Tài liệu Giáo trình thiết kế đường ô tô 2017

GIÁO TRÌNH THIẾT KẾ ĐƯỜNG Ô TÔ 2017 Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1. TỔNG QUAN VỀ XE TRÊN ĐƯỜNG VÀ ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1.1. Vận tải, các hình thức vận tải Giao thông vận tải đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, là động lực của sự phát triển kinh tế, nó có vai trò quan trọng hàng đầu trong kết cấu hạ tầng và là mạch máu lưu thông của đất nước. Trong GTVT có nhiều ngành và mỗi ngành có một đặc trưng khác nhau: Vận tải thủy: vận tải đường sông và vận tải đường biển. Ưu điểm là tiết kiệm được năng lượng vận chuyển do đó chi phí vận chuyển rất rẻ, thuận lợi trong việc vận chuyển các loại hàng hóa cồng kềnh từ khắp mọi nơi trên thế giới. Nhược điểm là tốc độ vận chuyển chậm, phụ thuộc vào đường biển, các điều kiện sông ngòi, điều kiện thời tiết khí hậu. Vận tải hàng không: ưu điểm là tốc độ cao, tiết kiệm thời gian vận chuyển. Nhược điểm là giá thành cao. Hiện đang phát triển rất mạnh mẽ. Vận tải đường sắt: ưu điểm là tốc độ vận chuyển khá cao, vận chuyển được hàng hóa khối lượng lớn, và giá thành tương đối rẻ. Nhược điểm là không vượt được độ dốc lớn, đường vận chuyển là cố định nên không cơ động. Vận tải đường bộ: chủ yếu là đường ô tô, là một bộ phận rất quan trọng của ngành vận tải. Đặc điểm: - Có tính cơ động cao, vận chuyển trực tiếp không cần qua các phương tiện chuyển tải trung gian, giao thông đường bộ có khả năng luồn lách đến tất cả mọi nơi mọi miền của đất nước, từ vùng đồng bằng đến vùng miền núi xa xôi mà các hình thức giao thông khác không thể đến được hoặc rất khó khăn tốn kém; - Kinh phí xây dựng không quá cao so với các hình thức giao thông khác; - Tốc độ vận tải khá lớn, nhanh hơn đường thủy, tương đương đường sắt, trên đường cao tốc có thể chạy trên 100km/h nên trên các cự ly ngắn nó có thể cạnh tranh với đường hàng không; - Cước phí vận chuyển trên đường bộ rẻ hơn rất nhiều so với đường hàng không nên lượng hành khách và hàng hóa thường chiếm 80 - 98% về khối lượng hàng và 59 - 70% về khối lượng vận chuyển; - Nhược điểm chủ yếu của vận tải ô tô là tai nạn giao thông cao. Hiện tại nước ta là một trong số những nước có số vụ tai nạn giao thông lớn thế giới, chính phủ đã và đang có những biện pháp nhằm hạn chế tai nạn; Vì ý nghĩa đó nên chúng ta cần nhanh chóng phát triển giao thông đường bộ nhằm thỏa mãn mọi nhu cầu vận chuyển hàng hóa, nhu cầu đi lại của nhân dân, nhu cầu giao lưu kinh tế, văn hóa trong mọi miền đất nước. 1 1.1.2. Xe trên đường ô tô 1.1.2.1. Các kích thước của xe thiết kế Trên đường cao tốc chỉ cho phép xe ô tô lưu hành, còn trên đường ô tô theo tiêu chuẩn TCVN 4054: 2005 tất cả các loại xe, trừ xe bánh xích, được phép lưu hành do đó ngoài xe ô tô còn có các loại xe như xe máy, xe đạp, bộ hành. Kích thước xe thiết được quy định như sau: Bảng 1.1. Các kích thước của xe thiết kế (Kích thước tính bằng mét) Loại xe Xe con Xe tải Xe moóc tỳ Chiều dài toàn xe 6,00 12,00 16,50 Chiều rộng phủ bì 1,80 2,50 2,50 Chiều cao 2,00 4,00 4,00 Nhô về phía Nhô về phía Khoảng cách giữa trước sau các trục xe 