Thiết kế yếu tố hình học đường ôtô-Chương 2: SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRÊN ĐƯỜNG

SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRÊN ĐƯỜNG: CÁC LỰC TÁC DỤNG KHI XE CHẠY: Chuyển động của ô tô trên đường là một chuyển động phức tạp - tịnh tiếntrên đường thẳng, quay trên đường cong đứng, lượn trên đường cong nằm và dao động khi chuyển động trên mặt đường không bằng phẳng. Tất cả những đặc điểmchuyển động đó hiện nay chưa vận dụng hết vào việc xác định các yếu tố tuyếnđường, vì vậy trong thiết kế đường, người ta giả định là ô tô chuyển động không dao động trên mặt đường hoàn toàn phẳng, rắn và không biến dạng.Khi xe chạy trên đường động cơ phải tiêu hao năng lượng để khắc phục cáclực cản trên đường. Các lực cản khi xe chạy bao gồm: sức cản lăn, sức cản không 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 phụcđược tất cả các lực cản : Pk ≥ ∑ Pcản

CHƯƠNG 2

SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRÊN ĐƯỜNG

2.1 CÁC LỰC TÁC DỤNG KHI XE CHẠY

Chuyển động của ô tô 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 không bằng phẳng Tất cả những đặc điểm chuyển động đó 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 ô tô chuyển động không dao động trên mặt đường hoàn toàn phẳng, rắn và không 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 không

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

P 

P j

P f

P k



P i

Hình 2.1 Các lực tác dụng trên ô tô khi xe chạy

P k – Lực kéo; P f – Lực cản lăn; P w - Lực cản không khí

P i – Lực cản lên dốc; P j – Lực cản quán tính

2.1.1 LỰC CẢN

2.1.1.1 Lực cản lăn P f :

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 ô

tô 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 không bằng phẳng và do ma sát trong các ổ trục của xe khi xe chạy

trọng lượng G (kG) của ô tô:

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 – 0,02

0,02 – 0,025 0,03 – 0,05

+ Lát đá + Đất khô và bằng phẳng + Đất ẩm và không bằng phẳng + Đất cát rời rạc

0 ,04 – 0,05 0,04 – 0,05 0,07 – 0,15

0,15 – 0,30

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 công thức:

Trong đó:

k – hệ số sức cản không khí phụ thuộc vào mật độ không khí và hình dạng xe: 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)

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 tốc của 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 :

13

kFV

P

2

V – vận tốc xe chạy, km/h

2.1.1.3 Lực cản do lên dốc P i

Là do trọng lượng bản thân của ô tô gây ra khi xe chuyển động trên mặt phẳng nằm nghiêng

Do  nhỏ nên sin  tg = i

i – độ dốc dọc của đường

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 chiều chuyển động

2.1.1.4 Lực cản do quán tính P j

Phát sinh khi xe tăng hoặc giảm tốc Bao gồm sức cản quán tính do chuyển động tịnh 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 trở chuyển động; khi xe giảm tốc, lực quán tính cùng chiều chuyển động Do đó ta có:

Pj =  m.j

Trong đó:

m – khối lượng của ô tô m=G/g; G – trọng lượng của ô tô, g – gia tốc trọng trường; J – là gia tốc của ô tô J=dv/dt; v – tốc độ xe chạy, t – thời gian;

Vì ngoài chuyển động tịnh tiến xe còn có 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

dt

dv g

G







j

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 công suất làm quay trục khuỷu, tạo ra mô men quay M tại trục của động

cơ rồi chuyền qua hộp số, trục các đăng tới cầu xe tạo ra mô men quay tại trục chủ

Hình 2.2 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

cơ :

N=

75

.w

M

(mã lực) Trong đó :

w : là vận tốc góc của trục quay: w=

60

.

2 n 

n : số vòng quay tính bằng v/phút

Do đó M=

n

N

2 , 716

(kG.m)

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

Trong đó:

: hệ số hiệu dụng của cơ cấu truyền động

Pk=

k

k

r

M

k

k o

r

i i

M .

