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
$$\boxed{p=\frac{F}{A_p}}$$
\(A_p\):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
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)
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:
$$p_m=\frac{F}{2\,b\,d_1}$$- 實際分佈不均勻:銷與孔有間隙時,壓力集中在受力方向的正中央,邊緣趨近於 0,最大值 \(p_{max}\) 明顯大於平均值 \(p_m\)。設計時把 \(p_m\) 與材料的容許承壓應力比較,安全裕度已涵蓋這個不均勻。
- 同一個接頭還要另外檢查銷的剪斷(雙剪,見 4.4 直接剪力)與板的拉斷(扣掉孔後的淨截面)。
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。