0,80 1,40 3,80 1,50 4,00 6,50 1,20 2,00 4,00 - 8,80 1.1.2.2. Lưu lượng xe thiết kế (xcqđ/nđ) Lưu lượng xe thiết kế là số xe con được quy đổi từ các loại xe khác, thông qua một mặt cắt trong một đơn vị thời gian, tính cho năm tương lai. Năm tương lai là năm thứ 20 sau khi đưa đường vào sử dụng đối với các cấp I và II; năm thứ 15 đối với các cấp III và IV; năm thứ 10 đối với các cấp V, cấp VI và các đường thiết kế nâng cấp, cải tạo. Hệ số quy đổi từ xe các loại về xe con lấy theo Bảng 1.2 (Bảng 2 TCVN 4054 - 2005) Bảng 1.2. Hệ số quy đổi từ xe các loại ra xe con Loại xe Xe tải có Xe tải có Địa hình Xe kéo moóc, xe Xe đạp Xe máy Xe con 2 trục và xe buýt 3 trục trở lên buýt kéo moóc dưới 25 chỗ và xe buýt lớn Đồng bằng và đồi 0,2 0,3 1,0 2,0 2,5 4,0 Núi 0,2 0,3 1,0 2,5 3,0 5,0 Chú thích: Việc phân biệt địa hình được dựa trên cơ sở độ dốc ngang phổ biến của sườn đồi, sườn núi như sau: Đồng bằng và đồi  30 %; núi > 30 %. Đường tách riêng xe thô sơ thì không quy đổi xe đạp. Các loại lưu lượng xe thiết kế Lưu lượng xe thiết kế bình quân ngày đêm trong năm tương lai (viết tắt là Ntbnđ) có thứ nguyên xcqđ/nđ (xe con quy đổi/ngày đêm). Lưu lượng này được tham khảo khi chọn cấp thiết kế của đường và tính toán nhiều yếu tố khác. Lưu lượng xe thiết kế giờ cao điểm trong năm tương lai viết tắt là Ngcđ có thứ nguyên xcqđ/h (xe con quy đổi/giờ). Lưu lượng này để chọn và bố trí số làn xe, dự báo chất lượng dòng xe, tổ chức giao thông… Ngcđ có thể tính bằng cách: khi có thống kê, suy từ Ntbnđ bằng các hệ số không đều theo thời gian; khi có đủ thống kê lượng xe giờ trong 1 năm, lấy lưu lượng giờ cao điểm thứ 30 của năm thống kê; khi không có nghiên cứu đặc biệt dùng Ngcđ = (0,10  0,12) Ntbnđ. 2 Khi lựa chọn cấp hạng đường, điều trước tiên mà ta nên quan tâm là chức năng hay tầm quan trọng của con đường đồng thời có xét tới yếu tố địa hình, mỗi cấp có các tiêu chuẩn theo địa hình để có giá thành xây dựng hợp lý. Chỉ tiêu về lưu lượng xe thiết kế chỉ để tham khảo (chỉ tiêu này được mở rộng, không có cận trên) vì có nhiều trường hợp những tuyến đường có chức năng quan trọng nhưng lượng xe không nhiều hoặc tạm thời không nhiều. 1.1.3. Đường ô tô Đường ô tô là tổng hợp các công trình, các trang thiết bị nhằm phục vụ cho giao thông trên đường và thường được thể hiện bằng 3 bản vẽ cơ bản: a) Bình đồ: là hình chiếu bằng của tuyến đường trên địa hình, ngoài các yếu tố địa hình, biễu diễn bằng đường đồng mức, tuyến đường trên bình đồ còn thể hiện các yếu tố sau: - Điểm đầu, điểm cuối các điểm chuyển hướng của tuyến đường. - Các góc chuyển hướng, giá trị góc chuyển hướng α... - Các yếu tố đường cong tại điểm chuyển hướng. - Các cọc lý trình, các vị trí công trình trên tuyến.    