SIST ISO 81400-4:2006

SLOVENSKI STANDARD
01-december-2006
9HWUQHHOHNWUDUQH±GHO2EOLNRYDQMHLQGRORþLWHYJRQLO
Wind turbines -- Part 4: Design and specification of gearboxes
Aérogénérateurs -- Partie 4: Conception et spécifications des boîtes de vitesses
Ta slovenski standard je istoveten z: ISO 81400-4:2005
ICS:
21.200 Gonila Gears
27.180 Sistemi turbin na veter in Wind turbine systems and
drugi alternativni viri energije other alternative sources of
energy
2003-01.Slovenski inštitut za standardizacijo. Razmnoževanje celote ali delov tega standarda ni dovoljeno.

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 81400-4
First edition
2005-10-01
Wind turbines —
Part 4:
Design and specification of gearboxes
Aérogénérateurs —
Partie 4: Conception et spécifications des boîtes de vitesses

Reference number
©
ISO 2005
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Published in Switzerland
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Contents
Page
Foreword . iv
1 Scope . 1
2 Normative references. 1
3 Definitions and symbols. 2
4 Design specification . 7
5 Gearbox design and manufacturing requirements. 11
6 Lubrication . 28
7 Other important items. 33
Bibliography . 92
Annexes
A Wind turbine architecture. 35
B Wind turbine load description . 41
C Quality assurance. 49
D Operation and maintenance . 55
E Minimum purchaser and gearbox manufacturer ordering data . 57
F Lubrication selection and condition monitoring. 61
G General gear information. 77
H Determination of the application factor, K , from a given load spectrum
A
using the equivalent torque, T . 79
eq
I Bearing stress calculation . 83
Figures
1 3--stage parallel shaft gearbox . 20
2 3--stage planet/helical hybrid. 20
3 Bearing assembly . 21
Tables
1 Symbols . 3
2 Minimum basic rating life, L . 13
h10
3 Guide values for maximum contact stress for rolling element bearings at
Miner’s sum dynamic equivalent bearing load . 13
4 Bearing lubricant operating temperature for calculation of viscosity ratio,κ . 14
5 Temperature gradients for calculation of operating clearance . 15
6 Required gear accuracy . 17
7 Recommended gear tooth surface roughness . 17
8 Bearings for combined loads . 18
9 Bearings for pure radial load. 19
10 Bearings for pure axial loads . 19
11 Bearing selection matrix -- legend to symbols . 22
12 Bearing selection matrix for the low speed shaft/planet carrier . 22
13 Bearing selection matrix for the low speed intermediate shaft. 23
14 Bearing selection matrix for the high speed intermediate shaft . 24
15 Bearing selection matrix for the high speed shaft . 25
16 Bearing selection matrix for the planet wheel. 26
17 Lubricant cleanliness . 30
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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
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.
ISO 81400-4 was prepared by AWEA and AGMA (as ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03) and was adopted, under
a special “fast-track procedure”, by Technical Committee ISO/TC 60, Gears, in parallel with its approval by the
ISO member bodies.
ISO 81400 is part of the IEC 61400 series.

