam
r e l a t i o n s h i p s
d e s c r i b e d
i n FIGS. 13
a n d
FIGS. 46 c a n
b e
r e v e r s e d
W i t h
r e s p e c t
t o t h e
l o c a t i o n o f
t h e cam s h a f t , v i Z .
t h e same
cam can
Wor k
With
tWo
unique
r o l l e r r i n g s . The
r o l l e r
r i n g s
a r e c l e a r l y d i f f e r e n t d e p e n d i n g on W h e t h e r t h e
cam i s l o c a t e d
i n s i d e o r
o u t s i d e
o f
t h e r o l l e r r i n g s circum
f e r e n c e .
Compare
FIGS.
4 a n d
1
.
F I G S . 8 A a n d
8 B shoW c l o s e - u p a n d
e x t r e m e
c l o s e - u p
vieWs
o f
t h e
i n c r e m e n t a l
motion
o f a n
i n d i v i d u a l
r o l l e r p i n
26 a c r o s s t h e c u r t a t e e p i t r o c h o i d cam 12 i n FIG. 8 . T h i s
m o t i o n
c a n b e d u p l i c a t e d
by
h o l d i n g
t h e
cam
s t i l l
a n d
r o t a t i n g t h e r o l l e r
r i n g
a r o u n d t h e
cam
t a d i s t a n c e e q u a l
t o
t h e
sum
o f
t h e
cam
a n d r o l l e r r i n g p i t c h c i r c l e
r a d i i .
I n t h e s e
? g u r e s
t h e cam i s
r o t a t i n g
W i t h a c l o c k W i s e d r i v i n g t o r q u e
B .
With t h e c u r t a t e
e p i t r o c h o i d
c a m , t h e r e l a t i v e motion o f
t h e
r o l l e r
p i n a c r o s s
t h e
cam i s
n o t
i n t u i t i v e l y
o b v i o u s .
T h e r e f o r e ,
t h i s
m o t i o n
i s
shoWn i n
e X t r e m e
c l o s e - u p W i t h
t h e
p h a s e s
o f
r o l l e r cam
c o n t a c t i n d i c a t e d by
Roman n u m e r a l s
IV
F I G .
8 B ) . The i n i t i a l r o l l e r p i n 2 6
a n d
cam c o n t a c t
t a k e s o c c u r s a l o n g a h o l d i n g f a c e o f
t h e
cam
t o o t h 22
d e s i g n a t e d
p h a s e
I . T h e
r o l l e r p i n
t h e n d e p a r t s
f r o m t h e
i n i t i a l c o n t a c t t o o t h a t a
p o i n t
d e s i g n a t e d
30
a n d
t h e n
t r a v e r s e s t h e
notch
and contacts t h e
neXt
cam tooth on a
d r i v i n g
f a c e
1 7 d e s i g n a t e d
p h a s e
I I . D r i v i n g o c c u r s d u r i n g
p h a s e
I I a s t h e r o l l e r t r a v e r s e s doWn t h e cam t o o t h
u n t i l
t h e
r o l l e r
r e a c h e s
t h e bottom
o f
t h e t o o t h o r t h e n o t c h
1 8 ,
d e s i g n a t e d p h a s e
I I I . At h i s p o i n t
t h e
r o l l e r i s n o t d r i v i n g o r
h o l d i n g . I t
i s i n a n o d a l p o s i t i o n . D u r i n g p h a s e IV h e r o l l e r
t r a v e r s e s up t h e
h o l d i n g
cam f a c e 1 9 u n t i l i t r e a c h e s p o s i t i o n
3 0 .
At
h i s p o i n t t h e
r o l l e r c e a s e s
i t s h o l d i n g a c t i o n
a n d a g a i n
t r a v e r s e s
t h e
n o t c h
and
c o n t a c t s
a n o t h e r d r i v i n g
f a c e
o f
t h e
a d j a c e n t cam t o o t h .
T h i s ? n a l
d r i v i n g
p h a s e i s
d e s i g n a t e d
phase
V .
We a l l t h i s unique motion a c r o s s t h e cam a
gamma
m o t i o n a f t e r t h e Greek c h a r a c t e r
t h a t
i t s i m u l a t e s .
T h i s
c o m p l e X
m o t i o n W i t h
t W o p h a s e s o f d r i v i n g a n d t W o
p h a s e s o f h o l d i n g W i t h i n a
s i n g l e
p i t c h
c y c l e
h a s
n o t b e e n
d e s c r i b e d
b e f o r e
a n d e n a b l e s t h i s d e s i g n
t o
d r a m a t i c a l l y
r e d u c e i n t e r m i t t e n t
a c t i o n .
