ISO/TS 14521:2020
(Main)Gears — Calculation of load capacity of worm gears
Gears — Calculation of load capacity of worm gears
This document specifies formulae for calculating the load capacity of cylindrical worm gears and covers load ratings associated with wear, pitting, worm deflection, tooth breakage and temperature. Scuffing and other failure modes are not covered by this document. The load rating and design procedures are only valid for tooth surface sliding velocities, , less than or equal to 25 m/s and contact ratios greater than 2,1. For wear, load rating and design procedures are only valid for tooth surface sliding velocities which are above 0,1 m/s. The rules and recommendations for the dimensioning, lubricants or materials selected by this document only apply to centre distances of 50 mm and larger. For centre distances below 50 mm, method A applies. The choice of appropriate methods of calculation requires knowledge and experience. This document is intended for use by experienced gear designers who can make informed judgements concerning factors. It is not intended for use by engineers who lack the necessary experience. See 4.7. WARNING — The geometry of worm gears is complex, therefore the user of this document is encouraged to make sure that a valid working geometry has been established.
Engrenages — Calcul de la capacité de charge des engrenages à vis
Le présent document définit des formules permettant de calculer la capacité de charge des engrenages à vis cylindriques et couvre les charges limites de base associées à l'usure, la formation d?écaillages, la déflexion de la vis, la rupture de dent et la température. Le grippage et les autres modes de défaillance ne sont pas couverts par le présent document. La charge limite et les procédures de conception ne sont valables que pour des vitesses de glissement à la surface de denture, , inférieures ou égales à 25 m/s et des rapports de conduite supérieurs à 2,1. Pour l'usure, la charge limite et les procédures de conception ne sont valables que pour des vitesses de glissement à la surface de denture supérieures à 0,1 m/s. Les règles et recommandations pour le dimensionnement, le choix des lubrifiants ou des matériaux donnés dans le présent document s'appliquent uniquement aux entraxes de 50 mm et plus. Pour les entraxes inférieurs à 50 mm, la méthode A s'applique. Le choix des méthodes de calcul appropriées requiert des connaissances et de l'expérience. Le présent document est destiné à être utilisé par des concepteurs d'engrenages expérimentés qui peuvent émettre des jugements avisés concernant les facteurs impliqués. Il n'est pas destiné aux ingénieurs n'ayant pas l'expérience nécessaire. Voir 4.7. AVERTISSEMENT — La géométrie des engrenages à vis est complexe, c'est pourquoi l'utilisateur du présent document est amené à s'assurer qu'une géométrie de fonctionnement valide a été établie.
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TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 14521
First edition
2020-04
Gears — Calculation of load capacity
of worm gears
Engrenages — Calcul de la capacité de charge des engrenages à vis
Reference number
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ISO 2020
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ISO/TS 14521:2020(E)
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Published in Switzerland
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ISO/TS 14521:2020(E)
Contents Page
Foreword .vi
Introduction .vii
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions and symbols . 1
3.1 Terms and definitions . 1
3.2 Symbols . 2
4 General consideration . 7
4.1 Worm gear load capacity rating criteria . 7
4.2 Basis of the method . 8
4.3 Concept of absolute and relative parameters . 8
4.4 Applicability . 9
4.5 Validity .10
4.6 System considerations .11
4.7 Calculation methods A, B, C .11
4.7.1 Generality on methods A, B and C .11
4.7.2 Notes on numerical formulae .12
4.7.3 Base conditions, interaction .12
4.7.4 Other notes .13
4.8 Standard reference gear .13
5 Required date for calculation.13
5.1 Input variable .13
5.2 Safety factors .15
6 Forces, speeds and parameters for the calculation of stresses .15