Hình - Các yếu tố tuyến trên bình đồ b) Trắc dọc: là hình chiếu mặt cắt thẳng đứng dọc theo tuyến đường đã duỗi thẳng. Trên mặt cắt dọc thể hiện các yếu tố chủ yếu sau: - Cao độ thiên nhiên theo tim tuyến, đường nối các cao độ này được gọi là đường đen, - Cao độ thiết kế đường nối các cao độ này được gọi là đường thiết kế (đường đỏ). Đường đỏ xác định bằng: 3 Độ dốc dọc thiết kế (tính phần trăm hay phần nghìn), Chiều dài các đoạn dốc. Đường cong nối dốc tại các vị trí đổi dốc và các yếu tố của đường cong đó. Để xác định chiều cao thi công, dựa vào cao độ thiên nhiên và cao độ thiết kế tại một vị trí. Cèng hép bxh =1.25x1.25m cäc 12, km0+224.87 giao ®­êng s¾t cäc h1, km0+098.04 ®iÓm ®Çu dù ¸n km760+802.00 (lý tr×nh theo ql1) - Các công trình trên đường: vị trí cầu, cống, đường giao cắt… R·nh däc bªn tr¸i R·nh däc bªn ph¶i Dèc däc thiÕt kÕ Cao ®é thiÕt kÕ Cao ®é thiªn nhiªn Cù ly lÎ Cù ly céng dån Tªn cäc Lý tr×nh §o¹n th¼ng, ®o¹n cong Hình - Một đoạn trắc dọc thiết kế c) Trắc ngang: hình chiếu các yếu tố của đường trên mặt chiếu thẳng góc với tim đường. Trên mặt cắt ngang mặt đất tự nhiên thể hiện bằng đường đen, các yếu tố thiết kế mặt cắt ngang chủ yếu là: - Tim đường: là trục đối xứng của nền đường và mặt đường (trừ trường hợp trong đường cong và có mở rộng một phía). - Phần xe chạy (mặt đường): Là phần kết cấu gồm nhiều tang lớp vật liệu trực tiếp chịu tác dụng của tải trọng xe cộ và các yếu tố thời tiết, là phần quan trọng nhất của đường. Phần xe chạy có thể có 1 hoặc nhiều làn xe và mỗi làn có bề rộng được xác định tùy theo cấp đường. - Nền đường: là nền tảng của phần xe chạy, lớp phía trên của nền đường cùng với áo đường chịu tác dụng của tải trọng xe. Nền đường bao gồm chiều rộng phần mặt đường và lề đường (hay bề rộng giữa hai vai đường). - Lề đường: là phần nằm 2 bên của mặt đường có chức năng: giao thông bộ hành, nơi để vật liệu khi duy tu và sửa chữa đường, nơi đỗ xe tạm thời, làn xe thô sơ, đi bộ… Lề đường có thể bao gồm lề đất và có thể có cả lề gia cố. 4 - Mép mặt đường: là phần tiếp giáp giữa lề đường và mặt đường. - Mái đường dốc nền đường: có 2 dạng mái đường dốc nền đường đắp và mái đường dốc nền đường đào. o( §uêng thiªn nhiªn T ¾p y® a lu 1 (-) /m in (%) igcl (%) i® (%) in (%) KÕt cÊu gia cè lÒ KÕt cÊu mÆt ®uêng gia cè b ChiÒu réng mÆt ®uêng R·nh däc c lÒ ®uêng lÒ ®Êt Ta i® (%) igcl (%) luy ®µ Cao ®é thiÕt kÕ tim ®uêng +) 1/n h7 Km4+700 LÒ ®uêng B ChiÒu réng nÒn ®uêng Hình - Trắc ngang đường d) Các công trình trên đường: - Các công trình thoát nước trên đường. - Công trình vượt qua dòng nước. - Các công trình khác trên đường: Hệ thống an toàn và tổ chức giao thông, cây xanh, chiếu sáng, trạm nghỉ, trạm thu phí, nhà phục vụ bảo trì đường bộ... 1.1.4. CÊp h¹ng kü thuËt đường ô tô a. Phân cấp theo cơ quan quản lý đường: Mạng lưới đường ô tô quốc gia được phân thành: + Hệ thống đường Quốc lộ, nối các trung tâm kinh tế chính trị giao thông có ý nghĩa toàn quốc + Hệ thống đường địa phương: đường tỉnh, đường huyện - đường xã, nối liền các trung tâm kinh tế có tính chất địa phương như tỉnh, huyện, xã… b. Phân loại đường theo TCVN: Theo tiêu chuẩn Việt Nam, đường ô tô được phân ra 2 loại: + Đường cao tốc: đường chuyên cho ô tô chạy, có 2 phần xe chạy riêng biệt (mỗi chiều có ít nhất 2 làn xe), trong đó lại chia ra : - Đường cao tốc loại A: tất cả các nút giao thông trên đường đều là khác mức; - Đường cao tốc loại B: một số nút giao thông trên tuyến được phép giao bằng. + Đường ô tô: được dùng chung cho các loại