iv © ISO 2005 – All rights reserved

Introduction
Theoperationandloadingofawindturbinespeedincreasinggearboxisunlikemostother
gear applications. The intent of this standard is to describe the differences. Much of the
informationisbasedonfieldexperience. Thisstandardisatoolwherebywindturbineand
gearbox manufacturers can communicate and understand each other’s needs in
developing a gearbox specification for wind turbine applications. The annexes present
informative discussion of various issues specific to wind turbine applications and gear
design.
A combined committee of the American Wind Energy Association (AWEA) and American
GearManufacturersAssociation(AGMA)membersrepresentinginternationalwindturbine
manufacturers, operators, researchers, consultants; and gear, bearing, plus lubricant
manufacturers were responsible for the drafting and development of this standard.
The committee first met in 1993 to develop AGMA/AWEA 921–A97, Recommended
PracticesforDesignandSpecificationofGearboxesforWindTurbineGeneratorSystems.
The AGMA Information Sheet was approved by the AGMA/AWEA Wind Turbine Gear
CommitteeonOctober25,1996andbytheAGMATechnicalDivisionExecutiveCommittee
on October 28, 1996. This standard superseded AGMA/AWEA 921–A97.
ThefirstdraftofANSI/AGMA/AWEA6006--A03wasmadeinMarch,2000. Itwasapproved
by the AGMA membership in October, 2003. It was approved as an American National
Standard (ANSI) on January 9, 2004.
ISO 81400--4:2005(E)
INTERNATIONAL STANDARD
AGMA 913--A98, Method for Specifying the
Geometry of Spur and Helical Gears
AGMA 925--A03, Effect of Lubrication on Gear
Wind turbines -- Part 4:
Surface Distress
AMS 2301, Aircraft quality steel cleanliness,
Design and
magnetic particle inspection procedure
ANSI Y12.3--1968, Letter symbols for quantities
specification of
used in mechanics of solids
ANSI/AGMA 1012--F90, Gear Nomenclature,
gearboxes
Definitions of Terms with Symbols
ANSI/AGMA 2101--D04, Fundamental Rating Fac-
torsandCalculationMethodsforInvoluteSpurand
Helical Gear Teeth
1 Scope
ANSI/AGMA6000--B96,SpecificationforMeasure-
ment of Linear Vibration on Gear Units
Thisstandardappliestogearboxesforwindturbines
ANSI/AGMA 6001--D97, Design and Selection of
withpowercapacitiesrangingfrom40kWto2MW. It Components for Enclosed Gear Drives
applies to all parallel axis, one stage epicyclic, and
ANSI/AGMA 6025--D98, Sound for Enclosed
combined one stage epicyclic and parallel shaft
Helical,Herringbone,andSpiralBevelGearDrives
enclosed gearboxes. The provisions made in this
ANSI/AGMA6110--F97,StandardforSpur,Helical,
standard are based on field experience with wind
Herringbone and Bevel Enclosed Drives
turbines having the above power capacities and
ANSI/AGMA 6123--A88, Design Manual for En-
configurations.
closed Epicyclic Metric Module Gear Drives
Guidelinesofthisstandardmaybeappliedtohigher
ANSI/AGMA9005--E02,IndustrialGearLubrication
capacity wind turbines provided the specifications
ASTMA534,Standardspecificationforcarburizing
are appropriately modified to accommodate the
steels for anti--friction bearings
characteristics of higher capacity wind turbines.
DetNorskeVeritasClassificationAS,Classification
Life requirements apply to wind turbines with a
Notes No. 41.2, Calculation of Gear Rating for
minimum design lifetime of 20 years.
Marine Transmissions, July 1993
DIN ISO 281 Bbl. 4:2003, Dynamische Tragzahl
und nominelle Lebensdauer -- Verfahren zur Ber-
2 Normativereferences
echnung der modifizierten Referenzlebensdauer
für allgemein belastete Wälzlager (Dynamic load
The following standards contain provisions which, ratings and life -- Method for calculation of the
modified reference rating life for generally loaded
throughreferenceinthistext,constituteprovisionsof
1)
rolling bearings)
thisstandard. Atthetimeofpublication,theeditions
indicated were valid. All standards are subject to
DIN743:2000,TragfähigkeitsberechnungvonWell-
revision, and parties to agreements based on this en und Achsen (Calculation of load capacity of
standardareencouragedtoinvestigatethepossibil- shafts and axles)
ity of applying the most recent editions of the
DIN 6885--2:1967, Drive Type Fastenings without
documents indicated below.
Taper Action; Parallel Keys, Keyways
AGMA 901--A92, A Rational Procedure for DIN 7190:2001, Interference fits -- Calculation and
Preliminary Design of Minimum Volume Gears design rules
1)
English translation available as ISO TC 4/SC 8 N254a
ISO 81400--4:2005 (E)
ISO 76:1987,Rollingbearings -- Static loadratings
3 Definitions and symbols
ISO 281:1990, Rolling bearings -- Dynamic load
3.0 Terms and definitions
rating and rating life
For the purposes of this document, the terms and
ISO R773:1969, Rectangular or square parallel
definitionsgivenin3.2through3.4andthefollowing
keysandtheircorrespondingkeyways(dimensions
apply, wherever applicable, conforming to ANSI/
in millimeters)
AGMA 1012--F90, and ANSI Y12.3--1968.
ISO 1328--1, Cylindrical Gears -- ISO System Of
3.1 Symbols
Accuracy -- Part 1: Definitions and Allowable
The symbols, terms and units used in this standard
Values of Deviations Relevant to Corresponding
are shown in table 1.
Flanks of Gear Teeth
NOTE: The symbols and terms contained in this
ISO4406:1999(SAEJ1165),Hydraulic fluidpower
document may vary from those used in other AGMA
-- Fluids -- Method for coding the level of standards. Usersofthisstandardshouldassurethem-
selvesthattheyareusingthesesymbolsandtermsin
contamination by solid particles
the manner indicated herein.
ISO 6336-- 1: 1996, Calculation of load capacity of
3.2 Wind turbine terms
spur and helical gears-- Part 1: Basic principles,
introduction and general influence factors activeyaw:A systemtorotatethenacellerelativeto
thechangingdirectionofthewind.Seepassiveyaw.
ISO 6336-- 2: 1996, Calculation of load capacity of
airfoil: Two dimensional cross section of a blade.
spur and helical gears-- Part 2: Calculation of
surface durability (pitting)
annual average wind speed: The time averaged,
mean, horizontal wind speed for one calendar year
ISO 6336-- 3: 1996, Calculation of load capacity of
at a particular site and a specified height.
spurandhelicalgears-- Part3:Calculation oftooth
annualaverageturbulenceintensity: Ameasure
bending strength
of the short--time and spatial variation of the inflow
ISO 6336--5: 1996, Calculation of load capacity of
wind speed about its long time average.
spurandhelicalgears--Part5:Strengthandquality
availability: Theratioofthenumberofhoursthata
of materials
turbinecouldoperatetothetotalnumberofhoursin
2)
that period, usually expressed as a percentage.
ISO/DIS 6336--6 , Calculation of load capacity of
Downtime due to faults or maintenance (scheduled
spur and helical gears -- Part 6: Calculation of
or otherwise) generally make up the unavailable
service life under variable load
time.
ISO 8579--1:2002, Acceptance code for gears --
bedplate: In a modular system, the structure that
Part 1: Determination of airborne sound power
supports the drive train components and nacelle
levels emitted by gear units
cover. Also called a main frame.
ISO 8579--2:1993, Acceptance code
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 81400-4
Première édition
2005-10-01
Aérogénérateurs —
Partie 4:
Conception et spécifications relatives
aux boîtes de vitesses
Wind turbines —
Part 4: Design and specification of gearboxes

