Chuong2 thiet ke duong

Các lực cản khi xe chạy bao gồm: sức cản lăn, sức cản khôngHình 2.1 Các lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động Pk – Lực kéo; Pf – Lực cản lăn; Pw - Lực cản không khí... Xe con TOYOTA CAMR

Khi xe chạy trên đường động cơ phải tiêu hao năng lượng để khắc phục các lựccản trên đường Các lực cản khi xe chạy bao gồm: sức cản lăn, sức cản không

Hình 2.1 Các lực tác dụng lên ô tô khi chuyển động

Pk – Lực kéo; Pf – Lực cản lăn; Pw - Lực cản không khí

Thực nghiệm cho thấy tổng lực cản lăn trên tất cả các bánh xe Pf tỉ lệ thuận vớitrọng lượng G (kG) của ô tô:

Pf = f.G (kG)

Hệ số sức cản lăn f phụ thuộc vào độ cứng của lốp xe, tốc độ xe chạy và chủ yếu phụ thuộc vào loại mặt đường (Bảng 2.1) (Thường lấy f=0,02 khi tính toán thiết

kế các yếu tố hình học đường).

Bảng 2.1 Hệ số lực cản lăn f phụ thuộc loại mặt đường

Loại mặt đường Hệ số f Loại mặt đường Hệ số f

+ Bê tông xi măng

và bê tông nhựa

+ Đá dăm đen

+ Đá dăm

0,01 – 0,020,02 – 0,0250,03 – 0,05

+ Lát đá+ Đất khô và bằng phẳng

+ Đất ẩm và không bằng phẳng+ Đất cát rời rạc

0,04 – 0,050,04 – 0,050,07 – 0,150,15 – 0,30

Thực nghiệm thấy rằng dưới tốc độ 50Km/h hệ số cản lăn thực tế không thay đổi,còn trong khoảng tốc độ 50-150Km/h tăng theo công thức sau:

fv = f.[1+0,01(V-50)]; với vận tốc tính bằng Km/h

Hình 2.2 Quan hệ giữa hệ số cản lăn với vận tốc của ô tô và áp suất lốp xe

2.1.1.2 Lực cản do không khí P w

Khi xe chạy, lực cản không khí gây ra do phản lực của khối không khí phía trước,

do ma sát của thành xe với không khí hai bên và do khoảng chân không phía sau

ô tô hút lại

Theo khí động học, lực cản không khí khi không có gió được xác định theo côngthức:

Pw = k.F.v2 (kG)

Trong đó:

k – hệ số sức cản không khí phụ thuộc vào mật độ không khí và hình dạngxe: ô tô tải k = 0,06–0,07; ô tô bus k = 0,04 – 0,06; xe con k = 0,025 –0,035

F – diện tích cản trở (diện tích mặt cắt ngang lớn nhất của ô tô) (m2)

F = 0,8.B.H (B và H là chiều rộng và chiều cao của ô tô m).

v – vận tốc tương đối của xe kể cả tốc độ gió, thường tính toán với vận tốccủa gió bằng không, như vậy v là vận tốc xe chạy tính toán (m/s)

Trong kỹ thuật, thường vận tốc xe chạy được tính bằng km/h, như vậy ta có :

Khi xe lên dốc lấy dấu “+” và khi xe xuống dốc lấy dấu “-“

Khi xe lên dốc lực này ngược chiều chuyển động, khi xe xuống dốc cùng chiềuchuyển động

2.1.1.4 Lực cản do quán tính P j

1 (Độ dốc lớn nhất theo TCVN 4054-05 imax=11% từ đó góc αmax =6,28 o )

Phát sinh khi xe tăng hoặc giảm tốc Bao gồm sức cản quán tính do chuyển độngtịnh tiến của ô tô có khối lượng m và sức cản quán tính do các bộ phận quay của

ô tô Khi xe tăng tốc thì lực quán tính ngược chuyển động của ô tô, cản trởchuyển động; khi xe giảm tốc, lực quán tính cùng chiều chuyển động Do đó tacó:

G

Pj = ± δ

Dấu “+” ứng với trường hợp tăng tốc và dấu “-” ứng với trường hợp giảm tốc

Xe con TOYOTA CAMRY 2.4 Hình 2.4 Gia tốc J theo V và chuyển

số

Hình 2.5 Thời gian T và quãng đường

tăng tốc S theo V

2.1.2 LỰC KÉO VÀ QUÁ TRÌNH SINH RA SỨC KÉO

Khi xe chạy, nhiên liệu cháy trong động cơ, biến nhiệt năng thành cơ năng tạo ramột công suất làm quay trục khuỷu, tạo ra mô men quay M tại trục của động cơrồi chuyền qua hộp số, trục các đăng tới cầu xe tạo ra mô men quay tại trục chủđộng Mk và sinh ra lực kéo Pk tại bánh xe chủ động

t

S

Hình 2.6 Quá trình sinh ra sức kéo của ô tô

1: Động cơ 2: Ly hợp 3: Hộp số

4: Trục các đăng 5: Cầu xe 6: Bánh xe

Công suất hiệu dụng N của động cơ tạo nên mô quay M tại trục khuỷu của động

(kG.m)

Từ đó tính được mô men quay ở bánh xe chủ động:

Mk=M.ik.η.io (kG.m)

Trong đó:

ik: tỉ số truyền của hộp số, thay đổi theo số cài của xe

io: tỉ số truyền cơ bản ở cầu xe, nó phụ thuộc vào loại xe

η: hệ số hiệu dụng của cơ cấu truyền động

+ η=0.8÷0.85 đối với xe tải

+ η=0.85÷0.9 đối với xe con, xe du lịch.

Pk=

k

k r

M

 Pk=

k

k o r

i i

M

.η (kG)

Bán kính rk phụ thuộc vào áp lực hơi trong lốp xe, cấu tạo của lốp và tải trọng tácdụng trên lốp xe Thường rk=(0,93-0,96)r

Xe con TOYOTA CAMRY 2.4 Hình 2.7 Biểu đồ đặc tính ngoài giữa

công suất N e (mã lực), mô men quay

M e (kG.m)theo số vòng quay của động

Đặt D =

dt

dv g

δ i f G

Trong phương trình trên thì vế trái biểu diễn các yếu tố phụ thuộc vào ô tô, và vếphải biểu diễn các yếu tố phụ thuộc vào điều kiện đường.

Biểu đồ trên đó biểu diễn các đường D = f(v) ứng với các chuyển số khác nhaucủa một loại ô tô được gọi là biểu đồ nhân tố động lực của loại ô tô đó (Hình2.9)

Hình 2.9 Biểu đồ nhân tố động lực của xe TOYOTA Camry 2.4

D=f ± i ± J.δ khi xe chuyển động đều thì J=0 ⇒ D=f ± i

Chọn một loại xe đặc trưng cho đoạn đường đang xét (chiếm % lưu lượng lớnnhất) để có biểu đồ nhân tố động lực của loại xe đó

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 lớnnhất 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 giatốc

[ D ( f i ) ] . δ g

max

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 chuyểnsang 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

,tS

g)2

D1D(

dv.vdt

.vds

g)

2D1D(

g.)ifDdt

dv

Viết theo biểu thức cuối có nghĩa là ta phân sự chênh lệch tốc độ ra nhiều phân tốrồi 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 bịđộng

Tại bánh xe chủ động mô men Mk tác dụng lên mặt đường lực kéo Pk và theođịnh luật III Newton mặt đường tác dụng trở lại bánh xe một lực T theo phươngngang cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn với Pk Nhờ có T mà điển tiếpxúc 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 lênmặt 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 bịbiến dạng và xô về phía trước) (a/rk=f)

Về bản chất: T là lực ma sát trượt giữa bánh xe và mặt đường, nó phụ thuộc vào:

+ áp suất hơi của bánh xe, tính chất bề mặt tiếp xúc của bánh xe

+ 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 khôngcòn là tâm quay tức thời nũa, bánh xe sẽ bị quay tại chỗ hoặc trượt theo quántính và xe không thể chuyển động được

Đối với bánh xe bị động, lực P đặt tại tâm bánh xe, phản lực tiếp tuyến trênđường 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 mặtđường theo công thức sau :

ẩm và bẩn

Rất thuận lợiBình thườngKhông thuận lợi

0,70,50,3

Theo điều kiện lực bám, để xe chuyển động được thì:

Pk ≤ Tmax=ϕ.Gk

Mà

G

P G D P G D P G

P P

w k

dt

dv i f G

P G

Vậy khi xe vượt được dốc phải đảm bảo điều kiện ib ≥ ik

Theo định luật bảo toàn chuyển động của khối tâm của cơ hệ có thể phân tích quá trìnhchuyển 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 sẽhướng 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 tôkhông thể di chuyển về phía trước được Lúc đó các bánh chủ động sẽ quay tại chỗ (salầy)

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 saocho xe vừa kịp dừng lại trước chúng Khi thiết kế đường phải đảm bảo khoảngcách này cho người lái xe trong mọi trường hợp Do đó, khi xét điều kiện an toànchạy 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 menhãm Mh và mô men này sinh ra lực hãm phanh Ph