phương tiện giao thông, trừ xe xích. c. Phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo chức năng và lưu lượng xe thiết kế: Đường ô tô và đường cao tốc được phân ra các cấp tùy theo chức năng của con đường, theo địa hình như chỉ dẫn trong bảng 1.3: 5 Bảng 1.3. Phân cấp kỹ thuật đường ô tô theo chức năng và lưu lượng xe thiết kế Cấp thiết kế của đường Cao tốc Lưu lượng xe thiết kế*) Chức năng của đường (xcqđ/nđ) > 25 000 Đường trục chính, thiết kế theo TCVN 5729 : 1997. Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá Cấp I > 15 000 lớn của đất nước. Quốc lộ. Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá Cấp II > 6 000 lớn của đất nước. Quốc lộ. Đường trục chính nối các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá lớn Cấp III > 3 000 của đất nước, của địa phương.Quốc lộ hay đường tỉnh. Đường nối các trung tâm của địa phương, các điểm lập hàng, Cấp IV > 500 các khu dân cư. Quốc lộ, đường tỉnh, đường huyện. Đường phục vụ giao thông địa phương. Đường tỉnh, đường Cấp V > 200 huyện, đường xã. Cấp VI < 200 Đường huyện, đường xã. Trị số lưu lượng này chỉ để tham khảo. Chọn cấp hạng đường nên căn cứ vào chức năng của đường và theo địa hình. d. Các chỉ tiêu chủ yếu của từng cấp đường - Vận tốc thiết kế (Vtk): Tốc độ thiết kế là tốc độ được dùng để tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của đường trong trường hợp khó khăn. Tốc độ này khác với tốc độ cho phép lưu hành trên đường của cơ quan quản lý đường. Tốc độ lưu hành cho phép phụ thuộc tình trạng thực tế của đường (khí hậu, thời tiết, tình trạng đường, điều kiện giao thông,...). Tốc độ thiết kế các cấp đường dựa theo điều kiện địa hình, xem Bảng 1.4 (Bảng 4 của TCVN 4054 - 2005). Bảng 1.4. Tốc độ thiết kế của đường Cấp thiết kế Địa hình I Đồng bằng II Đồng bằng III Đồng bằng Núi IV Đồng Núi bằng V Đồng bằng Núi VI Đồng Núi bằng Tốc độ thiết kế, 120 100 80 60 60 40 40 30 30 20 Vtk, km/h CHÚ THÍCH: Việc phân biệt địa hình được dựa trên cơ sở độ dốc ngang phổ biến của sườn đồi, sườn núi như sau: Đồng bằng và đồi  30 %; núi > 30 %. - Chiều dài tối thiểu của tuyến đường ứng với cấp đường: Các đoạn tuyến phải có một chiều dài tối thiểu thống nhất theo một cấp. Chiều dài tối thiểu này đối với đường từ cấp IV trở xuống là 5 km, với các cấp khác là 10 km. - Mặt cắt ngang: Chiều rộng tối thiểu của các yếu tố trên mặt cắt ngang đường được quy định tuỳ thuộc cấp thiết kế của đường như quy định ở Bảng 1.5 (Bảng 6 TCVN40542005) áp dụng cho địa hình đồng bằng và đồi, Bảng 1.6 (Bảng 7 TCVN4054-2005) áp dụng cho địa hình vùng núi. 6 Bảng 1.5. Chiều rộng tối thiểu các yếu tố trên mặt cắt ngang cho địa hình đồng bằng và đồi Cấp thiết kế của đường Tốc độ thiết kế, km/h Số làn xe tối thiểu dành cho xe cơ giới (làn) Chiều rộng 1 làn xe, m Chiều rộng phần xe chạy dành cho cơ giới, m Chiều rộng dải phân cách giữa1), m I 120 II 100 III 80 IV 60 V 40 VI 30 6 4 2 2 2 1 3,75 2x 11,25 3,75 3,50 3,50 2,75 3,50 2 x 7,50 7,00 7,00 5,50 3,5 1,50 0 0 0 0 3,00 3,50 3,00 2,50 1,00 1,00 1,50 (3,00) (2,50) (2,00) (0,50) (0,50) Chiều rộng nền đường, m 32,5 22,5 12,00 9,00 7,50 6,50 1) Chiều rộng dải phân cách giữa có cấu tạo nói ở điều 4.4 và Hình 1. áp dụng trị số tối thiểu khi dải phân cách được cấu tạo bằng dải phân cách bê tông đúc sẵn hoặc xây đá vỉa, có lớp phủ và không bố trí trụ (cột) công trình. Các trường hợp khác phải bảo đảm chiều rộng dải phân cách theo quy định ở điều 4.4. 