Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 3

Chia sẻ: Ajdka Ajsdkj | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

376
lượt xem 106
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 3

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 [ ] g dv =D − ( f ± i) . gia tốc đủ để khởi động được không nhỏ hơn max δ dt 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 g g dv = [D − (f ± i ) ]. = ( D − D ). 1 2δ dt δ δv.dv ⇒ ds = v.dt = (2.13) ( D − D )g 1 2 V2 − V2 v v 2 δ2 v.dv i +1 i ⇒S = ∫ ds = =∑ ∫ t, g g v (D − D ) 254 ( D − D ) i +1 v 11 2 i 1 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. 52
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) V 29M1 - 1369 Gk Mk Gt r r V P R R rk rk a a Pk B T T A Lực tác dụng lên bánh chủ động Lực tác dụng lên bánh xe bị động Hình 2.10 Các lực tác dụng lên bánh xe 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 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 : Tmax=ϕ.Gk (kG). (2.14) Gk : là thành phần trọng lực tác dụng lên trục chủ động Xe con : Gk=(0,5 ÷ 0,55)G 53
Xe tải : Gk=(0,65 ÷ 0,7)G ϕ: là hệ số bám của bánh xe đối với mặt đường. ý nghĩa của hệ số bám ϕ. Hệ số bám ϕ 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 ϕ 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 Rất thuận lợi 0,7 Khô sạch Bình thường 0,5 ẩm và bẩn Không thuận lợi 0,3 Theo điều kiện lực bám, để xe chuyển động được thì: Pk ≤ Tmax=ϕ.Gk. (2.15) ϕ .Gk − Pw Pk − Pw D= ⇒ Pk = D.G + Pw ⇒ D ≤ Mà (2.16) G G Kết hợp với điều kiện chuyển động được của ô tô về mặt lực kéo ta có ϕ .Gk − Pw dv f ±i ±δ ≤D≤ điều kiện chuyển động chung của xe (2.17) g.dt G ϕ .Gk − Pw Biểu thức là đặc tính động lực tính theo lực bám và ký hiệu là Db ta G có: ϕ .Gk − Pw dv = f ±i ±δ Db = (2.18) G dt Khi xác định độ dốc ib theo lực bám cũng tính cho trường hợp xe lên dốc và chuyển động đều, như vậy ta có: Db = f + ib ; ib = Db – f (2.19) Vậy khi xe vượt được dốc phải đảm bảo điều kiện ib ≥ ik 54
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 . V 29K1 - 0026 Gk Gt r r Mh Mh rk rk Ph Ph T T B A Hình 2.11 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 = ϕ Gh (2.20) ϕ - hệ số bám Trong đó: 55
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: v12 − v 2 G v12 − v 2 2 2 G(ϕ ± i)Sh = m = 2 g 2 Do đó có thể tính được chiều dài hãm xe: v12 − v 2 2 Sh = (2.22) 2 g (ϕ ± i ) 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: v12 − v 2 2 S h = k. (2.23) 2 g (ϕ ± i ) Nếu tốc độ xe tính bằng km/h thì: V12 − V22 S h = k. ,m (2.24) 254(ϕ ± i ) Khi hãm xe, nếu xe dừng lại hẳn thì V2 = 0, do đó: k.V 2 Sh = ,m (2.25) 254(ϕ ± i ) 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: 56
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 không 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 ngoài, có chiều ngược với chiều chuyển động, nó 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 toàn, người lái xe luôn luôn cần phải nhìn thấy rõ một đoạn đường ở phía trước để kịp xử lý mọi tình huống giao thông như tránh các chỗ hư hỏng, các chướng ngại vật, vượt xe,… Chiều dài đoạn đường tối thiếu cần nhìn thấy ở phía trước đó gọi là tầm nhìn chạy xe. Khi thiết kế đường cần phải đảm bảo được tầm nhìn này. Trở ngại đối với tầm nhìn có thể xảy ra ở chỗ đường vòng trên bình đồ hoặc cũng có thể xảy ra ở những chỗ đỉnh dốc lồi trên trắc dọc (Hình 2.12). Tim ñöôøng Quõy ñaïo xe chaïy a) Vuøng caûn trôû taàm nhìn b) Vuøng caûn trôû taàm nhìn 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 thông trên đường theo các sơ đồ sau đây: 2.5.1 Xác định chiều dài tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 1: S1 lpu Sh l0 Hình 2.13 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 1 57