2.2 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ VÀ BIỂU ĐỒ NHÂN

TỐ ĐỘNG LỰC

Lực kéo sinh ra để khắc phục tất cả các lực

cản trên đường Để xe có thể chuyển động

được thì Pk ≥ ∑ Pcản

Như vậy, phương trình chuyển động của ô tô

Pk=Pf + Pw + Pi + Pj

13



dt

dv g

G δ

Đặt D =

dt

dv g

δ i f G

13

kFV P

2 k









Hình 2.3 Biểu đồ nhân tố động lực của ô tô

V, km/h

D

0

I

II III

D - được gọi là nhân tố động lực của ô tô, về cơ học D có nghĩa là sức kéo trên một đơn vị trọng lượng của xe

dt

dv

 và do vậy điều kiện chuyển động đều của ô tô về 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 ô tô,

và vế phải 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 nhau của một loại ô tô được gọi là biểu đồ nhân tố động lực của loại ô tô đó (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

Khi từ D dóng sang ngang cắt biểu đồ tại hai điểm thì chỉ có điểm ở bên phải

Trường hợp này thường được áp dụng cho các đường cải tạo nâng cấp và khi tính toán 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 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

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

 



g i f

max

dt

dv





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































2 1

) 2 1 (

2

1

) 2 1 (

)

2 1 ( ) ( dt

dv

v

dv v v

ds S

g D D

dv v dt

v ds

g D D

g i f D









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

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

định luật III Niuton mặt đường tác dụng trở lại bánh xe một lực T theo phương

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 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

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)

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

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

: 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 mòn 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 có độ bằng phẳng cao, vật liệu lớp mặt cứng, đồng đều, ít mòn 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 toàn khi chạy xe

- Trong điều kiện lốp xe trung bình, vận tốc chạy xe trung bình thì có 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

Khô sạch Khô sạch

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:

Pk ≤ Tmax=.Gk

Mà

G

P G D P G D P G

P P

w k

w













Kết hợp với điều kiện chuyển động được của ô tô về mặt lực kéo ta có

P G D dt g

dv i







.



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

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 M k 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 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 đó, khi xét điều kiện an toàn chạy xe, chiều dài hãm xe có một ý nghiã rất quan trọng

Khi hãm phanh trên các bánh xe, má phanh tác dụng vào vành xe sinh ra mô

rk

Pk

T

Hình 2.5 Sơ đồ phát sinh lực hãm xe

Lực hãm phanh Ph chỉ có tác dụng khi có đủ sức bám giữa lốp xe với mặt đường, nếu không thì xe vẫn trượt trên mặt đường mặc dù bánh xe không quay nữa Vì vậy lực hãm có ích lớn nhất chỉ có thể bằng lực bám lớn nhất, nghĩa là:

Ph = Tmax =  Gh

Trong đó:  - hệ số bám

phanh nên trọng lượng hãm cũng bằng trọng lượng toàn bộ G của xe

nghĩa là:

trong đó: i – độ dốc dọc của đường

nguyên lý bảo toàn năng lượng thì công của tổng lực hãm sinh ra trên chiều dài

2 2

2 2 2 1 2

2 2

g

G v v

Do đó có thể tính được chiều dài hãm xe:

 i

g

v v

S h









2

2 2 2 1

Vì khi hãm xe với cường độ cao, chiều dài hãm xe ngoài thực tế sẽ lớn hơn

so với lý thuyết, do đó 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

S h









2

2 2 2 1

Nếu tốc độ xe tính bằng km/h thì:

254

V V k S

2 2 2 1 h







254

k.V S

2 h





 , m

Theo định luật bảo toàn chuyển động của khối tâm của cơ hệ có thể phân

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

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)

Vùng cản trở tầm nhìn Tim đường Qũy đạo xe chạy

Vùng cản trở tầm nhìn

a)

b)

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)

Hình 2.7 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 1

Theo hình vẽ ta có:

S1 = lpu + Sh + l0 Trong đó:

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

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

 i 2g

v k.

S

2 h





 , m

Do đó:

2

i 2g

v k.

v







 , m Nếu vận tốc V tính bằng km/h thì:

2

i 254

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 2.8)

S2

Hình 2.8 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 2

Theo hình vẽ ta có:

S2 = lpu1 + Sh1 + l0 + Sh2 + lpu2 (m) Trong đó:

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

l1 = v1 l2 = v2, (m)

 i

2g

v k.

S

2 1 h1





 , m

 i 2g

v k.

S

2 2 h2





 , m (giả thiết xe 1 lên dốc và xe 2 xuống dốc)

Do đó:

2 2 2

1 2

1

i 2g

v k i 2g

v k.

v v















2

127

V k 1,8

V







i





, m

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 2.9)

1

1

l 1 l 2

r

l 2 /2

a/2

r

S 3

l o l 3 l' 1

Hình 2.9 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 3

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

Trong đó:

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



































trong đó:

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;

) (

127 r

2

n

n i

V







từ đó ta có: l2 2 ar, m

2 3 1

2

v

l v

l

t  

ar v

v 2 l v

v l

1

2 2 1

2

1

2 2

1

v

v 2 ar 2 v

S  v   l , m

m

l ,

ar 4 1,8

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

Xe 1 chạy đến mặt cắt 0-0 thì bắt kịp xe 2 và quay về làn của mình cách xe 2 một