2) Số trong ngoặc ở hàng này là chiều rộng phần lề có gia cố tối thiểu. Khi có thể, nên gia cố toàn bộ chiều rộng lề đường, đặc biệt là khi đường không có đường bên dành cho xe thô sơ. Chiều rộng lề và lề gia cố2), m Bảng 1.6. Chiều rộng tối thiểu các bộ phận trên mặt cắt ngang cho địa hình vùng núi Cấp thiết kế của đường Tốc độ thiết kế, km/h Số làn xe dành cho xe cơ giới, làn Chiều rộng 1 làn xe, m Chiều rộng phần xe chạy dành cho xe cơ giới, m III 60 2 3,00 IV 40 2 2,75 V 30 1 3,50 VI 20 1 3,50 6,00 5,50 3,50 3,50 1,5 1,0 1,5 1,25 (1,0m) (0,5m) (1,0m) Chiều rộng của nền đường, m 9,00 7,50 6,50 6,00 *) Số trong ngoặc ở hàng này là chiều rộng phần lề có gia cố tối thiểu. Khi có thể, nên gia cố toàn bộ chiều rộng lề đường, đặc biệt là khi đường không có đường bên dành cho xe thô sơ. Chiều rộng tối thiểu của lề đường và lề gia cố *), m 1.2. SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE TRÊN ĐƯỜNG 1.2.1. Lực cản của xe trên đường 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. Ngoài ra, trình độ nghề nghiệp, tâm sinh lí của lái xe chưa xét ở đây. Chúng ta chỉ xét một hệ đơn giản: Xe Đường. Trong đó, xe được coi là một chất điểm, có lực kéo của động cơ để thắng các lực cản trên đường, còn mặt đường được giả thiết bằng phẳng, cứng và không biến dạng. 7 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: lực cản lăn, lực cản không khí, lực cản quán tính và lực cản leo dốc. 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; Pj - Lực cản quán tính; Pi - Lực cản leo dốc. 1.2.1.1. 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 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. Thực nghiệm cho thấy tổng lực cản lăn trên tất cả các bánh xe Pf tỉ lệ thuận với trọng lượng G (kG) của ô tô: Pf = f.G (kN) Trong đó: G - tải trọng tác dụng trên bánh xe ô tô (kN); (2.1) f - hệ số cản lăn không thứ nguyên; Pf - lực cản lăn (kN). 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 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 + Bê tông xi măng Hệ số f 0,01 - 0,02 Loại mặt đường Hệ số f 0,04 - 0,05 + Đất khô và bằngphẳng và bê tông nhựa + Lát đá 0,04 - 0,05 + Đá dăm đen 0,02 - 0,025 + Đất ẩm và không bằng phẳng 0,07 - 0,15 + Đá dăm 0,03 - 0,05 + Đất cát rời rạc 0,15 - 0,30 1.2.1.2. Lực cản không khí Pw 8 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. Lực cản không khí khi được xác định theo công thức: Pw = k.F.v2 = k.F.V2/13 ̣ (kN) (2.2) Trong đó: Pw - Lực cản không khí (kN); 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); 2 F - diện tích cản trở (diện tích mặt cắt ngang lớn nhất của ô tô) (m ); 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, (m/s); V - vận tốc xe chạy, (km/h). 