Numéro de référence
©
ISO 2005
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Version française parue en 2009
Publié en Suisse
ii © ISO 2005 – Tous droits réservés

Sommaire Page
Avant-propos .vi
Introduction.vii
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Définitions et symboles .3
4 Spécifications de conception.15
5 Exigences relatives à la conception et à la fabrication des boîtes de vitesses.20
6 Lubrification.47
7 Autres éléments importants.54
Bibliographie.135

Annexes
Annexe A (informative) Architecture des aérogénérateurs .57
Annexe B (informative) Description de la charge des aérogénérateurs .64
Annexe C (informative) Assurance qualité.74
Annexe D (informative) Fonctionnement et maintenance .82
Annexe E (informative) Données de commande minimales de l'acheteur et du fabricant de la boîte
de vitesses .86
Annexe F (informative) Surveillance du choix et de l'état de la lubrification .94
Annexe G (informative) Informations générales relatives aux engrenages.116
Annexe H (informative) Détermination du facteur d'application, K , à partir d'un spectre de charge
A
donné en utilisant le couple équivalent, T .118
eq
Annexe I (informative) Calcul des contraintes des roulements .123

Figures
Figure 1 — Boîte de vitesses à axes parallèles à 3 étages .35
Figure 2 — Boîte hybride planétaire/hélicoïdale à 3 étages.36
Figure 3 — Assemblage des roulements .38
Figure A.1 — Éolienne à axe horizontal (EAH).58
Figure A.2 — Schéma de la disposition d'une nacelle pour une EAH .59
Figure B.1 — Variation périodique caractéristique du couple d'arbre .70
Figure B.2 — Couple sur l'arbre du rotor pendant le freinage.71
Figure F.1 — Exemple pour la conception de circuit, système de combinaison de la filtration et
du refroidissement .99
Figure G.1 — Nomenclature des engrenages.116
Figure H.1 — Intervalles de charge présentant un comportement équivalent en termes de
détérioration suivant l'Équation H.3 .119
Figure H.2 — Intervalles (T , n ) et (T , n ) remplacés par l'intervalle (T , n ) .121
1 1 2 2 2 2e
Figure H.3 — Spectre de charge avec le couple équivalent correspondant, T .121
eq
Figure I.1 — Effets du jeu et de la précharge sur la distribution de la pression dans les
roulements radiaux à rouleaux.126
Figure I.2 — Nomenclature de la courbure des roulements .126
Figure I.3 — Distribution de la pression sur la surface de contact elliptique .128