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: S1 = lpu + Sh + l0 (2.26) 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, v2 S h = k. ,m (2.27) 2g (ϕ ± i ) l0 – Cự ly an toàn, thường lấy từ 5 – 10m; v2 S1 = v + k. + l0 , m Do đó: (2.28) 2g (ϕ ± i ) Nếu vận tốc V tính bằng km/h thì: V2 V S1 = + k. + l0 , m (2.29) 254(ϕ ± i ) 3,6 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). S2 1 2 2 1 lpu1 lpu2 Sh1 Sh2 l0 Hình 2.14 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 2 Theo hình vẽ ta có: S2 = lpu1 + Sh1 + l0 + Sh2 + lpu2 (m) (2.30) Trong đó: 58
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: 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. 2 v1 S h1 = k. ,m 2g (ϕ + i ) v2 S h2 = k. ,m 2 2g (ϕ − i ) (giả thiết xe 1 lên dốc và xe 2 xuống dốc) l0 – Cự ly an toàn, thường lấy từ 5 – 10m; Do đó: 2 v2 v1 S 2 = v1 + v 2 + k. +k + l0 , m 2 2g (ϕ + i ) 2g (ϕ − i ) Nếu 2 xe chạy cùng tốc độ là V1 = V2 = V, vận tốc V tính bằng km/h thì: V 2ϕ V S2 = +k + l0 , m ( ) (2.31) 127 ϕ 2 − i 2 1,8 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). l2/2 S3 a/2 r 2 2 1 a 1 r lo l3 l'1 l1 l2 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: 59
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: 2 a2 ⎛ l2 ⎞ a ⎛ a⎞ ⎜ ⎟ = ⎜ 2r − ⎟ = ar − ≈ ar ⎝ 2 ⎠ 2⎝ 2⎠ 4 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; V2 r= 127(ϕ 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%) l 2 = 2 ar , m từ đó ta có: l3 – đoạn đường xe 2 đi được trong thời gian xe 1 lái tránh, ta có: l l2 t= =3 v1 v 2 v2 v ⇒ l3 = l2 = 2 2 ar , m v1 v1 v2 S3 = v1 + v 2 + 2 ar + 2 ar + l 0 , m Do đó: v1 Nếu 2 xe chạy cùng tốc độ V1 = V2 = V, km/h thì: V S3 = + 4 ar + l 0 , m (2.33) 1,8 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 60
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 S4 Sh1-Sh2 0 Sh2+l0 3 3 1 1 1 2 2 2 0 l3 l1 l2 l' Hình 2.16 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 4 Ta có: S4 = l1 + l2 +l’2 + l3, m (2.34) Trong đó: l1 - chiều dài xe 1 chạy được trong thời gian người lái xe phản ứng tâm lý, lập luận tương tự như trên ta có: 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 + l 2 l 2 − ( S h1 − S h 2 ) v ( S − S h 2 ) + v 2 l1 = ⇒ l 2 = 1 h1 v1 − v 2 v1 v2 Thay l1=v1 , khai triển Sh1 và Sh2 ; rút l1+l2 ta có kv (v + v ) v12 l1 + l 2 = +112 (2.35) 2 g (ϕ ± i ) v1 − v 2 * 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 ⎡ kv 2 ⎤ l2 l2 − (S h 2 + l0 ) S h 2 + l0 S +l ' ' 2 v1 = = ⇒ l 2 = v1 . h 2 0 = + l 0 ⎥ (2.36) ' ⎢ ⎣ 2 g (ϕ ± i ) v1 − v 2 v1 − v 2 v1 − v 2 v1 v2 ⎦ * 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 có: l3 l1 + l 2 + l 2 ' v = ⇒ l 3 = 3 (l1 + l 2 + l 2 ) ' (2.37) v3 v1 v1 Thay (2.35), (2.36), (2.37) vào (2.34) ta có 61
