機械設計 Machine Design

承壓應力Bearing Stress

兩個物體互相壓緊時,接觸面上的壓應力稱為承壓應力(Bearing stress),常見於銷、螺栓、鉚釘與孔壁之間,以及軸承、墊片與底座的接觸面。

平面接觸 Flat Contact

F Ap p
$$\boxed{p=\frac{F}{A_p}}$$

\(A_p\):實際接觸面積。這是接觸面上的平均壓應力。

銷與孔壁 Pin in a Hole

θr p x

假設孔壁上的壓力 \(p\) 沿徑向均勻分佈。孔長 \(L\)、半徑 \(r\),微元面積 \(dA=L\,r\,d\theta\),只有 x 方向分量會留下:

$$F=\int_A p\cos\theta\,dA=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}p\cos\theta\cdot L\,r\,d\theta=2pLr\int_0^{\pi/2}\!\cos\theta\,d\theta=2pLr$$ $$2pLr=p\,(L\cdot d)=p\,A_{proj}\ \Rightarrow\ \boxed{p=\frac{F}{A_{proj}}}$$

\(A_{proj}=L\cdot d\):孔在受力方向上的投影面積,而不是半圓柱面積 \(\pi rL\)。

編註:原講義推導中同一個量混用了 \(\sigma\) 與 \(p\),這裡統一寫成 \(p\)。

銷接頭 Pin Joint (Clevis)

F F/2 F/2 b b L d d1

中間板(厚 \(L\))與銷的大徑段 \(d\) 接觸:

$$p_m=\frac{F}{A_{proj}}=\frac{F}{L\cdot d}$$

兩側板(各厚 \(b\)、各承受 \(F/2\))與銷的小徑段 \(d_1\) 接觸:

$$p_m=\frac{F}{2\,b\,d_1}$$
補充例題 \(F=20\) kN,中間板 \(L=30\) mm、\(d=20\) mm;兩側板 \(b=12\) mm、\(d_1=16\) mm: $$\text{中間板:}\ p_m=\frac{20\,000}{30(20)}=33.3\ \text{MPa},\qquad \text{兩側板:}\ p_m=\frac{20\,000}{2(12)(16)}=52.1\ \text{MPa}$$

兩側板較薄、銷徑較小,承壓應力反而較大,是這個接頭承壓的關鍵處。

原圖對照(承壓應力)
承壓應力
承壓應力
承壓應力