Giá trình Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô - Chương 2: Sự chuyển động của ô tô trên đường

Nội dung text: Giá trình Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô - Chương 2: Sự chuyển động của ô tô trên đường

1. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ CHƯƠNG 2 SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ơ TƠ TRÊN ĐƯỜNG 2.1 CÁC LỰC TÁC DỤNG KHI XE CHẠY Chuyển động của ơ tơ trên đường là một chuyển động phức tạp - tịnh tiến trên đường thẳng, quay trên đường cong đứng, lượn trên đường cong nằm và dao động khi chuyển động trên mặt đường khơng bằng phẳng. Tất cả những đặc điểm chuyển động đĩ hiện nay chưa vận dụng hết vào việc xác định các yếu tố tuyến đường, vì vậy trong thiết kế đường, người ta giả định là ơ tơ chuyển động khơng dao động trên mặt đường hồn tồn phẳng, rắn và khơng biến dạng. Khi xe chạy trên đường động cơ phải tiêu hao năng lượng để khắc phục các lực cản trên đường. Các lực cản khi xe chạy bao gồm: sức cản lăn, sức cản khơng khí, sức cản quán tính và sức cản do dốc (Hình 2.1). Điều kiện để xe chạy được là lực kéo do động cơ sinh ra phải khắc phục được tất cả các lực cản : Pk ≥ ∑ Pcản . P Pk  Pj Pi Pf Hình 2.1 Các lực tác dụng trên ơ tơ khi xe chạy Pk – Lực kéo; Pf – Lực cản lăn; Pw - Lực cản khơng khí Pi – Lực cản lên dốc; Pj – Lực cản quán tính 2.1.1 LỰC CẢN 2.1.1.1 Lực cản lăn Pf: Khi xe chạy, tại các điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường xuất hiện lực cản lăn. Lực này ngược chiều chuyển động của xe, cản trở sự chuyển động của ơ tơ. Lực cản lăn sinh ra là do ma sát giữa bánh xe với mặt đường, sinh ra do biến dạng của lốp xe và biến dạng của mặt đường, do xe bị xung kích và chấn động trên mặt đường khơng bằng phẳng và do ma sát trong các ổ trục của xe khi xe chạy. Thực nghiệm cho thấy tổng lực cản lăn trên tất cả các bánh xe Pf tỉ lệ thuận với trọng lượng G (kG) của ơ tơ: Pf = f.G (kG) (2-1) II - 1
2. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ 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 tốn 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 tơng xi măng 0,01 – 0,02 + Lát đá 0 ,04 – 0,05 và bê tơng nhựa + Đất khơ và bằng phẳng 0,04 – 0,05 + Đá dăm đen 0,02 – 0,025 + Đất ẩm và khơng 0,07 – 0,15 + Đá dăm 0,03 – 0,05 bằng phẳng + Đất cát rời rạc 0,15 – 0,30 2.1.1.2 Lực cản do khơng khí Pw Khi xe chạy, lực cản khơng khí gây ra do phản lực của khối khơng khí phía trước, do ma sát của thành xe với khơng khí hai bên và do khoảng chân khơng phía sau ơ tơ hút lại. Theo khí động học, lực cản khơng khí khi khơng cĩ giĩ được xác định theo cơng thức: 2 Pw = k.F.v (kG) Trong đĩ: k – hệ số sức cản khơng khí phụ thuộc vào mật độ khơng khí và hình dạng xe: ơ tơ tải k = 0,06–0,07; ơ tơ 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 ơ tơ). F = 0,8.B.H (B và H là chiều rộng và chiều cao của ơ tơ m). v – vận tốc tương đối của xe kể cả tốc độ giĩ, thường tính tốn với vận