v3 S 4 = (l1 + l 2 + l 2 ).(1 + (2.38) ' ) v1 Thay (2.35)+(2.36) vào (2.38) và viết gọn lại ta có ⎧ v12 ⎤⎫ ⎡ kv 2 kv (v + v 2 ) 2 ⎪ ⎪ v v1 S4 = ⎨ + 11 + + l 0 ⎥ ⎬.(1 + 3 ) (2.39) ⎢ 2 g (ϕ ± i ) ⎣ 2 g (ϕ ± i ) ⎪ v1 − v 2 v1 − v 2 ⎦⎪ v1 ⎩ ⎭ Công thức trên có 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 đông, ... khoảng 7s. Lúc đó chiều dài tầm nhìn theo sơ đồ 4 có 2 trường hợp Bình thường S4=6.V (2.40) - 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 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 độ cao. Bảng 2.3 [1] 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 S1 210 150 100 75 75 40 40 30 30 20 (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) 62
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 kFV 2 β dv Pk = (G + nQm )( f ± i ) + + (G + nQm ) (2.41) 13 g dt 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 Pk=(G+nQm).(f±i) (2.42) 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 63
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 Pk − Pw P − Pw G G D' = =k →⇒ D ' = D. . (G + nQm ) (G + nQm ) (G + nQm ) G (2.43) (G + nQm ) ⇒D=D ' G Như vậy, các trị số nhân tố động lực phải được tính lại khi có kéo moóc theo các quan hệ trên. 2.7. TÍNH HAO TỔN NHIÊN LIỆU VÀ HAO MÒN LỐP TRÊN ĐƯỜNG 2.7.1 Tính hao tổn nhiên liệu: Lượng tiêu hao nhiên liệu là một chỉ tiêu quan trọng vì nó ảnh hưởng đến giá thành vận tải, là chỉ tiêu để tính toán kinh tế - kỹ thuật chon phương án tuyến. Nhiên liệu tiêu hao để sản ra công 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 công thức: q e .N.100 q .N Q100 = =e (2.44) , lít/100km 1000.V.γ 10.V.γ 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; Pk .V N= (2.45) 3,6.75.η trong đó: Pk - lực kéo sản sinh để cân bằng với các lực cản η - hệ số hiệu dụng của động cơ ô tô; 64
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, KFv 2 + G (f ± i ) ∑ Pcaûn = (2.46) 13 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: ⎡ KFv 2 ⎤ qe + G (f ± i )⎥, lít / 100km Q100 = (2.47) ⎢ 2700.η.γ ⎣ 13 ⎦ 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. 65
Khi thiết kế đường cần có các biện pháp hạ thấp sự tiêu hao nhiên liệu bằng cách hạn chế sự thay đổi lực cản trên đường trong một phạm vi nhỏ, phối hợp các đoạn dốc để sử dụng động năng tích lũy của ô tô vượt dốc,... 2.7.2 Hao mòn săm lốp: Mức độ hao mòn lốp cũng là một thành phần đáng kể khi tính toán giá thành vận doanh, sự hao mòn lốp phụ thuộc vào tốc độ xe chạy. Khi tốc độ xe chạy lớn, lốp bị nóng lên do lực xung kích lớn nên hao mòn lốp nhiều hơn khi xe chạy chậm Sự hao mòn lốp cũng phụ thuộc vào loại và chất lượng 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 chóng hao mòn hơn và nhiên liệu cũng tiêu hao nhiều hơn 100 80 Hao mòn lốp xe 60 40 20 0 48 64 80 96 112 Tốc độ x e chạ y (km/h) Hình 2.18 Sự hao mòn lốp phụ thuộc vào tốc độ V CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 1. Các lực tác dụng khi xe chạy, phân tích quá trình sinh ra sức kéo của ô tô. 2. Phương trình chuyển động của ô tô, biểu đồ nhân tố động lực và các ứng dụng của nó trong thiết kế yếu tố hình học đường ô tô. 3. Lực bám của bánh xe với mặt đường. Hệ số bám ϕ và vai trò của nó trong thiết kế các yếu tố hình học đường ô tô. 4. Điều kiện chuyển động chung của ô tô về lực kéo và lực bám. 5. Hãm xe và cự ly hãm xe an toàn. 6. Khái niệm về tầm nhìn xe chạy, các sơ đồ tầm nhìn tính toán, các ứng dụng của chiều dài tầm nhìn trong thiết kế yếu tố hình học đường ô tô. 7. Hao tổn nhiên liệu và hao mòn săm lốp. 66