1.2.1.3. Lực cản leo dốc Pi Lực cản leo dốc sinh ra khi xe phải khắc phục một đoạn dốc (h 2.1). Giả thiết xe phải leo một độ cao h trên một đoạn có chiều dài l (m), với trọng lượng của xe G (kN), xe phải sinh ra một công phụ leo dốc là G.h. Vậy lực cản leo dốc được tính theo công thức: Pi = h.G/l = ± G.i (kN) (2.3) Trong đó: G - là tải trọng tác dụng trên bánh xe ô tô (kN); Pi - Lực cản leo dốc (kN) i - là độ dốc dọc của đường (%), có dấu dương khi xe lên dốc, âm khi xe xuống dốc. 1.2.1.4. Lực cản quán tính Pj 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 (kG) (2.4) Trong đó: m - khối lượng của ô tô (G/g); 2 g - là gia tốc trọng trường (9,81 m/s ); j - là gia tốc của ô tô (dv/dt). 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. G dv Pj    (2.5) g dt Dấu dương ứng với trường hợp tăng tốc và dấu âm ứng với trường hợp giảm tốc. 1.2.1.5. Lực cản trên đường Lực cản leo dốc và lực cản quán tính không phải luôn luôn có (trừ khi leo dốc hoặc trừ khi thay đổi tốc độ). Còn lực cản lăn và lực cản không khí luôn có khi xe chạy. Do đó tổng 9 hai lực cản này còn có tên gọi là lực cản trên đường. Lực cản này có thể tính theo: Đối với xe con và xe buýt : Pđ = 0,00453 G + 0, 000073 GV + 0, 000625 CFV² Đối với xe tải: Pđ = 0,00345 G + 0, 0000653 GV + 0, 0004656 CFV² Công thức trên theo giáo trình TKĐ tập 1/2006 của GS Đỗ Bá Chương với: Pđ - lực cản trên đường là tổng của lực cản không khí và lực cản lăn, (kN); G - tải trọng tác dụng trên bánh xe ô tô, (kN); V- tốc độ xe chạy, km/h; F - diện tích cản trở, có thể tính F = 0,8.B.H (B và H là chiều rộng và chiều cao của ô tô m); C- thông số lực cản không khí, xe con 0,40 - 0,50, xe tải 0,65- 0,70, xe buýt 0,60 - 0,70. 1.2.2. Lực kéo của xe - nhân tố động lực của xe 1.2.2.1. Lực kéo của xe Nhiên liệu trong động cơ được chuyển hóa thành công năng có công suất hiệu dụng N, công suất này tạo nên một mômen M tại trục khuỷu của động cơ. Giữa N và M có quan hệ như sau: N= M.w (mã lực) 75 (2.6) Trong đó: w - Tốc độ góc của trục khuỷu, có liên hệ với vòng số quay của động cơ n (vòng/phút) w =2πn / 60 Do đó, ta thiết lập được quan hệ như sau: M =716,2 N (kNm) n (2.7) Trong đó: N- Công suất (mã lực); w- Tốc độ góc của trục khuỷu; n- Số vòng quay của trục khuỷu trong một phút. Mô men tại trục khuỷu còn nhỏ và tốc độ quay còn lớn, muốn sử dụng cần phải qua hộp số để tạo một mômen kéo đủ lớn Mk ở trục chủ động, mômen này sẽ sinh một ngoại lực (lực kéo Pk ở điểm tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường) bằng về trị số và trái chiều với phản lực của đường T. Hình 2.6. Quá trình sinh ra sức kéo của ô tô 10 1: Động cơ. 4: Trục các đăng. 2: Ly hợp. 5: Cầu xe. 3: Hộp số. 6: Bánh xe. Lực kéo: Pk = M.i o .i k Mk  Pk = .η rk rk (2.8) Trong đó: M- Mômen quay của động cơ (kNm); Mk- Mômen quay ở bánh xe chủ động (kNm); ik - Tỉ số truyền của hộp số, thay đổi theo số cài của xe; io - Tỉ số truyền của cầu số, phụ thuộc loại xe; rk - Bán kính bánh xe phụ thuộc vào áp lực hơi trong lốp xe, loại lốp, tải trọng tác dụng lên lốp, thưởng rk = (0,93÷0,96) r bánh xe khi chưa biến dạng. η - Hiệu suất truyền động  Ô tô tải: η = 0,80 ÷ 0,85;  Ô tô bus: η = 0,80 ÷ 0,85;  Xe con: η = 0,85 ÷ 0,90. 