Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 3 ppsx

2.3 LỰC BÁM CỦA BÁNH XE VỚI MẶT ĐƯỜNG Khi ô tô đang chuyển động thì có các lực tác dụng lên bánh xe chủ động và bị động.. Tại bánh xe chủ động mô men Mk tác dụng lên mặt đường lực kéo P

Có V dựa vào biểu đồ nhân tố động lực suy ra D, căn cứ vào loại mặt đường có f

⇒ imax=D-f

Trường hợp này thường được áp dụng cho việc thiết kế đường mới

Trong quy phạm thiết kế đường, tương ứng với vận tốc thiết kế độ đốc dọc lớn nhất được quy định tương ứng với từng cấp hạng kỹ thuật của đường

Cũng theo phương pháp này có thể xác định khả năng khởi động ở chân dốc Muốn khởi động xe phải bắt đầu ở chuyển số I, lúc đó có Dmax và tính được gia tốc

i f

dt

dv = − ± gia tốc đủ để khởi động được không nhỏ hơn 1,5m/s2

3 Xác định chiều dài cần thiết của đoạn tăng tốc, giảm tốc

Xe đang chạy với tốc độ cân bằng v1 ứng với điều kiện đường D1=f1 ±i1 chuyển sang một tốc độ cân bằng mới v2 có gia tốc dv/dt khi có điều kiện mới D2=f2 ±i2

±

−

=

)1i

DiD(254

2iV

21iV2

v1

v (D1 D2)

dv.v2

v1

dsg

,S

g)2

D1D(

dv.vdt

.vds

g)

2D1D(

g.)ifDdt

dv

(2.13)

Viết theo biểu thức cuối có nghĩa là ta phân sự chênh lệch tốc độ ra nhiều phân tố rồi tổng hợp dần lại

Từ đó có thể vẽ được biểu đồ vận tốc trên trắc dọc

2.3 LỰC BÁM CỦA BÁNH XE VỚI MẶT ĐƯỜNG

Khi ô tô đang chuyển động thì có các lực tác dụng lên bánh xe chủ động và bị động

Tại bánh xe chủ động mô men Mk tác dụng lên mặt đường lực kéo Pk và theo định luật III Newton mặt đường tác dụng trở lại bánh xe một lực T theo phương ngang cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn với Pk Nhờ có T mà điển tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường trở thành tâm quay tức thời của bánh xe, giúp

cho xe chuyển động được, ta gọi T là lực bám của bánh xe và mặt đường

Ngoài ra bánh chủ động còn chịu trọng lượng Gk theo phương thẳng đứng đè lên mặt đường, và mặt đường cũng tác dụng lại bánh xe một lực R theo phương thẳng đứng nhưng lệch tâm một đoạn là a (do quá trình chuyển động bánh xe bị biến dạng và xô về phía trước) (a/rk=f)

R

M k 29M1 - 1369

+ Tính chất bề mặt tiếp xúc của mặt đường (ráp hay nhẵn, trơn)

+ Tình trạng mặt đường (khô, sạch hay ẩm, bẩn)

Do đó lực bám T là một lực bị động, khi Pk xuất hiện thì T mới xuất hiện, và Pk càng lớn thì T cũng càng lớn, nhưng T chỉ tăng được đến một giá trị Tmax nào đó

mà thôi (gọi là lực bám lớn nhất), lúc đó cứ tăng Pk lên thì điểm tiếp xúc không còn là tâm quay tức thời nũa, bánh xe sẽ bị quay tại chỗ hoặc trượt theo quán tính và xe không thể chuyển động được

Đối với bánh xe bị động, lực P đặt tại tâm bánh xe, phản lực tiếp tuyến trên đường là T nhưng ngược chiều chuyển động, như vậy ta có R=Gt và P=T

a.R = P.rk ==> P = (a/rk)Gt = f.Gt

Trong đó Gt là thành phần trọng lực tác dụng lên trục bị động

Như vậy điều kiện chuyển động bình thường của xe về lực bám là Pk ≤ Tmax

Bằng thực nhiệm người ta tính được lực bám lớn nhất giữa bánh xe với mặt đường theo công thức sau :

Gk : là thành phần trọng lực tác dụng lên trục chủ động

Xe con : Gk=(0,5÷0,55)G

ẩm và bẩn

Rất thuận lợi Bình thường Không thuận lợi

0,7 0,5 0,3 Theo điều kiện lực bám, để xe chuyển động được thì:

Mà

G

P G D P G D P G

P P

w k

w

≤

⇒ +

G

P G D dt

dt

dv i f G

P G

Theo định luật bảo toàn chuyển động của khối tâm của cơ hệ có thể phân tích quá trình chuyển động của ô tô như sau:

Khi khởi động, áp lực của hơi nước hoặc của khí nén bên trong động cơ là lực trong, tự

nó không thể làm cho khối tâm của hệ di chuyển Chuyển động có thể thực hiện được là

nhờ động cơ đã truyền mô men quay Mk cho các bánh chủ động Khi tiếp điểm B của

bánh chủ động có khuynh hướng trượt về phía sau (sang trái) thì lực bám T sinh ra sẽ hướng về phía trước (sang phải) Nhờ có lực ngoài này mà trọng tâm của ô tô chuyển

động được sang phải Còn ở bánh bị động (bánh dẫn) tác dụng vào bánh bị động không

phải là mô men quay Mk mà là lực P đặt vào trục của bánh Dưới tác dụng của lực P,

cả bánh và điểm A tiếp xúc với mặt đường bị trượt về phía trước Khi đó lực ma sát hướng về phía sau tác dụng vào bánh xe là lực ngoài cản lại chuyển động Nếu không

có lực bám T hoặc lực đó không đủ lớn để thắng sức cản của các bánh bị động, thì ô tô không thể di chuyển về phía trước được Lúc đó các bánh chủ động sẽ quay tại chỗ (sa lầy)

2.4 SỰ HÃM XE VÀ CỰ LY HÃM XE

Khi xử lý các tình huống giao thông trên đường thì người lái xe thường phải căn

cứ vào khoảng cách tới các chướng ngại vật để ước tính cường độ hãm phanh sao cho xe vừa kịp dừng lại trước chúng Khi thiết kế đường phải đảm bảo khoảng cách này cho người lái xe trong mọi trường hợp Do đó, khi xét điều kiện an toàn chạy xe, chiều dài hãm xe có một ý nghĩa rất quan trọng

Khi hãm phanh trên các bánh xe, má phanh tác dụng vào vành xe sinh ra mô men hãm Mh và mô men này sinh ra lực hãm phanh Ph

29K1 - 0026

M h r

Trong đó: ϕ - hệ số bám

Gh – trọng lượng hãm, vì tất cả các bánh xe đều bố trí bộ phận hãm phanh nên trọng lượng hãm cũng bằng trọng lượng toàn bộ G của xe

Ngoài lực hãm phanh Ph, khi hãm xe các lực cản khác cũng tham gia vào quá trình hãm, nhưng vì khi hãm xe, xe chạy chậm nên lực cản do không khí Pw là không đáng kể, còn lực cản lăn Pf và lực quán tính Pj được bỏ qua để tăng an toàn Do vậy tổng lực hãm lúc này chỉ gồm lực hãm phanh Ph và lực cản do dốc

Pi , nghĩa là:

∑Phãm = Ph + Pi = ϕG ± iG = G(ϕ ± i) (2.21) trong đó: i – độ dốc dọc của đường

Gọi v1 và v2 (m/s) là tốc độ của ô tô trước và sau khi hãm phanh Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng thì công của tổng lực hãm A sinh ra trên chiều dài hãm xe

Sh phải bằng động năng W tiêu hao do tốc độ ô tô giảm từ v1 xuống v2 , tức là:

G(ϕ ± i)Sh =

2 2

2 2

2 1

2 2

2

g

G v v

2

Trong thực tế cự ly hãm lý thuyết Sh không thực hiện được, vì khi hãm xe với cường độ cao, bánh xe có thể ngừng quay và bắt đầu trượt, đặc biệt là trên đường

ẩm ướt Ngoài ra nếu bánh xe bị hãm hoàn toàn thì bánh trước sẽ không lái được

và bánh sau sẽ bị trượt ngang rất nguy hiểm Do đó chiều dài hãm xe ngoài thực

tế sẽ lớn hơn so với lý thuyết và người ta phải đưa vào công thức trên hệ số sử dụng phanh k Theo thực nghiệm nên lấy k = 1,2 với ô tô con và k = 1,3 – 1,4 với

ô tô tải và ô tô buýt Do đó ta có:

( i)

g

v v k

2 2

2 2

2 1

2

Theo định luật bảo toàn chuyển động của khối tâm của cơ hệ có thể phân tích quá trình hãm phanh của ô tô như sau:

Để hãm phanh, người lái phanh cho má phanh áp chặt vào tang quay gắn liền với bánh

xe, lực ma sát giữa má phanh và tang quay sinh ra mơ men hãm Mh Lực ma sát giữa

má phanh và tang quay là lực trong, tự nĩ khơng làm thay đổi được chuyển động của khối tâm tức là khơng hãm được xe đang chạy Nhưng ma sát giữa má phanh và tang quay sẽ làm cho bánh xe quay chậm lại và làm cho ma sát giữa bánh xe với mặt đường tăng lên Lực bám khi hãm là lực ngồi, cĩ chiều ngược với chiều chuyển động, nĩ làm cho khối tâm của xe phải chuyển động chậm dần nghĩa là bị hãm lại

2.5 TẦM NHÌN XE CHẠY

Để đảm bảo xe chạy an tồn, người lái xe luơn luơn cần phải nhìn thấy rõ một đoạn đường ở phía trước để kịp xử lý mọi tình huống giao thơng như tránh các chỗ hư hỏng, các chướng ngại vật, vượt xe,… Chiều dài đoạn đường tối thiếu cần nhìn thấy ở phía trước đĩ gọi là tầm nhìn chạy xe Khi thiết kế đường cần phải đảm bảo được tầm nhìn này

Trở ngại đối với tầm nhìn cĩ thể xảy ra ở chỗ đường vịng trên bình đồ hoặc cũng

cĩ thể xảy ra ở những chỗ đỉnh dốc lồi trên trắc dọc (Hình 2.12)

Vùng cản trở tầm nhìn Tim đường Qũy đạo xe chạy

Vùng cản trở tầm nhìn

a)

b)

Hình 2.12 Khái niệm về tầm nhìn

a) Trên bình đồ; b) Trên trắc dọc Cần phải xác định chiều dài tầm nhìn tối thiểu S này tùy thuộc vào một số tình huống giao thơng trên đường theo các sơ đồ sau đây:

2.5.1 Xác định chiều dài tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 1:

S1

Hình 2.13 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 1

Ô tô gặp chướng ngại vật trên làn xe đang chạy, người lái xe cần phải nhìn thấy chướng ngại vật và kịp dừng xe trước nó (Hình 2.13)

Theo hình vẽ ta có:

Trong đó:

Lpu – chiều dài xe chạy được trong thời gian người lái xe phản ứng tâm lý,

là thời gian từ lúc lái xe nhận ra chướng ngại vật đến khi tác động hãm xe phát huy hiệu quả hãm hoàn toàn, trong thiết kế đường quy định thời gian này là 1s, do đó: lpu = v.t = v (m)

v – tốc độ ô tô trước khi hãm phanh, m/s;

Sh – Chiều dài xe chạy được trong quá trình hãm xe,

( i)

2g

v k.

v k.

v

± +

V k.

3,6

V

± +

=

2.5.2 Xác định chiều dài tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 2:

Theo sơ đồ này, hai xe chạy ngược chiều nhau trên cùng một làn xe và kịp dừng lại trước nhau một cách an toàn (Hình 2.14)

lpu1, lpu2 - chiều dài xe 1 và xe 2 chạy được trong thời gian người lái xe phản ứng tâm lý, lập luận tương tự như trên ta có:

S

2 1 h1 = ϕ+ , m

( i)

2g

v k.

S

2 2 h2 = ϕ− , m

(giả thiết xe 1 lên dốc và xe 2 xuống dốc)

l0 – Cự ly an toàn, thường lấy từ 5 – 10m;

Do đó:

2 2

2 1 2

1

i 2g

v k i 2g

v k.

v v

−

+ + +

1,8

V

−+

2.5.3 Xác định chiều dài tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 3:

Theo sơ đồ này, hai xe chạy ngược chiều nhau trên cùng một làn xe, xe chạy trái làn phải kịp lái về làn xe của mình để tránh xe kia một cách an toàn và không giảm tốc độ (Hình 2.15)

S 3

Hình 2.15 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 3

Theo hình vẽ ta có: S3 = l1 + l2 + l0 + l3 + l’1 (m) (2.32) Trong đó:

l1 và l’1 - chiều dài xe 1 và xe 2 chạy được trong thời gian người lái xe phản ứng tâm lý, lập luận tương tự như trên ta có: l1 = v1, l’1=v2 (m)

v1 và v2 – vận tốc của xe 1 và xe 2, m/s;

l2 - chiều dài xe 1 chạy được trong thời gian lái tránh xe 2, theo hình vẽ 2.15, xét tam giác vuông nội tiếp trong nửa vòng tròn bán kính r, ta có:

ar4

aar2

a2r2

a2

a – khoảng cách giữa trục các làn xe, m;

r – bán kính tối thiểu xe có thể lái ngoặt được tính theo điều kiện ổn định chống trượt ngang, m;