6.1 General .15
6.2 Tooth forces .15
6.2.1 Application factor .15
6.2.2 Dynamic factor . .15
6.2.3 Load distribution factor .15
6.2.4 Tooth force components .16
6.3 Sliding velocity at reference diameter .17
6.4 Physical parameters .17
6.4.1 Generality on physical parameters .17
6.4.2 Parameter for the mean Hertzian stress .18
6.4.3 Parameter for the mean lubricant film thickness .19
6.4.4 Parameter for the mean sliding path .20
6.5 Calculation of mean contact stress .21
6.6 Calculation of mean lubricant film thickness .22
6.7 Calculation of the wear path .23
6.8 Calculation of the lubricant kinematic viscosity .23
7 Efficiency and power loss .23
7.1 General .23
7.2 Total efficiency .24
7.2.1 Method A .24
7.2.2 Method B .24
7.3 Total power loss .24
7.3.1 Methods of calculation .24
7.3.2 Idle running power loss .25
7.3.3 Bearing load power loss .25
7.3.4 Sealing power loss .25
7.3.5 Adaptation of the calculation procedure to a specific test.26
7.4 Gear efficiency .26
© ISO 2020 – All rights reserved iii
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ISO/TS 14521:2020(E)
7.4.1 Efficiency calculation .26
7.4.2 Base coefficient of friction, µ , of the standard reference gear .26
OT
7.4.3 Size factor .28
7.4.4 Geometry factor .29
7.4.5 Material factor .29
7.4.6 Roughness factor .29
7.4.7 Adaptation of the calculation procedure to a specific test.29
7.5 Meshing power loss .30
7.5.1 Method A .30
7.5.2 Method B .30
7.5.3 Method C .30
8 Wear load capacity .30
8.1 General .30
8.2 Wear safety factor .30
8.3 Expected wear .31
8.3.1 Method A .31
8.3.2 Methods B, C .31
8.4 Permissible wear .35
8.5 Adaptation of the calculation procedure to a specific test .36
9 Surface durability (pitting resistance) .36
9.1 General .36
9.2 Pitting safety factor .36
9.3 Actual contact stress .37
9.3.1 Method A .37
9.3.2 Methods B, C .37
9.4 Limiting value of contact stress .37
9.5 Adaptation of the calculation procedure to specific test .38
10 Deflection .38
10.1 General .38
10.2 Deflection safety factor .39
10.3 Actual deflection .39
10.3.1 Method A .39
10.3.2 Method B .39
10.3.3 Method C .39
10.4 Limiting value of deflection .40
11 Tooth root strength .40
11.1 Safety factor for tooth breakage .40
11.2 Actual tooth root stress .40
11.2.1 Method A .40
11.2.2 Method B .40
11.2.3 Method C .40
11.3 Limiting value of shear stress at tooth root .42
11.3.1 General.42
11.3.2 Shear endurance limit, τ .42
F lim T
11.3.3 Life factor, Y .42
NL
11.4 Adaptation of the calculation procedure to a specific test .44
12 Temperature safety factor .44
12.1 Temperature safety factor for splash lubrication.44
12.1.1 General.44
12.1.2 Determination of oil sump temperature .45
12.1.3 Limiting values .46
12.2 Temperature safety factor for oil spray lubrication .46
12.2.1 General.46
12.2.2 Cooling capacity P .46
K
13 Determination of the wheel bulk temperature .47
iv © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO/TS 14521:2020(E)
13.1 Wheel bulk temperature with splash lubrication .47
13.1.1 General.47
13.1.2 Method A .48
13.1.3 Method B .48
13.1.4 Method C .48
13.2 Wheel bulk temperature with spray lubrication .48
13.2.1 General.48
13.2.2 Method A .48
13.2.3 Method B .48
13.2.4 Method C .49
Annex A (informative) Notes on physical parameters .50
Annex B (normative) Methods for the determination of the parameters.51
Annex C (normative) Lubricant film thickness according to the Elasto Hydrodynamic
Lubrication (EHL) theory .56
Annex D (normative) Wear path definition .58
Annex E (informative) Notes on calculation wear .61
Annex F (informative) Notes on tooth root strength .62
Annex G (informative) Adaptation of formulae for the reference gear with results from testing.63
Annex H (informative) Life time estimation for worm gears with a high risk of pitting damage .66
Annex I (informative) Examples .68
Annex J (informative) Examples of limit load capacity in a range of working conditions .84
Bibliography .87
© ISO 2020 – All rights reserved v
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ISO/TS 14521:2020(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical committee ISO/TC 60, Gears, Subcommittee SC 1,
Nomenclature and wormgearing.