N o r m a l l y ,
more t h a n one r o l l e r
c o n t a c t s
t h e cam i n a g i v e n
i n s t a n c e
and t h u s
h o l d i n g
and
d r i v i n g phases on a d j a c e n t cam t e e t h and
r o l l e r s
a r e
o v e r
l a p p i n g .
T h i s
o v e r l a p
m i n i m i Z e s
i n t e r mi t t e n t a c t i o n i n t h e s e
cam a n d
r o l l e r
r i n g d e s i g n s . O t h e r d e s i g n s t h a t h a v e c l a i m e d
t o e l i m i n a t e i n t e r m i t t e n t a c t i o n
h a v e
r e q u i r e d
c o n t i n u o u s
c o n t a c t betWeen
a r o l l i n g
elements and
t h e cams
t o
a c h i e v e
t h i s
e n d D i s t i n
e t a l . US. P a t .
N o .
4 , 5 8 4 , 9 0 4 ) .
FIG. 9 i l l u s t r a t e s a second form o f r o l l e r
cam
assembly
1 0 ,
n a m e l y
t h e p r o l a t e
h y p o t r o c h o i d
cam
d e s i g n .
W i t h
h y p o t r o c h o i d
cams
t h e r o l l e r
r i n g
a s s e m b l y
24
s
c o n t a i n e d
W i t h i n , o r s u r r o u n d e d b y , t h e
cam 1 2 .
I n t h i s ? g u r e t h e r o l l e r
r i n g s h a f t 2 8 i s
t h e
i n p u t
s h a f t
i m p a r t i n g a t o r q u e A o t h e
r o l l e r r i n g a s s e m b l y . T h i s a c t i o n a p p l i e s a
t o r q u e
B
t o
t h e
cam 1 2 , Which i s a t t a c h e d
t o
s h a f t 1 4 ,
a n d
i s
1 . 5 t i m e s
g r e a t e r t h a n
A .
I n a n i d e n t i c a l f a s h i o n t o t h e p r o l a t e
e p i t r o c h o i d
cam
s e e F I G . 4B
a n d
i t s d e s c r i p t i o n ) .
T h i s
h y p o t r o c h o i d cam
p r o v i d e s
a n i n i t i a l
h o l d i n g
a c t i o n upon
? r s t c o n t a c t
W i t h
t h e r o l l e r r i n g a n d a
d r i v i n g
a c t i o n f o l l o W
i n g t h e n o d a l
p o s i t i o n
a t s i X
o c l o c k i n F I G .
9 . C o n s e q u e n t l y ,
t h i s h y p o t r o c h o i d d e s i g n
a l s o
h a s
a l l t h e
b e n e ? t s o f t h e
p r o l a t e
e p i t r o c h o i d c a m - r o ll e r
r i n g
d e s i g n s u c h
a s
r e d u c e d
f r i c t i o n , e l i m i n a t e d
i n t e r f e r e n c e , a n d
m i n i m i Z e d i n t e r m i t t e n t
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
15/16
US 6 , 9 0 2 , 5 0 7 B2
7
a c t i o n .
The
c i r c l e s
l a b e l e d
3 1 a n d 2 1 r e p r e s e n t t h e p i t c h
c i r c l e s o f t h e r o l l e r
r i n g
a n d cam r e s p e c t i v e l y .
F I G . 10 a p p e a r s
q u i t e
s i m i l a r t o F I G . 9
b e c a u s e
i t a l s o i s
a h y p o t r o c h o i d
cam
r o l l e r r i n g a s s e m b l y .
However
t h e
c e n t e r s o f
t h e r o l l e r s
a r e d i s p l a c e d
i n
a r a d i a l
f a s h i o n
o u t s i d e
t h e p i t c h c i r c l e
o f
t h e r o l l e r r i n g 31
by a n
amount
6 . T h i s
d i f f e r e n c e m a n i f e s t s i t s e l f on t h e s h a p e o f t h e
c a m ,
r e q u i r i n g
i t
t o
be
a c u r t a t e
h y p o t r o c h o i d
i n
o r d e r
t o
c o n t r o l
t h e r e l a t i v e
motion o f t h e r o l l e r
r i n g
a s
i t i n t e r a c t s
With t h e cam a s
d e s c r i b e d
i n F I G . 8 B .