1.2.2.2. Nhân tố động lực và biểu đồ nhân tố động lực Sức kéo sinh ra là để khắc phục các sức cản như đã phân tích ở phần 2.1.1. Ta sẽ có : Pk = Pf + Pw + Pi + Pj => Pk - Pw = Pf + Pi + Pj => Pk - Pw = G.f ± G.i ± δG dv . g dt => Pk - Pw = G.f ± G.i ± δG dv . g dt => Đặt D= Pk -Pw δ dv  f±i± . G g dt (2.9) Pk -Pw gọi là nhân tố động lực của ô tô, chính là tỷ số của hiệu số giữa lực kéo G và lực cản không khí với trọng lượng của ô tô: δ dv g dt D  f±i± . (2.10) 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). 11 Hình 2.3. Biểu đồ nhân tố động lực của xe TOYOTA Camry 2.4 Các vận dụng từ biểu đồ nhân tố động lực - Xác định được vận tốc xe chạy đều thực tế lớn nhất khi biết tình trạng của đường. Khi xe chuyển động đều, ta có dv/dt = 0 biểu thức (2.10) sẽ là D = f  i. Khi từ D gióng sang ngang cắt biểu đồ tại hai điểm thì chỉ có điểm ở bên phải có 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 toán khai thác đường. - Xác định các điều kiện cần thiết của đường để đảm bảo một tốc độ xe chạy cân bằng yêu cầu. Khi xe chuyển động đều có 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 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)  .   dt  max (2.11) Gia tốc đủ để khởi động được không nhỏ hơn 1,5m/s2. - 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 , vận dụng (2.10) ta có: 12 g g dv   D  ( f  i ) .  ( D  D ). 1 2  dt   v.dv  ds  v.dt  (D  D )g 1 2 v v V 2 V 2 2  2 v.dv i 1 i S   ds    t, g g v (D  D ) 254( D  D ) v 1 2 i i 1 1 1 (2.12) 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. 1.2.3. Lực bám của bánh xe với mặt đường – Sù h·m xe 1.2.3.1. Lực bám của bánh xe với mặt đường 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 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. Trong quá trình vận chuyển nếu gặp phải chỗ mặt đường ẩm ướt; trơn trượt thì bánh xe có thể bị trượt hay quay tại chỗ vì lực bám giữa bánh xe với mặt đường không đủ. Khi ô tô đang chuyển động thì có các lực tác dụng lên bánh xe chủ động và bị động. 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). Điều kiện chuyển động của xe trên đường là lực kéo của xe phải thắng được lực cản và lực bám giữa bánh xe và mặt đường phải đủ. Thực nghiệm ta có công thức tính lực bám là: Tmax = φ.Gk (2.13) 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 φ: là hệ số bám của bánh xe với mặt đường. Bảng 2.2. Các giá trị hệ số bám dọc φ Tình trạng mặt đường Khô sạch Khô sạch ẩm và bẩn Điều kiện xe chạy Rất thuận lợi Bình thường Không thuận lợi Điều kiện để xe chuyển động là: Hệ số bám 0,7 0,5 0,3 Pk ≥ ΣPcản 13 Và xe lăn không trượt thì: Pa < Tmax = φ.Gk Ta sẽ có : Pk ≥ Pf + Pω + Pi + Pj => Pk - Pω ≥ Pf + Pi + Pj => Pk - Pω ≥ G.f ± G.i  G dv  g dt G dv => Pk - Pω ≥ G.f ± G.i   g dt P P  dv => k   f  i  D g dt Vậy điều kiện xe chạy: T  Rk G k    Rk  dV Db    f i  G G g dt (2.14) (2.15) 1.2.3.2. Sự hãm xe Khi hãm xe người lái ấn chân lên bàn đạp phanh, qua truyền chuyển động áp lực làm mở các vành hãm tác dụng vào bánh xe. Bánh xe lúc đó bị gắn chặt vào trục, không quay được và trượt ở trên mặt đường. Lực hãm lớn nhất cũng phụ thuộc vào hệ số ma sát giữa lốp xe và mặt đường có trị số: Ph = Tmax = G. φ Trong đó: φ - hệ số bám dọc của bánh xe với mặt đường, thường lấy φ = 0,3; G- trọng lượng toàn bộ xe. Lúc này tất cả các lực cản đều tham gia vào quá trình hãm xe. Lực cản không khí nhỏ không đáng kể xe chạy chậm, lực cản lăn nhỏ so với lực hãm về bản chất cũng là lực ma sát, đãng kể là độ dốc dọc, khi trị số dốc dọc lớn hơn 4%, chiều dài hãm phanh cũng tăng lên đáng kể. Ta có: Ph = Tmax + Pi = G. φ + G.i = G.