This first edition cancels and replaces ISO/TR 14521:2010, which has been technically revised.
The main changes compared to the previous edition are as follows:
— the orginal Clause 6 which focused on geometry has been deleted and ISO/TR 10828 has been
referenced.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
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ISO/TS 14521:2020(E)
Introduction
This document was developed for the rating and design of enclosed or open single enveloping worm
gears with cylindrical worms, and worm-geared motors having either solid or hollow output shafts.
This document is only applicable when the flanks of the worm wheel teeth are conjugate to those of the
worm threads.
The particular shapes of the rack profiles from tip to root do not affect the conjugacy when the worm
and worm wheel hobs have the same profiles; thus worm wheels have proper contact with worms and
the motions of worm gear pairs are uniform.
This document can apply to wormgearing with cylindrical helicoidal worms as defined in ISO/TR 10828
having the following thread forms: A, C, I, N, K.
Other than those mentioned in the three preceding paragraphs, no restrictions are placed on the
manufacturing methods used.
In order to ensure proper mating and because of the many different thread profiles in use, it is generally
desirable that worms and worm wheels be supplied by the same manufacturer.
In this document, the permissible torque for a worm gear is limited by considerations of surface stress
(conveniently referred to as wear or pitting) or bending stress (referred to as strength) in both worm
threads and worm wheel teeth, deflection of worm or thermal limitation.
Consequently, the load capacity of a pair of gears is determined using calculations concerned with all
criteria described in the scope and 6.4. The permissible torque on the worm wheel is the least of the
calculated values.
© ISO 2020 – All rights reserved vii
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 14521:2020(E)
Gears — Calculation of load capacity of worm gears
1 Scope
This document specifies formulae for calculating the load capacity of cylindrical worm gears and covers
load ratings associated with wear, pitting, worm deflection, tooth breakage and temperature. Scuffing
and other failure modes are not covered by this document.
The load rating and design procedures are only valid for tooth surface sliding velocities, v , less than or
g
equal to 25 m/s and contact ratios greater than 2,1. For wear, load rating and design procedures are
only valid for tooth surface sliding velocities which are above 0,1 m/s. The rules and recommendations
for the dimensioning, lubricants or materials sel
...
SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 14521
Première édition
2020-04
Engrenages — Calcul de la capacité de
charge des engrenages à vis
Gears — Calculation of load capacity of worm gears
Numéro de référence
ISO/TS 14521:2020(F)
©
ISO 2020
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ISO/TS 14521:2020(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Tél.: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
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Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO/TS 14521:2020(F)
Sommaire Page
Avant-propos .vi
Introduction .vii
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes, définitions et symboles . 1
3.1 Termes et définitions . 1
3.2 Symboles . 2
4 Considérations générales . 8
4.1 Critères d'évaluation de la capacité de charge des engrenages à vis . 8
4.2 Bases d'établissement de la méthode . 9
4.3 Concept de paramètres absolus et relatifs . 9
4.4 Applicabilité .10
4.5 Validité .10
4.6 Considération sur la méthode .12
4.7 Méthodes de calcul A, B, C .12
4.7.1 Généralités relatives aux méthodes A, B et C .12
4.7.2 Notes concernant les formules numériques .13
4.7.3 Conditions fondamentales, interaction .13
4.7.4 Autres notes .14
4.8 Engrenage de référence standard .14
5 Données exigées pour le calcul.14
5.1 Variables d'entrée .14
5.2 Coefficients de sécurité .16
6 Forces, vitesses et paramètres pour le calcul des contraintes .16
6.1 Généralités .16
6.2 Forces exercées sur la denture .16
6.2.1 Facteur d'application .16
6.2.2 Facteur dynamique .16
6.2.3 Facteur de distribution de la charge .16
6.2.4 Composantes des forces exercées sur la denture .17
6.3 Vitesse de glissement au diamètre de référence.18
6.4 Paramètres physiques.18
6.4.1 Généralités relatives aux paramètres physiques .18
6.4.2 Paramètre applicable à la pression moyenne de Hertz .19
6.4.3 Paramètre applicable à l'épaisseur moyenne du film lubrifiant .21
6.4.4 Paramètre applicable à la longueur de glissement moyenne .22
6.5 Calcul de la contrainte moyenne de contact .23
6.6 Calcul de l'épaisseur moyenne du film lubrifiant . .23
6.7 Calcul du parcours d'usure .24
6.8 Calcul de la viscosité cinématique du lubrifiant .25
7 Rendement et perte de puissance .25
7.1 Généralités .25
7.2 Rendement total .25
7.2.1 Méthode A .25
7.2.2 Méthode B .25
7.3 Perte de puissance totale .26
7.3.1 Méthodes de calcul .26
7.3.2 Perte de puissance à vide .26
7.3.3 Perte de puissance dans les paliers .26
7.3.4 Perte de puissance dans les joints d'étanchéité .27
7.3.5 Adaptation de la méthode de calcul à un essai spécifique .27
7.4 Rendement d'engrenage .27
© ISO 2020 – Tous droits réservés iii
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ISO/TS 14521:2020(F)