F I G S .
1 1 2 s i m p l y e X t e n d
t h e s e h y p o t r o c h o i d
cam
a n d
r o l l e r r i n g
a s s e m b l i e s i n t o
a n
e p i c y c l i c d e s i g n
W h e r e i n t h e
r o l l e r
r i n g
i s mounted
on a n e c c e n t r i c s h a f t o f
d i s p l a c e m e n t
Y e c c e n t r i c i t y ) a s i t r o t a t e s a r o u n d
i t s a X i s
3 3 . Also
n o t e
t h a t
i n FIGS. 1 1 and 12 t h e cams a r e
? x e d ,
and t h e e c c e n t r i c and
t h e
r o l l e r
r i n g r o t a t e
i n o p p o s i t e
d i r e c t i o n s .
As
shoWn i n
p r e v i o u s e p i c y c l i c g e a r d e s i g n s t h e s e d e s i g n s c a n p r o v i d e
m a s s i v e g e a r t r a i n v a l u e s
W i t h
c o r r e s p o n d i n g l y l a r g e
t o r q u e
m u l t i p l i c a t i o n . The
e p i c y c l i c
h y p o t r o c h o i d
r o l l e r
cam
a s s e m b l i e s a n d e p i c y c l i c
e p i t r o c h o i d r o l l e r
cam a s s e m b l i e s
shoWn
i n
F I G S .
1 1 a n d 1 2
i d e a l l y
h a n d l e t h e s e h i g h t r a i n
v a l u e s
a n d h i g h t o r q u e v a l u e s . The s t o u t
cam
t o o t h
p r o ? l e s
p r o v i d e s i g n i ? c a n t
s t r e n g t h
a d v a n t a g e s o ve r c o n v e n t i o n a l
i n v o l u t e g e a r s .
F u r t h e r m o r e ,
a l l t h e d e s i g n s p o r t r a y e d i n
t h i s
document a v o i d
a
p o i n t o f
Z e r o r a d i u s
o f
c u r v a t u r e , Which s
i n h e r e n t i n c y c l o i d s .
FIGS. 1 1 12
a r e
i n t e n d e d t o be ? r s t
s t a g e s
o f
a
t W o - s t a g e d
e p i c y c l i c
c o n ? g u r a t i o n . I n a
t W o - s t a g e d
c o n ? g u
r a t i o n t h e s e c o n d s t a g e i s i n tandem a n d m i r r o r s t h e ? r s t
s t a g e
F I G . 1 3 .
P l e a s e n o t e t h a t
t h e ? r s t
s t a g e
cam s p a r t
o f
t h e
h o u s i n g , a n d a l s o n o t e t h a t
t h e
r o l l e r
r i n g s
o f
b o t h
s t a g e s
a r e ?rmly a t t a c h e d t o e a c h o t h e r a n d
t h a t
t h e s e c o n d s t a g e
cam i s f r e e t o r o t a t e .
The o u t p u t s h a f t , Which
i s
?rmly
a t t a c h e d t o
t h e
s e c o n d s t a g e c a m , p r o v i d e s
t h e
o u t p u t
t o r q u e .
T h i s a r r a n g e m e n t W i l l
a l s o
Work
o r
e p i t r o c h o i d a l
c a m s . The
s e c o n d s t a g e c a n b e s l i g h t l y
l a r g e r
o r s m a l l e r
W i t h
t h e
p l a n e t a r y
r o l l e r r i n g s c o n n e c t e d . The s e c o n d s t a g e cam i s
f r e e
t o
r o t a t e around a n o u t p u t s h a f t
t h a t l i n e s
up W i t h
t h e
i n p u t
s h a f t .
T h e s e
t y p e s
o f
s t a g e d
e p i c y c l i c
t r a n s m i s s i o n s
c a n
p r o v i d e
v e r y h i g h t r a i n v a l u e s W i t h r e d u c e d r o t a t i o n a l
mass and
compact
s i Z e .
As an i n t u i t i v e
proof o f
concept a
mechanical
means
o f
p r o d u c i n g
t h e e p i t r o c h o i d
cams i n
F I G S .
4 W i l l b e
p r e s e n t e d : We e g i n W i t h t W o
p a r a l l e l
s h a f t s , s u c h
a s
1 4 a n d
2 8 o f F I G S . 4 , s p a c e d a s
d e p i c t e d
i n t h e
? g u r e s .