Tableaux
Tableau 1 — Symboles.4
Tableau 2 — Durée de vie nominale de base minimale, L .23
h10
Tableau 3 — Valeurs indicatives pour la pression maximale de contact dans le cas des
roulements à éléments roulants soumis à une charge équivalente dynamique au niveau
du roulement suivant la somme de Miner.24
Tableau 4 — Température de fonctionnement du lubrifiant de roulement pour le calcul du rapport
de viscosité, k.26
Tableau 5 — Gradients de température pour le calcul du jeu en fonctionnement .27
Tableau 6 — Exactitude requise pour les engrenages .30
Tableau 7 — Rugosités de surface recommandées pour les dents de roues.31
Tableau 8 — Roulements pour des charges combinées.32
Tableau 9 — Roulements pour une charge radiale pure .34
Tableau 10 — Roulements pour des charges axiales pures.34
Tableau 11 — Matrice de sélection des paliers - Légendes des symboles .38
Tableau 12 — Matrice de sélection des roulements pour l'arbre à petite vitesse/le porte-satellites.39
Tableau 13 — Matrice de sélection des roulements pour l'arbre intermédiaire à petite vitesse.40
Tableau 14 — Matrice de sélection des roulements pour l'arbre intermédiaire rapide.41
Tableau 15 — Matrice de sélection des roulements pour l'arbre rapide.42
Tableau 16 — Matrice de sélection des roulements pour la roue planétaire .43
Tableau 17 — Propreté des lubrifiants .49
Tableau B.1 — Cas des charges de calcul des aérogénérateurs .67
Tableau C.1 — Echantillon de plan AQ.78
Tableau F.1 — Sources d'éléments métalliques.105
Tableau F.2 — Signification des codes ISO.108
Tableau F.3 — Caractéristiques des particules.110
Tableau F.4 — Limites analytiques pour les lubrifiants utilisés dans les boîtes de vitesses pour
aérogénérateur.111

Tableau F.5 — Indice de viscosité à la température de fonctionnement de la masse d’huile pour
les huiles ayant un indice de viscosité de 90 .112
iv © ISO 2005 – Tous droits réservés

Tableau F.6 — Indice de viscosité à la température de fonctionnement de la masse d'huile pour
les huiles ayant un indice de viscosité de 120.113
Table F.7 — Indice de viscosité à la température de fonctionnement de la masse d'huile pour les
huiles ayant un indice de viscosité de 160.114
Tableau F.8 — Indice de viscosité à la température de fonctionnement de la masse d'huile pour
les huiles ayant un indice de viscosité de 240.115
Tableau H.1 — Exposant p et nombre de cycles de charges N .120
L ref
Tableau H.2 — Exemple de calcul de K à partir d'un spectre de charge .122
A
Tableau I.1 — Facteurs pour les roulements radiaux sous contrainte statique.124

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 (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée 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.
L'ISO 81400-4:2005 a été élaborée par l'AWEA et l'AGMA (sous la référence ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03)
et a été adoptée par procédure spécifique «voie express» par l'ISO/TC 60, Engrenages, en coopération avec
le comité technique CEI/TC 88, Éoliennes, en parallèle de son approbation par les comités membres de l'ISO
et de la CEI.
L'ISO 81400-4 est une partie de la série CEI 61400. Elle est destinée à être publiée et remplacée par la
CEI 61400-4 à la prochaine révision.
vi © ISO 2005 – Tous droits réservés

Introduction
La vitesse d'un aérogénérateur augmentant, le fonctionnement et le chargement de la boîte de vitesses sont
différents de la majorité des applications d'engrenages. L'intention de la présente norme est de décrire ces
différences. La plupart des informations sont basées sur l'expérience acquise sur le terrain. La présente
norme est un outil qui permet aux fabricants d'aérogénérateurs et d'engrenages de communiquer et
comprendre les besoins de chacun en dé
...