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BÌNH ĐỒ TUYẾN 3.1 KHÁI NIỆM CHUNG VÀ NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN 3.1.1 Khái niệm : Bình đồ tuyến là hình chiếu bằng của tuyến đường và địa hình dọc theo tuyến đường. Bình đồ tuyến gồm 3 yếu tố tuyến chính là: đoạn thẳng, đoạn đường cong tròn và đoạn đường cong có bán kính thay đổi (gọi là đường cong chuyển tiếp) Đoạn tuyến thẳng có hai thuộc tính đó là phương hướng và chiều dài cánh tuyến. Đoạn tuyến cong tròn cũng có hai thuộc tính cơ bản, là góc chuyển hướng và bán kính đường cong tròn, hai thuộc tính này sẽ quyết định đến thuộc tính thứ ba của đường cong tròn là chiều dài đoạn cong. Trong khi đó đối với đường cong chuyển tiếp đó là hình dạng của đường cong và chiều dài của đường cong chuyển tiếp … 3.1.2 Phương hướng cánh tuyến : Việc chọn phương hướng cánh tuyến phụ thuộc vào các điều kiện kinh tế kỹ thuật, tuy nhiên trong điều kiện cho phép nên chọn tuyến càng bám sát với đường chim bay càng tốt… Để chọn một cánh tuyến đảm bảo tính tiện nghi và an toàn nên cân nhắc hai tình trường hợp sau : Phương hướng của tuyến có thể gây chói mắt cho người lái xe (trên hành trình vào thời gian ban ngày) bởi ánh sáng mặt trời. Ví dụ như cánh tuyến theo hướng Đông–Tây là hướng mặt trời mọc và lặn, đặt tuyến theo hướng này gây bất lợi cho người lái xe suốt thời gian ban ngày và trong tất cả các mùa trong năm, đặc biệt là vào mùa hè ở nước ta. Trong trường hợp bất khả kháng phải chọn hướng tuyến theo hướng này cần có biển cảnh báo cho người lái xe. Hướng tuyến vuông góc với hướng gió thịnh hành cũng tác động không tốt đến các xe tải thùng kín (chạy không tải) và các loại xe khách lớn. Đối với những tuyến đường có lưu lượng xe các loại trên lớn, không nên chọn tuyến theo hướng này. Trong trường hợp bất khả kháng, cố gắng đặt tuyến ở những sườn đồi núp gió. 3.1.3 Những yêu cầu chung đối với tuyến trên bình đồ : 1. Đảm bảo các yếu tố của tuyến như bán kính tối thiểu đường cong nằm, chiều dài đường cong chuyển tiếp, độ dốc dọc lớn nhất khi triển tuyến, ... không vi phạm những quy định về trị số giới hạn đối với cấp đường thiết kế. 2. Đảm bảo tuyến đường ôm theo hình dạng địa hình để khối lượng đào đắp nhỏ nhất, bảo vệ cảnh quan thiên nhiên 67
3. Xét yếu tố tâm lý người lái xe và hành khách đi trên đường, không nên thiết kế đường có những đoạn đường thẳng quá dài (lớn hơn 4km) gây tâm lý mất cảnh giác và gây buồn ngủ đối với lái xe, ban đêm đèn pha ô tô làm chói mắt xe ngược chiều. 4. Cố gắng sử dụng các tiêu chuẩn hình học cao như bán kính đường cong, đoạn chêm giữa các đường cong, chiều dài đường cong chuyển tiếp trong điều kiện địa hình cho phép 5. Đảm bảo tuyến là một đường không gian đều đặn, êm thuận, trên hình phối cảnh tuyến không bị bóp méo hay gãy khúc. Muốn vậy phải phối hợp hài hoà giữa các yếu tố tuyến trên bình đồ, trắc dọc, trắc ngang, giữa tuyến và công trình và giữa các yếu tố đó với địa hình, cảnh quan môi trường xung quanh 3.1.4 Những nguyên tắc cơ bản khi vạch tuyến, định tuyến 1. Định tuyến phải bám sát đường chim bay giữa 2 điểm khống chế . 2. Thiết kế nền đường phải đảm bảo cho giao thông thuận lợi, đồng thời phải tuân theo mọi quy định về tiêu chuẩn kỹ thuật của tuyến. 3. Khi định tuyến nên tránh đi qua những vị trí bất lợi về thổ nhưỡng, thuỷ văn, địa chất (như đầm lầy, khe xói, sụt lở, đá lăn, kast,...) để đảm bảo cho nền đường được vững chắc . 