On
s h a f t
1 4 ,
We n s t a l l
a
g e a r blank o f s u f ? c i e n t
s i Z e
t o accommodate
cam 1 4 . O n
s h a f t
2 8 , W e n s t a l l c y l i n d r i c a l c u t t e r s
o f
t h e s i Z e
a n d p l a c e m e n t
a s t h e r o l l e r s on r o l l e r
r i n g
2 4 . I m a g i n e t h a t
t h e
c u t t e r s h a v e
c u t t i n g
t e e t h on
t h e i r s i d e s
a n d
e n d s , s u c h
a s c u t t e r s f o r
end
m i l l s . S h a f t s 1 4 8 a r e t h e n connected
by
t W o s p u r g e a r s h a v i n g i d e n t i c a l p i t c h
c i r c l e s
3 1 a n d 2 1 .
The
c u t t e r s ,
o r
t h e
cam
b l a n k , a r e / i s
connected t o
t h e s h a f t
t h r o u g h
s p l i n e s
s o t h a t t h e y may b e moved x i a l l y a l o n g t h e
s h a f t ,
a n d
t h e y
a r e
p o s i t i o n e d
s o t h a t
t h e
end m i l l c u t t e r s f a c e
t h e
p e r p e n d i c u l a r p l a n e o f
t h e
g e a r
b l a n k . With t h e c u t t e r s
s p i n n i n g a n d t h e s h a f t s
r o t a t i n g ,
t h e c u t t e r s a r e
b r o u g h t
i n t o
t h e same p e r p e n d i c u l a r p l a n e a s t h e g e a r b l a n k .
The
r e s u l t
i n g cam s h a p e W i l l b e t h a t
o f
cam 1 2 i n FIGS. 4 . The
same cam s h a p e c a n
a l s o be
g e n e r a t e d h a v i n g t h e
c u t t e r s
a r r a n g e d
t h e same
a s
t h e
r o l l e r s on r o l l e r
r i n g
24 i n FIGS.
1 a n d 8 . T h i s method Would a l s o
Work
f o r
h y p o t r o c h o i d a l
cams such a s t h o s e
i n FIGS.
9 0 .
I n p r a c t i c e ,
h o l d i n g
t h e s h a f t
o f
t h e
r o l l e r
r i n g
2 4
c o n
t a i n i n g t h e
c u t t e r s a n d
r o t a t i n g t h e
a r m
b e t W e e n s h a f t s 1 4
and 28
i n a n e p i c y c l i c a l
m a n n e r ,
g i v e s t h e same
r e l a t i v e
motion a s
d e s c r i b e d
above and
Would g e n e r a t e
cams h a v i n g
t h e
same s h a p e .
10
1 5
25
35
40
45
55
6 5
8
E q u a t i o n s
The e q u a t i o n s
t h a t de?ne
t h e m o t i o n
o f
t h e c e n t e r s
o f
t h e
r o l l e r
p i n s
a c r o s s t h e
e p i t r o c h o i d cams a r e d e r i v e d
from t h e
e q u a t i o n s
d e ? n i n g
e p i c y c l i c a l m o t i o n . I n
a
book e n t i t l e d :
M e c h a n i c a l d e s i g n a n d S y s t e m s Handbook
d i t e d
b y H a r o l d
A . R o t h b a r t
M c G r a W - H i l l , NeW Y o r k ,
1 9 6 4 )
t h e
e q u a t i o n
f o r
e p i c y c l o i d
m o t i o n
i s :
S e e
page
153
f o r t h e d e ? n i t i o n s o f t h e v a r i a b l e s . To
de?ne
t h e p r o l a t e e p i t r o c h o i d motion
a
v a r i a b l e
6 i s
added t o t h e
e q u a t i o n s i n f r a . 6
r e p r e s e n t s
a n
i n c r e m e n t a l
d i s p l a c e m e n t
o f
t h e
g e n e r a t i n g
p o i n t s )
f o r
t h e
cam f f
t h e
p i t c h
c i r c l e
o f t h e
r o l l e r r i n g a s s e m b l y
t o W a r d s t h e
c e n t e r o f
t h e
r o l l e r r i n g .