7.4.1 Calcul du rendement.27
7.4.2 Coefficient de frottement de base, µ , de l'engrenage de référence standard .28
OT
7.4.3 Facteur de dimension .30
7.4.4 Facteur de géométrie .31
7.4.5 Facteur matériau .31
7.4.6 Facteur de rugosité .31
7.4.7 Adaptation de la méthode de calcul à un essai spécifique .31
7.5 Perte de puissance d'engrènement .32
7.5.1 Méthode A .32
7.5.2 Méthode B .32
7.5.3 Méthode C .32
8 Capacité de charge à l'usure .32
8.1 Généralités .32
8.2 Coefficient de sécurité à l'usure .32
8.3 Usure attendue .33
8.3.1 Méthode A .33
8.3.2 Méthodes B, C .33
8.4 Usure admissible .37
8.5 Adaptation de la méthode de calcul à un essai spécifique .38
9 Durabilité de surface (résistance à la formation d’écaillages) .39
9.1 Généralités .39
9.2 Coefficient de sécurité pour la formation d’écaillages .39
9.3 Contrainte de contact réelle.39
9.3.1 Méthode A .39
9.3.2 Méthodes B, C .39
9.4 Valeur limite de la contrainte de contact .39
9.5 Adaptation de la méthode de calcul à un essai spécifique .41
10 Déflexion .41
10.1 Généralités .41
10.2 Coefficient de sécurité à la déflexion .41
10.3 Déflexion réelle .41
10.3.1 Méthode A .41
10.3.2 Méthode B .41
10.3.3 Méthode C .41
10.4 Valeur limite de déflexion .42
11 Résistance en pied de dent.42
11.1 Coefficient de sécurité pour la rupture de denture .42
11.2 Contrainte réelle en pied de dent .43
11.2.1 Méthode A .43
11.2.2 Méthode B .43
11.2.3 Méthode C .43
11.3 Valeur limite de la contrainte de cisaillement en pied de dent .44
11.3.1 Généralités .44
11.3.2 Limite d'endurance au cisaillement, τ .
F lim T 44
11.3.3 Facteur de durée de vie, Y .
NL 45
11.4 Adaptation de la méthode de calcul à un essai spécifique .47
12 Coefficient de sécurité en température .47
12.1 Coefficient de sécurité en température pour la lubrification par barbotage .47
12.1.1 Généralités .47
12.1.2 Détermination de la température du bain d'huile .47
12.1.3 Valeurs limites . . .49
12.2 Coefficient de sécurité en température pour la lubrification par injection d'huile .49
12.2.1 Généralités .49
12.2.2 Capacité de refroidissement, P .
K 49
13 Détermination de la température de masse de la roue .50
iv © ISO 2020 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/TS 14521:2020(F)
13.1 Température de masse de la roue avec lubrification par barbotage .50
13.1.1 Généralités .50
13.1.2 Méthode A .50
13.1.3 Méthode B .50
13.1.4 Méthode C .51
13.2 Température de masse de la roue avec lubrification par injection .51
13.2.1 Généralités .51
13.2.2 Méthode A .51
13.2.3 Méthode B .51
13.2.4 Méthode C .52
Annexe A (informative) Notes concernant les paramètres physiques .53
Annexe B (normative) Méthodes de détermination des paramètres .54
Annexe C (normative) Épaisseur du film lubrifiant conformément à la théorie de la
lubrification élasto-hydrodynamique (EHL) .59
Annexe D (normative) Définitions du parcours d'usure .61
Annexe E (informative) Notes concernant le calcul de l'usure .64
Annexe F (informative) Notes concernant la résistance au pied de dent .65
Annexe G (informative) Adaptation des formules pour l'engrenage de référence à des
résultats d’essais .66
Annexe H (informative) Estimation de la durée de vie des engrenages à vis avec un risque
élevé d’endommagement par formation d’écaillages .69
Annexe I (informative) Exemples .71
Annexe J (informative) Exemples de capacité de charge limite dans une plage de conditions
de fonctionnement .87
Bibliographie .90
© ISO 2020 – Tous droits réservés v