4. Không nên định tuyến qua khu đất đai đặc biệt quí, đất đai của vùng kinh tế đặc biệt, cố gắng ít làm ảnh hưởng đến quyền lợi của những người sử dụng đất . 5. Khi tuyến giao nhau với đường sắt hoặc đi song song với đường sắt cần phải tuân theo quy trình của Bộ GTVT về quan hệ giữa đường ôtô và đường sắt (vị trí giao phải ở ngoài phạm vi ga, đường dồn tàu, cửa hầm đường sắt, ghi cổ họng, các cột tín hiệu vào ga, góc giao ≥ 450 ) . 6. Khi chọn tuyến qua thành phố, thị trấn thì cần chú ý đến quy mô và đặc tính của giao thông trên đường, lưu lượng xe khu vực hay xe quá cảnh chiếm ưu thế, số dân và ý nghĩa về chính trị, kinh tế, văn hoá, xã hội của đường để quyết định hướng tuyến hợp lý nhất. 7. Khi qua vùng đồng bằng cần vạch tuyến thẳng, ngắn nhất, tuy nhiên tránh những đoạn thẳng quá dài (≥3-4km) có thể thay bằng các đường cong có bán kính R≥1000m, tránh dùng góc chuyển hướng nhỏ. 8. Khi đường qua vùng đồi nên dùng các đường cong có bán kính lớn uốn theo địa hình tự nhiên. Bỏ qua những uốn lượn nhỏ và tránh tuyến bị gãy khúc về bình đồ và trắc dọc. 9. Qua vùng địa hình đồi nhấp nhô nối tiếp nhau, tốt nhất nên chọn tuyến là những đường cong nối tiếp hài hoà với nhau, không nên có những đoạn thẳng 68
chêm ngắn giữa những đường cong cùng chiều, các bán kính của các đường cong tiếp giáp nhau không được vượt quá các giá trị cho phép. 10. Khi tuyến đi theo đường phân thuỷ, điều cần chú ý trước tiên là quan sát hướng của đường phân thuỷ chính và tìm cách nắn thẳng tuyến trên từng đoạn, chọn những sườn đồi ổn định và thuận lợi cho việc đặt tuyến, tránh những mỏm cao và tìm những đèo thấp để vượt 11. Khi tuyến đi trên sườn núi, mà độ dốc và mức độ ổn định của sườn núi có ảnh hưởng đến vị trí đặt tuyến thì cần nghiên cứu tổng hợp các điều kiện địa hình, địa chất và thuỷ văn để chọn tuyến thích hợp. Nếu tồn tại những đoạn sườn dốc bất lợi về địa chất, thuỷ văn như sụt lở, trượt, nước ngầm, ... cần cho tuyến đi tránh hoặc cắt qua phía trên 12. Khi triển tuyến qua đèo thông thường chọn vị trí đèo thấp nhất, đồng thời phải dựa vào hướng chung của tuyến và đặc điểm của sườn núi để triển tuyến từ đỉnh đèo xuống hai phía. Đối với những đường cấp cao nếu triển tuyến qua đèo gặp bất lợi như sườn núi không ổn định hoặc các tiêu chuẩn kỹ thuật về bình đồ, trắc dọc quá hạn chế không thoả mãn thì có thể xem xét phương án hầm. Tuyến hầm phải chọn sao cho có chiều dài ngắn nhất và nằm trong vùng ổn định về địa chất, thuỷ văn. 13. Khi tuyến đi vào thung lũng các sông suối, nên : Chọn một trong hai bờ thuận với hướng chung của tuyến, có sườn thoải ổn - định, khối lượng công tác đào đắp ít Chọn tuyến đi trên mực nước lũ điều tra - Chọn vị trí thuận lợi khi giao cắt các nhánh sông suối: nếu là thung lũng - hẹp tuyến có thể đi một bên hoặc cả hai bên với một hoặc nhiều lần cắt qua khe suối. Lý do cắt qua nhiều lần một dòng suối thường là khi gặp sườn dốc nặng, vách đá cao, địa chất không ổn định (sụt, trượt,...) 14. Vị trí tuyến cắt qua sông suối cần chọn những đoạn suối thẳng có bờ và dòng ổn định, điều kiện địa chất thuận lợi 15. Trường hợp làm đường cấp cao đi qua đầm hồ hoặc vịnh cần nghiên cứu phương án cắt thẳng bằng cách làm cầu hay kết hợp giữa cầu và nền đắp nhằm rút ngắn chiều dài tuyến. 69