T h u s ,
t h e
e q u a t i o n f o r
t h e
p r o l a t e e p i t r o c h o i d m o t i o n p r o
d u c e by t h e
s i m i l a r l y
named cam b e c o m e s :
S i n c e t h e
c u r t a t e
e p i t r o c h o i d cam i s g e n e r a t e d When t h e
c e n t e r s o f t h e r o l l e r r i n g a r e d i s p l a c e d o u t s i d e t h e p i t c h c i r c l e
o f t h e r o l l e r r i n g , t h e e q u a t i o n d e ? n i n g t h i s m o t i o n b e c o m e s :
I n a s i m i l a r manner t h e e q u a t i o n s d e ? n i n g h y p o t r o c h o i d
m o t i o n a r e
d e r i v e d
f r o m t h o s e e q u a t i o n s d e s c r i b in g
h y p o
c y c l o i d a l m o t i o n . A g a i n a c c o r d i n g
t o
R o t h b a r t p 1 5 3 t h o s e
e q u a t i o n s a r e :
K l - b )
A g a i n , by
a m e n d i n g t h e a b o v e e q u a t i o n s W i t h t h e v a l u e 6 We
c a n de?ne
t h e p r o l a t e
h y p o t r o c h o i d
motion a s :
S i m i l a r l y ,
We can de?ne c u r t a t e hypotrochoid
motion
a s
f o l l o W s :
W h i l e t h e f o r e g o i n g
i s a
c o m p l e t e
a n d
d e t a i l e d d e s c r i p t i o n
o f
t h e
p r e f e r r e d embodiments o f
t h e
d i s c l o s e d
r o l l e r cam
a s s e m b l y , i t s h o u l d b e a p p a r e n t
t h a t numerous
a r i a t i o n s a n d
7/21/2019 US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission
16/16
US 6 , 9 0 2 , 5 0 7 B2
m o d i ? c a t i o n s c a n b e
employed t o
implement
t h e a l l
i m p or t a n t p u r p o s e o f
t h e a s s e m b l y
W i t h o u t d e p a r t i n g
f r o m
t h e s p i r i t
o f
t h e i n v e n t i o n ,
W h i c h i s
f a i r l y
d e ? n e d
b y t h e
a p p e n d e d c l a i m s .
What c l a i m i s :
1 .
A W o - s t a g e e p i c y c l i c
r o l l e r
cam
t r a n s m i s s i o n
c o m p r i s
i n g i n e a c h s t a g e :
a r o l l e r
r i n g h a v i n g a n
even number o f ? X e d - p o s it i o n
r o l l e r s ;
a n d
a cam gear having an
even
number of p i t c h - c i r c l e
g e n e r a t e d , c u r t a t e t r o c h o i d - s h a p e d t e e t h , a n d
W h e r e i n
s a i d r o l l e r s
a r e
spaced
t o
mesh
With
s a i d
cam
g e a r ,
W h e r e i n
a t l e a s t
o n e o f s a i d r o l l e r r i n g s
i s con?gured t o
r o t a t e .
2 .
The t r a n s m i s s i o n a c c o r d i n g t o c l a i m
1 , s a i d
t e e t h
h a v i n g c u r t a t e e p i t r o c h o i d a l p r o ? l e s .
3 .
The t r a n s m i s s i o n a c c o r d i n g t o c l a i m
1 , s a i d
t e e t h
h a v i n g
c u r t a t e
h y p o t r o c h o i d a l p r o ? l e s .
4 .
The t r a n s m i s s i o n a c c o r d i n g t o c l a i m
1 ,
W h e r e i n
t h e
o u t p u t o f t h e ? r s t s t a g e i s o n e o f
s a i d
r o l l e r
r i n g s ,
s a i d one
o f
s a i d r o l l e r r i n g s h a v i n g
a
? r s t
e v e n
number
o f
r o l l e r s , a n d
Wherein
t h e o u t p u t o f t h e
second s t a g e i s one
o f s a i d
cam
g e a r s , s a i d
one o f
s a i d
cam g e a r s
having t h e ? r s t
even
number o f t e e t h .
5 . The t r a n s m i s s i o n a c c o r d i n g t o c l a i m 1 ,
Wherein
t h e
o u t p u t
o f t h e
? r s t s t a g e i s one
o f
s a i d cam
g e a r s ,
s a i d
one o f
s a i d
cam e a r s having a ? r s t even
number o f t e e t h , a n d W h e r e i n t h e o u t p u t o f t h e s e c o n d
s t a g e i s one o f s a i d
r o l l e r
r i n g s , s a i d one
o f
s a i d r o l l e r
r i n g s
h a v i n g t h e ? r s t e v e n number o f r o l l e r s .