)(

127r

từ đó ta có: l2 = 2 ar, m

l3 – đoạn đường xe 2 đi được trong thời gian xe 1 lái tránh, ta có:

2

3 1

2

v

l v

l

t = =

ar v

v 2 l v

v l

1

2 2 1

1

v

v 2 ar 2 v

S = +v + + +l , m Nếu 2 xe chạy cùng tốc độ V1 = V2 = V, km/h thì:

m

l ,

ar41,8

V

2.5.4 Xác định chiều dài tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 4:

Hai xe cùng chiều có thể vượt nhau, xe 1 chạy nhanh bám theo xe 2 chạy chậm với khoảng cách an toàn Sh1-Sh2 và khi quan sát làn xe trái chiều, xe 1 vượt xe 2

và quay về làn của mình an toàn (Hình 2.16) Vận tốc các xe là v1, v2 và v3(v1>v2) thường lấy v2=v3=vtk và xe 1 chạy nhanh hơn xe 2 là 15km/h

Xe 1 chạy đến mặt cắt 0-0 thì bắt kịp xe 2 và quay về làn của mình cách xe 2 một khoảng cách an toàn Sh2+l0

Toàn bộ quá trình vượt xe không thay đổi tốc độ

* Tính l 1 +l 2 :

Thời gian xe 1 chạy đến mặt cắt 0-0 bằng thời gian xe 2 chạy đến mặt cắt 0-0

2 1

1 2 2 1 1 2 2

2 1 2 1

l v S S v l v

S S l

Thay l1=v1 , khai triển Sh1 và Sh2 ; rút l1+l2 ta có

)(2

)( 1 2

1 2 1

2 1 2

v v kv v v

v l

l

±

++

−

=+

−

2 1

1 2

1

0 2 1

' 2 2 1

0 2 2

0 2

) (

l i g

kv v

v

v v

v

l S v l v v

l S v

l S

3 3 1

' 2 2

l l

l

v

l

++

=

⇒+

+

Thay (2.35), (2.36), (2.37) vào (2.34) ta có

) 1 ).(

(

1

3 '

2 2 1 4

v

v l

l l

Thay (2.35)+(2.36) vào (2.38) và viết gọn lại ta có

)1.(

)(2)

(2

)(

1

3 0

2 2 2

1

1 2

1 1 2 1

2 1 4

v

v l

i g

kv v

v

v i

g

v v kv v v

1 Sơ đồ 1: Là sơ đồ cơ bản nhất cần phải kiểm tra trong bất kỳ tình huống

nào của đường Quy trình Việt Nam quy định Các tầm nhìn được tính từ mắt người lái xe có vị trí: chiều cao 1,00 m bên trên phần xe chạy, xe ngược chiều có chiều cao 1,20 m, chướng ngại vật trên mặt đường có chiều cao 0,10 m

2 Sơ đồ 2 : Thường áp dụng cho các đường không có dải phân cách trung

tâm và dùng để tính toán bán kính đường cong đứng

3 Sơ đồ 3 : Không phải là sơ đồ cơ bản, ít được sử dụng trong các quy trình

nhiều nước

4 Sơ đồ 4 : Là trường hợp nguy hiểm, phổ biến xảy ra trên đường có 2 làn

xe Khi đường có dải phân cách giữa, trường hợp này không thể xảy ra Tuy vậy, trên đường cấp cao, tầm nhìn này vẫn phải kiểm tra nhưng với ý nghĩa là bảo đảm một chiều dài nhìn được cho lái xe an tâm chạy với tốc

S (m) - - 550 350 350 200 200 150 150 100

2.6 SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐOÀN XE KÉO MOÓC

Trong khi tính toán sức kéo của ô tô, chúng ta thấy trên phần lớn chiều dài đường không sử dụng hết lực kéo của ô tô, nhất là ở vùng đồng bằng Vì vậy, sử dụng moóc kéo sau xe là một biện pháp hữu hiệu để nâng cao năng suất đoàn xe và tận dụng lực kéo, tiết kiệm nhiên liệu chuyên chở TCVN 4054-05 quy định xe dài nhất là xe moóc tỳ, chiều rộng phủ bì 2,50 m, cao 4,00 m và toàn chiều dài là 16,5m Khi trong đoàn xe có xe lớn hơn lưu thông, có thể tham khảo tiêu chuẩn các nước khác Theo tiêu chuẩn Mỹ, đoàn xe kéo moóc không rộng quá 2,6m, không cao quá 4,0m và đoàn xe dài nhất (mang ký hiệu WB-114) không dài quá 35m