3.2 THIẾT KẾ CÁC ĐOẠN TUYẾN NẰM TRÊN ĐƯỜNG THẲNG Tuyến thẳng thường được thiết kế trong các trường hợp qua vùng đồng bằng, vùng thung lũng rộng, đoạn qua cầu lớn, cầu vượt và hầm. Đường thẳng có ưu điểm là hướng tuyến rõ ràng, tuyến ngắn, đo đạc đơn giản,...Nhưng đường thẳng quá dài, cảnh quan đơn điệu, thường làm cho lái xe mệt mỏi, dễ vượt tốc độ quy định, dễ chủ quan ước lượng cự ly thường sai, đồng thời gây lóa về ban đêm do đèn pha của xe đi ngược chiều. Đường thẳng dài cũng khó thích hợp với địa hình thay đổi, làm mất sự hài hòa tuyến với môi trường. Tất cả những bất lợi trên làm cho đoạn tuyến thẳng quá dài trở thành đoạn tuyến không an toàn cho xe chạy với tốc độ cao. Theo các nghiên cứu thực nghiệm ở nước ngoài cho thấy đoạn tuyến thẳng càng dài, tai nạn càng nhiều, hơn nữa tốc độ xe chạy đến cuối đoạn càng cao. Do vậy, các quy trình thiết kế đường Việt Nam quy định nên tránh thiết kế đoạn tuyến thẳng dài quá 4 km đối với đường cao tốc, trong các trường hợp này nên thay bằng các đường cong góc chuyển hướng nhỏ và bán kính lớn (R từ 5.000 đến 15.000m) CHLB Đức [24] và Nhật Bản cũng quy định : chiều dài (tính bằng m) tối đa đoạn thẳng thích hợp lấy bằng 20 lần tốc độ xe chạy (tính bằng km/h). Quy định này dựa vào thời gian xe chạy theo tốc độ vào khoảng 72s. 1000 B¸n kÝnh ®uêng cong R (m) 1 800 1 - Ph¹m vi phèi hîp rÊt tèt 2 600 2 - Ph¹m vi phèi hîp tèt 3 3 - Cã thÓ dïng ®−îc 400 4 - Ph¹m vi nªn tr¸nh dïng 4 200 0 200 400 600 800 1000 ChiÒu dµi tuyÕn th¼ng L (m) Hình 3.1. Quan hệ phối hợp giữa chiều dài đoạn thẳng và bán kính đường cong Tuyến thẳng quá ngắn cũng không cho phép vì làm điều kiện chạy xe thay đổi nhiều và không có đủ chỗ bố trí cấu tạo đoạn chêm nối tiếp giữa các đường cong. Theo kinh nghiệm thì chiều dài tối thiểu các đoạn thẳng giữa hai đường cong cùng chiều là 6V và giữa hai đường cong ngược chiều là 2V. Trong đường cong tròn cùng chiều do phải liên tục lái vòng cùng chiều, người lái xe khó nắm được 70
tác dụng của lực quán tính, lực ly tâm tăng lên liên tục nên quy định chiều dài đoạn thẳng phải dài hơn so với đoạn thẳng giữa hai đường cong tròn ngược chiều. Trên quan điểm thị giác và an toàn, CHLB Đức còn quy định quan hệ giữa chiều dài đoạn thẳng L (m) và bán kính đường cong R (m) nối tiếp với đường thẳng đó như đồ thị hình 3.1 Nói chung, quan hệ tối thiểu là Nếu L ≤ 500m thì R ≥ L - Nếu L > 500m thì R ≥ 500 - 3.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ TRONG ĐƯỜNG CONG TRÒN. Khi chạy trong đường cong tròn, xe phải chịu nhiều điều kiện bất lợi hơn so với khi chạy trong đường thẳng. Những điều kiện bất lợi đó là: 1. Khi chạy trong đường cong xe phải chịu thêm lực li tâm, lực này nằm ngang trên mặt phẳng thẳng góc với trục chuyển động, hướng ra phía ngoài đường cong và có giá trị m.v 2 C= (kG) (3.1) R Trong đó: C – lực ly tâm m – khối lượng của xe (kg) v – tốc độ xe chạy (m/s) R – bán kính đường cong tại vị trí tính toán (m) Lực ly tâm có tác dụng xấu, có thể gây ra những khó khăn sau : Xe có khả năng bị lật hoặc trượt ngang về phía lưng đường cong. Gây khó khăn cho việc điều khiển xe, gây khó chịu cho hành khách, gây đổ vỡ hàng hoá vận chuyển. Gây biến dạng ngang của lốp xe nên làm cho săm lốp chóng hao mòn hơn. Làm tăng sức cản do đó làm tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn. 2. Xe chạy trong đường cong yêu cầu có bề rộng phần xe chạy lớn hơn trên đường thẳng thì xe mới chạy được bình thường. 71