6 . A
W o - s t a g e e p i c y c l i c
r o l l e r
cam
t r a n s m i s s i o n c o m p r i s
i n g i n e a c h s t a g e :
a r o l l e r r i n g
h a v i n g
a p l u r a l i t y
o f ? X e d - p o s it i o n r o l l e r s ;
a n d
a cam gear having p i t c h - c i r c l e - g e n e r a t e d , c u r t a t e
t r o c h o i d - s h a p e d
t e e t h ;
W h e r e i n t h e
d i f f e r e n c e b e t W e e n
t h e
number
o f
s a i d
r o l l e r s
a n d
t h e
number
o f
s a i d
t e e t h
i s
a t
l e a s t
t W o ,
Wherein a t l e a s t
one o f
s a i d r o l l e r r i n g s
i s
con?gured t o
r o t a t e .
1 5
25
35
1 0
7 . The t r a n s m i s s i o n
a c c o r d i n g
t o
c l a i m 6 , s a i d t e e t h
h a v i n g c u r t a t e
e p i t r o c h o i d a l p r o ? l e s .
8 .
The t r a n s m i s s i o n
a c c o r d i n g
t o
c l a i m 6 , s a i d t e e t h
h a v i n g c u r t a t e h y p o t r o c h o i d a l p r o ? l e s .
9 . The t r a n s m i s s i o n a c c o r d i n g t o c l a i m 6 , W h e r e i n e a c h
r o l l e r r i n g
h a s
a n
even number o f
r o l l e r s , a n d
Wherein
e a c h
cam gear
has an
even
number
of
t e e t h .
1 0 . The t r a n s m i s s i o n
a c c o r d i n g
t o
c l a i m
6 , W h e r e i n a t
l e a s t
one
of s a i d r o l l e r s i s n o t i n c o n t a c t With s a i d cam g e a r
a t
a g i v e n t i m e d u r i n g
o p e r a t i o n
o f
t h e
t r a n s m i s s i o n .
1 1 . The t r a n s m i s s i o n
a c c o r d i n g t o c l a i m 6 , W h e r e i n t h e
o u t p u t o f
t h e
? r s t s t a g e
i s
o n e o f s a i d
r o l l e r r i n g s ,
s a i d
one
o f s a i d r o l l e r r i n g s h a v i n g a ? r s t
number
o f r o l l e r s , a n d
Wherein
t h e o u t p u t o f t h e
second s t a g e i s one
o f s a i d
cam
g e a r s ,
s a i d one
o f
s a i d cam g e a r s having
t h e ? r s t
number
o f
t e e t h .
1 2 .
The t r a n s m i s s i o n a c c o r d i n g t o c l a i m
6 ,
W h e r e i n
t h e
o u t p u t o f
t h e ? r s t s t a g e i s
one o f
s a i d
cam
g e a r s , s a i d one
o f
s a i d cam
g e a r s
h a v i n g
a ? r s t number o f
t e e t h , a n d W h e r e i n
t h e o u t p u t o f t h e s e c o n d
s t a g e
i s
o n e
o f s a i d
r o l l e r
r i n g s , s a i d
o n e o f
s a i d r o l l e r r i n g s
h a v i n g t h e ? r s t number o f r o l l e r s .
1 3 .
The
t r a n s m i s s i o n
a c c o r d i n g
t o
c l a i m
1 1 ,
s a i d
t e e t h
h a v i n g
c u r t a t e
e p i t r o c h o i d a l p r o ? l e s .
1 4 .
The t r a n s m i s s i o n
a c c o r d i n g
t o c l a i m 1 1 ,
s a i d
t e e t h
h a v i n g
c u r t a t e
h y p o t r o c h o i d a l p r o ? l e s .
1 5 .
The t r a n s m i s s i o n a c c o r d i n g t o c l a i m 1 1 , W h e r e i n e a c h
r o l l e r r i n g h a s a n even number o f r o l l e r s ,
a n d
Wherein e a c h
cam
gear
has an even number of t e e t h .
1 6 .
A
W o - s t a g e
e p i c y c l i c
r o l l e r cam
t r a n s m i s s i o n
com
p r i s i n g
i n e a c h
s t a g e :
a r o l l e r r i n g
h a v i n g
a p l u r a l i t y o f
? X e d - p o s i t i o n
r o l l e r s ;
a n d
a cam
gear
having p i t c h - c i r c l e - g e n e r a t e d ,
c u r t a t e
t r o c h o i d a l - s h a p e d
t e e t h ;
W h e r e i n a t
l e a s t
o n e o f s a i d r o l l e r r i n g s
i s con?gured
t o
r o t a t e .