Về sự chuyển động của đoàn xe kéo moóc có những chú ý sau đây:

- Về yêu cầu an toàn, tất cả các moóc hiện đại đều có bố trí phanh hãm trên các trục của moóc

- Lực cản lăn và lực cản lên dốc cũng như chiếc xe đơn nhưng phải tính với trọng lượng của toàn đoàn xe

- Hệ số lực cản không khí lớn hơn nhiều so với xe đơn chiếc nhưng vì tốc

độ đoàn xe chạy chậm nên trị số tuyệt đối không tăng đáng kể

- Trong lực cản quán tính chú ý tới quán tính quay của các bộ phận của moóc

Ta có phương trình chuyển động của đoàn xe kéo moóc

dt

dv nQ G g

kFV i

f nQ G

13 ) )(

(

2

+ +

+

± +

(2.41) Trong đó

n - số moóc

Qm- Trọng lượng của mỗi moóc

β - Hệ số kể đến quán tính quay của các moóc

Trường hợp vận tốc của đoàn xe thấp, lực cản không khí coi như không đáng kể, nếu chuyển động đều thì dv/dt=0 và ta có phương trình

Căn cứ phương trình trên, khi biết điều kiện đường f và i, sẽ xác định được số hàng kéo theo moóc hoặc khi yêu cầu về moóc đã xác định thì sẽ tính được độ dốc dọc tối đa có thể khắc phục được Thường đoàn xe kéo moóc phải có một

dự trữ nhất định về lực kéo : ở chuyển số trực tiếp nhất phải khắc phục được dốc

từ 1-1,5%, ở chuyển số II phải khắc phục được độ dốc tối đa của đường

Khi xe kéo moóc, lực kéo của động cơ vẫn là Pk nhưng trọng lượng phải kéo khác đi, nhân tố động lực mới sẽ nhỏ đi nhiều

G

nQ G D D

nQ G

G D

D nQ

G

G G

P P nQ

G

P P D

m

m m

w k m

w k

) (

) (

)

(

)

(

'

' '

Về lý thuyết, lượng tiêu hao nhiên liệu cho một xe chạy trên 100km đường được tính theo công thức:

lít/100km,

10.V.γ

.Nq1000.V.γ

.N.100q

trong đó:

qe – tỉ suất tiêu hao nhiên liệu, tức là số nhiên liệu cần tiêu hao để sinh ra 1

mã lực trong 1 giờ (g/mã lực giờ), qe phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ, tỷ số chuyền động và độ mở bướm xăng Trong tính toán thường giả thiết bướm xăng mở hoàn toàn và thường lấy qe = 250 - 300 g/mã lực giờ;

γ – dung trọng của nhiên liệu, g/lít

N – công suất hiệu dụng do động cơ ô tô sản sinh ra để khắc phục các lực cản của đường, mã lực

V – tốc độ xe chạy, km/h;

3,6.75.η

.P

trong đó:

Pk - lực kéo sản sinh để cân bằng với các lực cản

η - hệ số hiệu dụng của động cơ ô tô;

V – tốc độ xe chạy, km/h;

Khi xe chạy cân bằng ta có Pk=ΣPcản

ΣPcản – tổng lực cản khi xe chạy với tốc độ đều,

( )

13

KFvP

2

η - hệ số hiệu dụng của động cơ ô tô;

Các số 3,6 và 75 – quy đổi đơn vị công suất ra mã lực;

Do đó ta có công thức tính lượng tiêu hao nhiên liệu:

(f i) ,lít 100/ km

G13

KFv

=

Từ công thức trên ta thấy tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào điều kiện đường cụ thể là chất lượng mặt đường và độ dốc dọc của đường (f và i)

Hình 2.17 Sự phụ thuộc hao tổn nhiên liệu Q vào tốc độ V

ở chuyển số trực tiếp, mặt đường cấp cao chủ yếu

Khi xe chạy trong thành phố, do giao thông thì người lái xe phải tăng tốc, giảm tốc (điều kiện), dừng xe trước các đèn tín hiệu làm cho tiêu hao nhiên liệu tăng lên

Thực nghiệm đã chứng minh tiêu hao nhiên liệu tối ưu khi xe chạy với vận tốc từ 50÷100 Km/h Tiêu hao nhiên liệu còn phụ thuộc vào loại xe, chất lượng xe Thường lượng tiêu hao nhiên liệu trung bình với các xe con từ 10-17 lít/100km ;

xe tải từ 23-34 lít/100km, xe càng hiện đại càng tiết kiệm nhiên liệu