US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission

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


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


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


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


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 .


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


7/16

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


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


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


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/


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


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 .


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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



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


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


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


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


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 .


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 .


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 .


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


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


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 .

US6902507 - Two-Stage Epicyclic Roller Cam Transmission

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