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO/TS 14521:2020(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 60, Engrenages, sous-comité SC 1,
Nomenclature et engrenages à vis.
Cette première édition annule et remplace l'ISO/TR 14521:2010, qui a fait l'objet d'une révision
technique.
Les principales modifications par rapport à l’édition précédente sont les suivantes:
— l'Article 6 portant sur la géométrie a été supprimé et l'ISO/TR 10828 a été cité en référence.
Il convient d’adresser tout retour d’expérience ou toute question concernant le présent document
à l’organisme national de normalisation de l’utilisateur. Une liste complète desdits organismes est
disponible sur www .iso .org/ members .html.
vi © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO/TS 14521:2020(F)
Introduction
Le présent document a été élaboré pour l'évaluation et le calcul de la capacité de charge des engrenages
à vis cylindriques ouverts ou fermés, et des motoréducteurs engrenages à vis comportant des arbres de
sortie pleins ou creux.
Le présent document s'applique uniquement lorsque les flancs des dentures de roue creuse sont
conjugués à ceux des filets de vis.
Les formes particulières des profils de crémaillère de la tête au pied n'affectent pas la conjugaison
lorsque la vis et les fraises-mères pour le taillage des dents de la roue creuse ont les mêmes profils, de
sorte que le contact entre les roues creuses et les vis est approprié et les mouvements des engrenages à
vis sont uniformes.
Le présent document peut s'appliquer aux engrenages à vis avec vis hélicoïdales cylindriques tels que
définis dans l'ISO/TR 10828 et ayant les profils de filets suivants: A, C, I, N, K.
À l'exception des éléments mentionnés dans les trois précédents alinéas, aucune restriction ne
s'applique aux méthodes de fabrication utilisées.
Afin d'assurer une conjugaison appropriée et du fait de l'existence des nombreux profils de filets
différents, il est généralement préférable que les vis et les roues creuses soient fournies par le même
fabricant.
Dans le présent document, le couple admissible d'un engrenage à vis est limité soit par la prise en
compte de la contrainte de surface (désignée, pour des raisons pratiques, comme usure ou écaillage) ou
de la contrainte de flexion (désignée comme la résistance) à la fois dans les filets de vis, et les dentures
des roues creuses, de la déflexion de la vis ou de la limitation thermique.
Par conséquent, la capacité de charge d'un couple d'engrenages est déterminée au moyen de calculs
prenant en compte tous les critères décrits dans le domaine d'application et en 6.4. Le couple admissible
sur la roue creuse est la plus faible des valeurs calculées.
© ISO 2020 – Tous droits réservés vii
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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 14521:2020(F)
Engrenages — Calcul de la capacité de charge des
engrenages à vis
1 Domaine d'application
Le présent document définit des formules permettant de calculer la capacité de charge des engrenages
à vis cylindriques et couvre les charges limites de base associées à l'usure, la formation d‘écaillages, la
déflexion de la vis, la rupture de dent et la température. Le grippage et les autres modes de défaillance
ne sont pas couverts par le présent document.
La charge limite et les procédures de conception ne sont valables que pour des vitesses de glissement à
la surface de denture, ν , inférieure
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.