Forskning om utformning av icke-förstörande samman- och isärmontering av spännpassning för flygmotorer

Varför detta spelar roll för säkrare och billigare flygningar

Djupt inne i varje jetmotor sitter tätt pressade metalldelar som aldrig får glida, även när de snurrar tusentals varv per minut i brännande värme. Idag leder demontering av dessa delar för inspektion ofta till repor och försvagning, vilket ökar underhållstid och kostnad. Denna studie visar hur en omkonstruerad förbindning mellan motordelar kan tas isär och sättas ihop igen utan skador, samtidigt som den fortfarande greppar tillräckligt hårt för att säkert överföra kraft.

Det dolda handslaget inne i en motor

Många roterande motordelar förenas med det ingenjörer kallar spännpassning: en metalldel görs något större än hålet den pressas in i. När de tvingas ihop kramar delarna varandra så hårt att friktion ensam håller dem, vilket tillåter vridmoment att föras från den ena till den andra. I flygmotorer utsätts dessa passningar för hårda förhållanden med hög temperatur, hastighet och vibration. Med tiden måste delar tas bort för kontroll eller utbyte. Vanligtvis separerar man en cylindrisk spännpassning genom att värma det yttre stycket eller kyla det inre så att de tillfälligt lossnar. Men ojämn uppvärmning och avkylning kan förändra metallens struktur, och att skjuta delarna isär eller ihop kan märka kontaktytorna, lämna repor som kan växa till sprickor.

Från råstyrka till en mildare oljefilm

Författarna utforskar en annan ansats: att ersätta den enkla cylinder-mot-cylinder-kontakten med en grund kon-mot-kon-kontakt som innehåller en smal cirkulär fåra för olja. Under högt tryck pumpas olja in i denna fåra för att bilda en tunn film mellan delarna. Denna oljefilm minskar friktionen vid montering och demontering, så att delarna kan glida utan att skära upp varandra, men när oljetrycket släpps greppar metallytorna igen tätt. Den koniska formen hjälper också delarna att centrera sig när de möts, förbättrar inpassningen och minskar risken för mekaniskt fastlåsning. Utmaningen är att utforma denna nya fog så att den fortfarande klarar lika mycket vridmoment som den ursprungliga cylindriska konstruktionen.

Att utforma en ny fog som beter sig som den gamla

För att uppnå detta byggde teamet en matematisk beskrivning av hur vridmoment överförs över kontaktytan, med hänsyn till materialstelhet, friktion och den detaljerade fördelningen av kontakttryck. Med hjälp av likhetsteori härledde de ett antal dimensionslösa grupper som måste matcha mellan den befintliga (prototypen) och den nya koniska designen om deras vridmomentsbärande beteende ska vara ekvivalent. De koncentrerade sig sedan på parametrar som ingenjörer kan ändra—främst konens avsmalning och geometrin hos oljefåran—samtidigt som materialen och den grundläggande spännpassningen (hur mycket större en del är än den andra) behölls oförändrade. Datorsimuleringar visade hur olika avsmalningar ändrade var och hur kraftigt ytorna pressade mot varandra, vilket ledde till valet av en 1:15-avsmalning som bäst matchade det ursprungliga tryckmönstret.

Att pröva den nya konstruktionen

Efter att designen fastställts tillverkade forskarna verkliga teststycken i typiska motorstål, lade till den ringformade oljefåran i lågtrycksområdet av kontakten och byggde laboratorieanordningar för att mäta friktion och vridmomentkapacitet. Först kalibrerade de noggrant hur maximal statisk friktion mellan metallerna varierar med kontakttrycket. Därefter monterade de koniska fogar med olika spänningsnivåer med hydraulisk olja, mätte vridmomentet vid vilket inre och yttre del började glida och jämförde dessa värden med sina teoretiska prediktioner och med den ursprungliga cylindriska fogen. De nya koniska, oljebstödda fogarna bar i huvudsak samma vridmoment—inom några få procent—som den gamla konstruktionen, vilket bekräftade att likhetsbaserad designmetod fungerade. Viktigt är att efter att ha vridit och sedan demonterat delarna hydrauliskt sågs endast fina cirkulära märken, utan djupa eller axiella repor.

Vad detta betyder för framtida motorer

Enkelt uttryckt visar studien att det är möjligt att omkonstruera en kritisk ”presspassning” i flygmotorer så att den kan tas isär och sättas ihop upprepade gånger utan att skada delarna, samtidigt som den fortfarande hanterar samma vridbelastningar. Nyckelingredienserna är en noggrant vald konvinkel, en intern oljefåra för högtrycksolja och en designmetod som säkerställer att den nya fogen troget efterliknar den gamla i styrka. Om sådana icke-förstörande fogar införs i riktiga motorer kan de förlänga komponenternas livslängd, minska behovet av utbyten och göra omfattande motoröversyner snabbare och säkrare.

Citering: Fu, W., Wang, D. & Wang, Z. Research on the design of non-destructive assembly and disassembly interference fit for aircraft engines. Sci Rep 16, 5188 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35753-6

Nyckelord: underhåll av flygmotorer, spännpassning, hydraulisk demontering, vridmomentöverföring, koniskt fogsystem