tốc của giĩ bằng khơng, như vậy v là vận tốc xe chạy tính tốn (m/s). Trong kỹ thuật, thường vận tốc xe chạy được tính bằng km/h, như vậy ta cĩ : kFV2 P (2-2) w 13 V – vận tốc xe chạy, km/h. 2.1.1.3 Lực cản do lên dốc Pi Là do trọng lượng bản thân của ơ tơ gây ra khi xe chuyển động trên mặt phẳng nằm nghiêng. Ta cĩ: Pi = G. sin Do nhỏ nên sin tg = i i – độ dốc dọc của đường. Do đĩ: Pi = G. i (2-3) Khi xe lên dốc lấy dấu “+” và khi xe xuống dốc lấy dấu “-“. II - 2
3. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ Khi xe lên dốc lực này ngược chiều chuyển động, khi xe xuống dốc cùng chiều chuyển động. 2.1.1.4 Lực cản do quán tính Pj Phát sinh khi xe tăng hoặc giảm tốc. Bao gồm sức cản quán tính do chuyển động tịnh tiến của ơ tơ cĩ khối lượng m và sức cản quán tính do các bộ phận quay của ơ tơ. Khi xe tăng tốc thì lực quán tính ngược chuyển động của ơ tơ, cản trở chuyển động; khi xe giảm tốc, lực quán tính cùng chiều chuyển động. Do đĩ ta cĩ: Pj = m.j Trong đĩ: m – khối lượng của ơ tơ m=G/g; G – trọng lượng của ơ tơ, g – gia tốc trọng trường; J – là gia tốc của ơ tơ J=dv/dt; v – tốc độ xe chạy, t – thời gian; Vì ngồi chuyển động tịnh tiến xe cịn cĩ các chuyển động quay của các bánh xe, trục xe nên phải nhân thêm hệ số kể đến quán tính quay δ=1,03-1,07. G dv P  j g dt (2-4) Dấu “+” ứng với trường hợp tăng tốc và dấu “-” ứng với trường hợp giảm tốc . 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 ra một cơng suất làm quay trục khuỷu, tạo ra mơ men quay M tại trục của động cơ rồi chuyền qua hộp số, trục các đăng tới cầu xe tạo ra mơ men quay tại trục chủ động Mk và sinh ra lực kéo Pk tại bánh xe chủ động. Hình 2.2 Quá trình sinh ra sức kéo của ơ tơ 1: Động cơ. 2: Ly hợp. 3: Hộp số. 4: Trục các đăng. 5: Cầu xe. 6: Bánh xe. II - 3
4. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ Cơng suất hiệu dụng N của động cơ tạo nên mơ quay M tại trục khuỷu của động cơ : N= M.w (mã lực) 75 Trong đĩ : w : là vận tốc gĩc của trục quay: w= 2 .n 60 n : số vịng quay tính bằng v/phút. Do đĩ M= 716,2.N (kG.m) n Từ đĩ tính được mơ men quay ở bánh xe chủ động: Mk=M.ik..io (kG.m). Trong đĩ: ik: tỉ số truyền của hộp số, thay đổi theo số cài của xe. io: tỉ số truyền cơ bản ở cầu xe, nĩ phụ thuộc vào loại xe. : hệ số hiệu dụng của cơ cấu truyền động. + =0.8 0.85 đối với xe tải. + =0.85 0.9 đối với xe con, xe du lịch. M k M.io .ik Pk=  Pk= . (kG). (2-5) rk rk Bán kính rk phụ thuộc vào áp lực hơi trong lốp xe, cấu tạo của lốp và tải trọng tác dụng trên lốp xe. Thường rk=(0,93-0,96)r 2.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ơ TƠ VÀ BIỂU ĐỒ NHÂN TỐ ĐỘNG LỰC D Lực kéo sinh ra để khắc phục tất cả các lực cản trên đường. Để xe cĩ thể chuyển động được thì Pk ≥ ∑ Pcản I Như vậy, phương trình chuyển động của ơ tơ II Pk=Pf + Pw + Pi + Pj kFV2 G dv Hay P = fG Gi + δ k 13 g dt III kFV2 P k δ dv V, km/h Đặt D = 13 f i 0 G g dt Hình 2.3 Biểu đồ nhân tố động lực của ơ tơ II - 4
5. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ D - được gọi là nhân tố động lực của ơ tơ, về cơ học D cĩ nghĩa là sức kéo trên một đơn vị trọng lượng của xe. dv Khi chuyển động đều thì 0 và do vậy điều kiện chuyển động đều của ơ tơ về dt mặt sức kéo sẽ là: D = f ± i (2-6) Trong phương trình trên thì vế trái biểu diễn các yếu tố phụ thuộc vào ơ tơ, và vế phải biểu diễn các yếu tố phụ thuộc vào điều kiện đường. Biểu đồ trên đĩ biểu diễn các đường D = f(v) ứng với các chuyển số khác nhau của một loại ơ tơ được gọi là biểu đồ nhân tố động lực của loại ơ tơ đĩ (Hình 2.3). Các vận dụng từ biểu đồ nhân tố động lực 1. Xác định được vận tốc xe chạy đều thực tế lớn nhất khi biết tình trạng của đường : D=f i J. khi xe chuyển động đều thì J=0 D=f i. Cĩ f, i Dtt =f i Vmax thực tế Khi từ D dĩng sang ngang cắt biểu đồ tại hai điểm thì chỉ cĩ điểm ở bên phải cĩ giá trị ổn định và dùng được để xác định Vmax thực tế. Trường hợp này thường được áp dụng cho các đường cải tạo nâng cấp và khi tính tốn khai thác đường. 2. Xác định các điều kiện cần thiết của đường để đảm bảo một tốc độ xe chạy cân bằng yêu cầu. D=f i J. 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 lớn nhất) để cĩ biểu đồ nhân tố động lực của loại xe đĩ. Cĩ V dựa vào biểu đồ nhân tố động lực suy ra D, căn cứ vào loại mặt đường cĩ 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 cĩ thể xác định khả năng khởi động ở chân dốc. Muốn khởi động xe phải bắt đầu ở chuyển số I, lúc đĩ cĩ Dmax và tính được gia tốc II - 5
6. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ dv g 2 D ( f i). gia tốc đủ để khởi động được khơng nhỏ hơn 1,5m/s . dt max  3. Xác định chiều dài cần thiết của đoạn gia 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 cĩ gia tốc dv/dt khi cĩ điều kiện mới D2=f2 i2 dv g g D ( f i). (D D ). dt  1 2  v.dv ds v.dt (D D )g 1 2 v v 2  2 v.dv S ds v g v (D D ) 1 1 1 2 Từ đĩ cĩ thể vẽ được biểu đồ vận tốc trên trắc dọc. 2.3 LỰC BÁM CỦA BÁNH XE VỚI MẶT ĐƯỜNG Khi ơ tơ đang chuyển động thì cĩ các lực tác dụng lên bánh xe chủ động và bị động. Lực tác dụng lên bánh chủ động Lực tác dụng lên bánh xe bị động Hình 2.4 Các lực tác dụng lên bánh xe Tại bánh xe chủ động mơ men Mk tác dụng lên mặt đường lực kéo Pk và theo định luật III Niuton 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 cĩ T mà điểm 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. Ngồi ra bánh chủ động cịn chịu trọng lượng G 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 xơ về phía trước). (a/rk=f) Về bản chất: T là lực ma sát trượt giữa bánh xe và mặt đường, nĩ phụ thuộc vào: + áp suất hơi của bánh xe, tính chất bề mặt tiếp xúc của bánh xe. II - 6
7. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ + Tính chất bề mặt tiếp xúc của mặt đường (ráp hay nhẵn, trơn) + Tình trạng mặt đường (khơ, sạch hay ẩm, bẩn) Do đĩ 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 đĩ mà thơi (gọi là lực bám lớn nhất), lúc đĩ cứ tăng Pk lên thì điểm tiếp xúc khơng cịn là tâm quay tức thời nũa, bánh xe sẽ bị quay tại chỗ hoặc trượt theo quán tính và xe khơng thể chuyển động được. Như vậy điều kiện chuyển động bình thường của xe về lực bám là Pk≤Tmax Bằng thực nghiệm người ta tính được lực bám lớn nhất giữa bánh xe với mặt đường theo cơng thức sau : Tmax= .Gk (kG). Gk : là thành phần trọng lực tác dụng lên trục chủ động Xe con : Gk=(0,5  0,55)G Xe tải : Gk=(0,65 0,7)G : là hệ số bám của bánh xe đối với mặt đường. ý nghĩa của hệ số bám . - Hệ số bám phụ thuộc vào độ mài mịn của lốp xe và đặc biệt là phụ thuộc vào tình trạng mặt đường và độ nhám của lớp mặt. - Khuyến khích sử dụng loại mặt đường cĩ độ bằng phẳng cao, vật liệu lớp mặt cứng, đồng đều, ít mịn để tăng độ bám của mặt đường. - Tình trạng của mặt đường phải tốt, nếu mặt đường bẩn và ẩm ướt thì lực bám giảm đi rất nhiều, bánh xe dễ bị trơn trượt, làm mất an tồn khi chạy xe. - Trong điều kiện lốp xe trung bình, vận tốc chạy xe trung bình thì cĩ thể tham khảo các giá trị của như sau: Bảng 2.2 Các giá trị hệ số bám dọc φ Tình trạng mặt đường Điều kiện xe chạy Hệ số bám Khơ sạch Rất thuận lợi 0,7 Khơ sạch Bình thường 0,5 ẩm và bẩn Khơng thuận lợi 0,3 Theo điều kiện lực bám, để xe chuyển động được thì: Pk ≤ Tmax= .Gk. P P .G P Mà D k w P D.G P D k w G k w G Kết hợp với điều kiện chuyển động được của ơ tơ về mặt lực kéo ta cĩ II - 7
8. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ dv .G P f i  D k w điều kiện chuyển động chung của xe g.dt G Theo định luật bảo tồn chuyển động của khối tâm của cơ hệ cĩ thể phân tích quá trình chuyển động của ơ tơ như sau: Khi khởi động, áp lực của hơi nước hoặc của khí nén bên trong động cơ là lực trong, tự nĩ khơng thể làm cho khối tâm của hệ di chuyển. Chuyển động cĩ thể thực hiện được là nhờ động cơ đã truyền mơ men quay Mk cho các bánh chủ động. Khi tiếp điểm B của bánh chủ động cĩ khuynh hướng trượt về phía sau (sang trái) thì lực bám T sinh ra sẽ hướng về phía trước (sang phải). Nhờ cĩ lực ngồi này mà trọng tâm của ơ tơ chuyển động được sang phải. Cịn ở bánh bị động (bánh dẫn) tác dụng vào bánh bị động khơng phải là mơ 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 đĩ lực ma sát hướng về phía sau tác dụng vào bánh xe là lực ngồi cản lại chuyển động. Nếu khơng cĩ lực bám T hoặc lực đĩ khơng đủ lớn để thắng sức cản của các bánh bị động, thì ơ tơ khơng thể di chuyển về phía trước được. Lúc đĩ 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 thơng trên đường thì người lái xe thường phải căn cứ vào khoảng cách tới các chướng ngại vật để ướt 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 đĩ, khi xét điều kiện an tồn chạy xe, chiều dài hãm xe cĩ một ý nghiã rất quan trọng. Khi hãm phanh trên các bánh xe, má phanh tác dụng vào vành xe sinh ra mơ men hãm Mh và mơ men này sinh ra lực hãm phanh Ph . rk Mh Pk Pk A T Hình 2.5 Sơ đồ phát sinh lực hãm xe II - 8
9. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ Lực hãm phanh Ph chỉ cĩ tác dụng khi cĩ đủ sức bám giữa lốp xe với mặt đường, nếu khơng thì xe vẫn trượt trên mặt đường mặc dù bánh xe khơng quay nữa. Vì vậy lực hãm cĩ ích lớn nhất chỉ cĩ thể bằng lực bám lớn nhất, nghĩa là: Ph = Tmax = Gh Trong đĩ: - 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 tồn bộ G của xe. Ngồi 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 khơng khí Pw là khơng đáng kể, cịn lực cản lăn Pf và lực quán tính Pj được bỏ qua để tăng an tồn. Do vậy tổng lực hãm lúc này chỉ gồm lực hãm phanh Ph và lực cản do dốc Pi , nghĩa là: ∑Phãm = Ph + Pi = G iG = G( i) trong đĩ: i – độ dốc dọc của đường. Gọi v1 và v2 (m/s) là tốc độ của ơ tơ trước và sau khi hãm phanh. Theo nguyên lý bảo tồn năng lượng thì cơng của tổng lực hãm sinh ra trên chiều dài hãm xe Sh phải bằng động năng tiêu hao do tốc độ ơ tơ giảm từ v1 xuống v2, tức là: 2 2 2 2 v1 v2 G v1 v2 G( i)Sh = m 2 g 2 Do đĩ cĩ thể tính được chiều dài hãm xe: v 2 v 2 S 1 2 h 2g i Vì khi hãm xe với cường độ cao, chiều dài hãm xe ngồi thực tế sẽ lớn hơn so với lý thuyết, do đĩ phải đưa vào cơng thức trên hệ số sử dụng phanh k. Theo thực nghiệm nên lấy k = 1,2 với ơ tơ con và k = 1,3 – 1,4 với ơ tơ tải và ơ tơ buýt. Do đĩ ta cĩ: v 2 v 2 S k. 1 2 h 2g i Nếu tốc độ xe tính bằng km/h thì: V 2 V 2 S k. 1 2 , m h 254 i Khi hãm xe, nếu xe dừng lại hẳn thì V2 = 0, do đĩ: k.V2 S , m h 254 i Theo định luật bảo tồn chuyển động của khối tâm của cơ hệ cĩ thể phân tích quá trình hãm phanh của ơ tơ như sau: II - 9
10. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ 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 (Hình 2.6a) hoặc cũng cĩ thể xảy ra ở những chỗ đỉnh dốc lồi trên trắc dọc (Hình 2.6b). Tim đường Qũy đạo xe chạy a) Vùng cản trở tầm nhìn b) Vùng cản trở tầm nhìn Hình 2.6 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: Ơ tơ gặp chướng ngại vật trên làn xe đang chạy, người lái xe cần phải nhìn thấy chướng ngại vật và kịp dừng xe trước nĩ (Hình 2.7). II - 10
11. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ S1 l S pu h l0 Hình 2.7 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 1 Theo hình vẽ ta cĩ: S1 = lpu + Sh + l0 Trong đĩ: 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 hồn tồn, trong thiết kế đường quy định thời gian này là 1s, do đĩ: l1 = v.t = v (m). v – tốc độ ơ tơ trước khi hãm phanh, m/s; Sh – Chiều dài xe chạy được trong quá trình hãm xe, v 2 S k. , m h 2g i l0 – Cự ly an tồn, thường lấy từ 5 – 10m; v 2 Do đĩ: S v k. l , m 1 2g i 0 Nếu vận tốc V tính bằng km/h thì: V V2 S k. l , m 1 3,6 254 i 0 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 tồn (Hình 2.8). S2 1 1 2 2 lpu1 Sh1 l0 Sh2 lpu2 Hình 2.8 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 2 II - 11
12. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ Theo hình vẽ ta cĩ: S2 = lpu1 + Sh1 + l0 + Sh2 + lpu2 (m) Trong đĩ: 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 cĩ: l1 = v1 l2 = v2, (m) v1, v2 – vận tốc của xe 1 và xe 2, m/s; Sh1, Sh2 - chiều dài xe 1 và xe 2 chạy được trong suốt quá trình hãm phanh. v 2 S k. 1 , m h1 2g i v 2 S k. 2 , m h2 2g i (giả thiết xe 1 lên dốc và xe 2 xuống dốc) l0 – Cự ly an tồn, thường lấy từ 5 – 10m; Do đĩ: v 2 v 2 S v v k. 1 k 2 l , m 2 1 2 2g i 2g i 0 Nếu 2 xe chạy cùng tốc độ là V1 = V2 = V, vận tốc V tính bằng km/h thì: V V2 S k l , m 2 1,8 127 2 i 2 0 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 tồn và khơng giảm tốc độ (Hình 2.9). l2/2 S3 a/2 1 2 2 r a r 1 l1 l2 lo l3 l'1 Hình 2.9 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 3 Theo hình vẽ ta cĩ: S3 = l1 + l2 + l0 + l3 + l’1 (m) II - 12
13. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ Trong đĩ: 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 cĩ: 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 2.9, xét tam giác vuơng nội tiếp trong nửa vịng trịn bán kính r, ta cĩ: 2 l a a a 2 2 2r ar ar 2 2 2 4 trong đĩ: a – khoảng cách giữa trục các làn xe, m; r – bán kính tối thiểu xe cĩ thể lái ngoặt được tính theo điều kiện ổn định chống trượt ngang, m; V 2 r 127( n in ) 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 đĩ ta cĩ: l2 2 ar , m l3 – đoạn đường xe 2 đi được trong thời gian xe 1 lái tránh, ta cĩ: l l t 2 3 v1 v 2 v2 v 2 l3 l2 2 ar , m v1 v1 v 2 Do đĩ: S3 v1 v2 2 ar 2 ar l0 , m v1 Nếu 2 xe chạy cùng tốc độ V1 = V2 = V, km/h thì: V S 4 ar l , m 3 1,8 0 2.5.4 Xác định chiều dài tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 4: Hai xe cùng chiều cĩ thể vượt nhau, xe 1 chạy nhanh bám theo xe 2 chạy chậm với khoảng cách an tồn Sh1-Sh2 và khi quan sát làn xe trái chiều, xe 1 vượt xe 2 và quay về làn của mình an tồn (Hình 2.10). 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 tồn Sh2+l0 II - 13
14. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ Tồn bộ quá trình vượt xe khơng thay đổi tốc độ S4 Sh1-Sh2 0 1 Sh2+l0 3 3 1 2 2 2 1 0 l1 l2 l' l3 Hình 2.10 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 4 Ta cĩ: S4 = l1 + l2 +l’2 + l3, m (1) Trong đĩ: l1 - chiều dài xe 1 chạy được trong thời gian người lái xe phản ứng tâm lý, lập luận tương tự như trên ta cĩ: l1 = v1, m * Tính l1+l2 : Thời gian xe 1 chạy đến mặt cắt 0-0 bằng thời gian xe 2 chạy đến mặt cắt 0-0 l1 l2 l2 (S h1 S h2 ) v1 (S h1 S h2 ) v2l1 l2 v1 v2 v1 v2 Thay l1=v1 , khai triển Sh1 và Sh2 ; rút l1+l2 ta cĩ 2 v1 kv1 (v1 v2 ) l1 l2 (2) v1 v2 2g( i) * Tính l’2 : Thời gian mà xe 1 đi từ mặt cắt 0-0 về làn xe thuận cũng bằng thời gian xe 2 đi từ mặt cắt 0-0 đến cách xe 1 một khoảng cách Sh2+l0 ' ' 2 l2 l2 (Sh2 l0 ) Sh2 l0 ' Sh2 l0 v1 kv2 l2 v1. l0 (3) v1 v2 v1 v2 v1 v2 v1 v2 2g( i) * Tính l3 : Trong thời gian xe 1 chạy được quãng đường l1+l2+l’2 thì xe 3 chạy được quãng đường l3. Như vậy ta cĩ: ' l3 l1 l2 l2 v3 ' l3 (l1 l2 l2 ) (4) v3 v1 v1 Thay (2), (3), (4) vào (1) ta cĩ ' v3 S4 (l1 l2 l2 ).(1 ) (5) v1 II - 14
15. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ Thay (2)+(3) vào (5) và viết gọn lại ta cĩ 2 2  v1 kv1 (v1 v2 ) v1 kv2 v3 S4 l0 .(1 ) v1 v2 2g( i) v1 v2 2g( i)  v1 Cơng thức trên cĩ thể tính đơn giản hơn, nếu như người ta dùng thời gian vượt xe thống kê được trên đường. Trị số này trong trường hợp bình thường, khoảng 10s, và trong trường hợp cưỡng bức, khi xe đơng, khoảng 7s. Lúc đĩ chiều dài tầm nhìn theo sơ đồ 4 cĩ 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 từ mắt người lái xe cĩ vị trí: chiều cao 1,00 m bên trên phần xe chạy, xe ngược chiều cĩ chiều cao 1,20 m, chướng ngại vật trên mặt đường cĩ chiều cao 0,10 m. 2. Sơ đồ 2 : Thường áp dụng cho các đường khơng cĩ dải phân cách trung tâm và dùng để tính tốn bán kính đường cong đứng. 3. Sơ đồ 3 : Khơng 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 cĩ 2 làn xe. Khi đường cĩ dải phân cách giữa, trường hợp này khơng 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 độ cao. Bảng 2.4 (bảng 10 TCVN 4054-05) Các giá trị tầm nhìn tối thiểu khi xe chạy trên đường Cấp đường I II III IV V VI Tốc độ thiết kế 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 (km/h) Tầm nhìn hãm xe 210 150 100 75 75 40 40 30 30 20 S1 (m) Tầm nhìn trước xe - - 200 150 150 80 80 60 60 40 ngược chiều S2 (m) Tầm nhìn vượt xe - - 550 350 350 200 200 150 150 100 SVX (m) 2.6 SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA ĐỒN XE KÉO MOĨC Trong khi tính tốn sức kéo của ơ tơ, chúng ta thấy trên phần lớn chiều dài đường khơng sử dụng hết lực kéo của ơ tơ, nhất là ở vùng đồng bằng. Vì vậy, sử dụng moĩc kéo sau xe là một biện pháp hữu hiệu để nâng cao năng suất đồn xe và tận dụng lực kéo, tiết kiệm nhiên liệu chuyên chở. TCVN 4054-05 quy định xe dài II - 15
16. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ nhất là xe moĩc tỳ, chiều rộng phủ bì 2,50 m, cao 4,00 m và tồn chiều dài là 16,5m. Khi trong đồn xe cĩ xe lớn hơn lưu thơng, cĩ thể tham khảo tiêu chuẩn các nước khác. Theo tiêu chuẩn Mỹ, đồn xe kéo moĩc khơng rộng quá 2,6m, khơng cao quá 4,0m và đồn xe dài nhất (mang ký hiệu WB-114) khơng dài quá 35m Về sự chuyển động của đồn xe kéo moĩc cĩ những chú ý sau đây: - Về yêu cầu an tồn, tất cả các moĩc hiện đại đều cĩ bố trí phanh hãm trên các trục của moĩc - Lực cản lăn và lực cản lên dốc cũng như chiếc xe đơn nhưng phải tính với trọng lượng của tồn đồn xe - Hệ số lực cản khơng khí lớn hơn nhiều so với xe đơn chiếc nhưng vì tốc độ đồn xe chạy chậm nên trị số tuyệt đối khơng tăng đáng kể - Trong lực cản quán tính chú ý tới quán tính quay của các bộ phận của moĩc Ta cĩ phương trình chuyển động của đồn xe kéo moĩc kFV 2  dv P (G nQ )( f i) (G nQ ) k m 13 g m dt Trong đĩ n - số moĩc Qm- Trọng lượng của mỗi moĩc β - Hệ số kể đến quán tính quay của các moĩc Trường hợp vận tốc của đồn xe thấp, lực cản khơng khí coi như khơng đáng kể, nếu chuyển động đều thì dv/dt=0 và ta cĩ phương trình Pk=(G+nQm).