Ph = Tmax = ϕ Gh

Trong đó: ϕ - hệ số bám

Gh – trọng lượng hãm, vì tất cả các bánh xe đều bố trí bộ phận hãmphanh 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 quátrình hãm, nhưng vì khi hãm xe, xe chạy chậm nên lực cản do không khí Pw làkhông đáng kể, còn lực cản lăn Pf và lực quán tính Pj được bỏ qua để tăng antoàn 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)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 lýbảo 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 =

22

2 2

2 1

2 2

2

g

G v v

S h

±

−

=ϕ2

2 2

2 1

Trong thực tế cự ly hãm lý thuyết Sh không thực hiện được, vì khi hãm xe vớicường 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 sửdụng 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 1

Nếu tốc độ xe tính bằng km/h thì:

254

V V k S

2 2

2 1

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 mô men hãm Mh Lực ma sát giữa

má phanh và tang quay là lực trong, tự nó không làm thay đổi được chuyển động của

khối tâm tức là khơng hãm được xe đang chạy Nhưng ma sát giữa má phanh và tangquay sẽ làm cho bánh xe quay chậm lại và làm cho ma sát giữa bánh xe với mặt đườngtăng lên Lực bám khi hãm là lực ngồi, cĩ chiều ngược với chiều chuyển động, nĩ làmcho 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 mộtđoạn đường ở phía trước để kịp xử lý mọi tình huống giao thơng như tránh cácchỗ hư hỏng, các chướng ngại vật, vượt xe,… Chiều dài đoạn đường tối thiếu cầnnhìn thấy ở phía trước đĩ gọi là tầm nhìn chạy xe Khi thiết kế đường cần phảiđảm 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 cả n trở tầm nhìn

Vùng cả n trở tầm nhìn

a)

b)

Hình 2.12 Khái niệm về tầm nhìn

a) Trên bình đồ; b) Trên trắc dọcCần phải xác định chiều dài tầm nhìn tối thiểu S này tùy thuộc vào một số tìnhhuống 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

Ơ tơ gặp chướng ngại vật trên làn xe đang chạy, người lái xe cần phải nhìn thấychướng ngại vật và kịp dừng xe trước nĩ (Hình 2.13)

Theo hình vẽ ta có:

S1 = lpu + Sh + l0

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 xephát huy hiệu quả hãm hoàn toàn, trong thiết kế đường quy định thời giannày 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

vk

vk

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 dừnglại 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 xephản ứng tâm lý, lập luận tương tự như trên ta có:

l1 = v1 l2 = v2, (m)

2 1

( i)

2g

vk

S

2 2

(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

i2g

vki2g

vk

vv

−

+++

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 tráilàn phải kịp lái về làn xe của mình để tránh xe kia một cách an toàn và khônggiảm tốc độ (Hình 2.15)

l2 - chiều dài xe 1 chạy được trong thời gian lái tránh xe 2, theo hình vẽ2.15, xét tam giác vuông nội tiếp trong nửa vòng tròn bán kính r, ta có:

ar 4

a ar 2

a 2r 2

a 2

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

với φn là hệ số bám ngang φn=0,6φ (thường lấy φn=0,3-0,35) và in là độ dốc ngang mặt đường (in=2-4%)

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

lv

l

arv

v2lv

vl

1

2 2 1

1

v

v2ar2v

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 chậmvới 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 mộtkhoảng cách an toàn Sh2+l0

Toàn bộ quá trình vượt xe không thay đổi tốc độ

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

1

i g

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 , , vào ta có

)1).(

(

1

3 '

2 2 1 4

v

v l

l l

S = + + +

Thay + vào 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

−

=

ϕϕ

Công thức trên có thể tính đơn giản hơn, nếu như người ta dùng thời gian vượt xethống kê được trên đường Trị số này trong trường hợp bình thường, khoảng 10s,

và trong trường hợp cưỡng bức, khi xe đông, khoảng 7s Lúc đó chiều dài tầmnhìn theo sơ đồ 4 có 2 trường hợp

- Bình thường S4=6.V

- Cưỡng bức S4=4.V

VẬN DỤNG CÁC SƠ ĐỒ TẦM NHÌN :

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 từmắt người lái xe có vị trí: chiều cao 1,00 m bên trên phần xe chạy, xengược chiều có chiều cao 1,20 m, chướng ngại vật trên mặt đường cóchiều 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 ýnghĩa là bảo đảm một chiều dài nhìn được cho lái xe an tâm chạy với tốc