(f±i) Căn cứ phương trình trên, khi biết điều kiện đường f và i, sẽ xác định được số hàng kéo theo moĩc hoặc khi yêu cầu về moĩc đã xác định thì sẽ tính được độ dốc dọc tối đa cĩ thể khắc phục được Thường đồn xe kéo moĩc phải cĩ mọt dự trữ nhất định về lực kéo : ở chuyển sĩ 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 moĩc, lực kéo của động cơ vẫn là Pk nhưng trọng lượng phải kéo khác đi, nhân tố động lực mới sẽ nhỏ đi nhiều P P P P G G D ' k w k w . D ' D. (G nQ ) G (G nQ ) (G nQ ) m m m (G nQ ) D D ' m G Như vậy, các trị số nhân tố động lực phải được tính lại khi cĩ kéo moĩc theo các quan hệ trên. II - 16
17. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ 2.7. TÍNH HAO TỔN NHIÊN LIỆU VÀ HAO MỊN LỐP TRÊN ĐƯỜNG 2.7.1 Tính hao tổn nhiên liệu: Lượng tiêu hao nhiên liệu là một chỉ tiêu quan trọng vì nĩ ảnh hưởng đến giá thành vận tải, là chỉ tiêu để tính tốn kinh tế - kỹ thuật chọn phương án tuyến. Nhiên liệu tiêu hao để sản ra cơng vận chuyển nên lượng tiêu hao phụ thuộc vào điều kiện đường sá. Về lý thuyết, lượng tiêu hao nhiên liệu cho một xe chạy trên 100km đường được tính theo cơng thức: q .N.100 q .N Q e e ,lít/100km 100 1000.V.γ 10.V.γ trong đĩ: 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 vịng quay của động cơ, tỷ số chuyền động và độ mở bướm xăng. Trong tính tốn thường giả thiết bướm xăng mở hồn tồn và thường lấy qe = 250 - 300 g/mã lực giờ; γ – dung trọng của nhiên liệu, g/lít. N – cơng suất hiệu dụng do động cơ ơ tơ sản sinh ra để khắc phục các lực cản của đường, mã lực. V – tốc độ xe chạy, km/h; P .V N k 3,6.75.η trong đĩ: Pk - lực kéo sản sinh để cân bằng với các lực cản  - hệ số hiệu dụng của động cơ ơ tơ; V – tốc độ xe chạy, km/h; Khi xe chạy cân bằng ta cĩ Pk=Pcản Pcản – tổng lực cản khi xe chạy với tốc độ đều, KFv2 Pcản G f i  13  - hệ số hiệu dụng của động cơ ơ tơ; Các số 3,6 và 75 – quy đổi đơn vị cơng suất ra mã lực; Do đĩ ta cĩ cơng thức tính lượng tiêu hao nhiên liệu: 2 qe KFv Q100 G f i ,lít /100km 2700.η. 13 II - 17
18. TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ơ TƠ Từ cơng 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). Khi xe chạy trong thành phố, do giao thơng 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. Các nhà khoa học đã chứng minh tiêu hao nhiên liệu tối ưu khi xe chạy với vận tốc từ 50100 Km/h. Tiêu hao nhiên liệu cịn phụ thuộc vào loại xe, chất lượng xe. 2.7.2 Hao mịn săm lốp: Mức độ hao mịn lốp cũng là một thành phần đáng kể khi tính tốn giá thành vận doanh, sự hao mịn lốp phụ thuộc vào tốc độ xe chạy. Khi tốc độ xe chạy lớn, lốp bị nĩng lên do lực xung kích lớn nên hao mịn lốp nhiều hơn khi xe chạy chậm Sự hao mịn lốp cũng phụ thuộc vào loại mặt đường, mặt đường càng cứng và bằng phẳng thì tuổi thọ của lốp càng cao và ngược lại Khi xe chạy trong đường cong, do lực đẩy ngang làm biến dạng lốp xe, tăng lực cản lên lốp xe cũng chĩng hao mịn hơn và nhiên liệu cũng tiêu hao nhiều hơn. o0o II - 18