(φ ± i), Dấu cộng khi xe lên dốc, dấu trừ khi xe xuống dốc. Khi xe chuyển động với vận tốc v1 (m/s) sau hãm chạy với vận tốc v2 (m/s), theo nguyên lý bảo toàn động năng trên đoạn chiều dài hãm xe Sh ta có: Sh. (Tmax + Pi) = (v1² + v2² ) m/2 G.(φ + i).Sh = (v1² + v2² ) G/2.g - Chiều dài hãm phanh được xác định theo nguyên lý động năng: 2 K (v12  v2 ) Sh  254(  i ) (2.16) Nếu vận tốc tính bằng km/h ta có: Sh  K (V12  V22 ) (m) 254(  i ) (2.17) Trong đó: K - hệ số hãm phanh, xác định tùy vào loại xe; (xe con: K = 1,2; xe tải: K = 1,3 ÷ 1,4) V1 - vận tốc xe chạy trước khi hãm (km/h). V2 - vận tốc xe chạy sau khi hãm (km/h). φ - hệ số bám dọc của bánh xe với mặt đường, thường lấy φ = 0,3. 14 i - độ dốc dọc của đường (%), lấy dấu cộng khi xe lên dốc, dấu trừ khi xe xuống dốc. Trong trường hợp hãm xe dừng hẳn V1 = V, V2 = 0, khi đó ta có: Sh = KV 2 (m) 254( ±i) (2.18) 1.2.4. TÇm nh×n xe ch¹y 1.2.4.1. Tầm nhìn xe chạy Để đảm bảo an toàn, người lái xe luôn luôn phải được nhìn thấy đường trên một chiều dài nhất định về phía trước để người lái kịp thời xử lý hoặc là hãm dừng trước các chướng ngại vật (nếu có) hay là tránh được nó. Chiều dài này được gọi là tầm nhìn. Tầm nhìn này phải được đảm bảo trên mặt cắt dọc cũng như trong đường cong nằm sao cho không bị vách đá, nhà cửa, cây cối che khuất. Trên đường cấp cao, đường du lịch tầm nhìn không chỉ đảm bảo an toàn mà còn phải nâng cao để xét đến yếu tố tâm lý nhằm tạo điều kiện cho người lái xe an tâm chạy với tốc độ cao. a) Tim ñ ôøg ö n Qïõ ñ o xe chaï y aï y Vïøg caû tìôû taf nhìn n n m b) Vïøg caû tìôû taf nhìn n n m Hình - Khái niệm về tầm nhìn a) Trên bình đồ; b) Trên trắc dọc 1.2.4.2. Xác định chiều dài tầm nhìn Để xác định chiều dài tầm nhìn ta xét các tình huống có thể xảy ra trên đường. Thông thường có thể xuất hiện 3 tình huống thể hiện 3 sơ đồ sau. - Xác định chiều dài tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 1 :Tầm nhìn hãm xe (tầm nhìn 1 chiều) S1: S1 lpu Sh l0 Hình 2.10. Sơ đồ tầm nhìn trước chướng ngại vật cố định S1 Tình huống: ô tô gặp chướng ngại vật tĩnh trên làn xe đang chạy, người lái xe cần phải nhìn thấy chướng ngại vật và kịp dừng xe trước nó. 15 Công thức tính: S1 = lpư + Sh + lo , (m) (2.37) Trong đó: lpu - chiều dài xe chạy được trong thời gian người lái xe phản ứng tâm lý; lpu = v.tpu. Với v: tốc độ ô tô trước khi hãm phanh (m/s); tpu: thời gian người lái xe phản ứng tâm lý (khi tính toán với một mức độ an toàn nhất định, lấy bằng 1s); Sh:chiều dài xe chạy được trong quá trình hãm phanh; lo: đoạn dự trữ an toàn (thường lấy từ 5-10m). Nếu vận tốc V tính bằng km/h thì: S1 = V V2 +k +l ; (m) 3,6 254( ±i) o (2.38) Vận dụng: Đây là sơ đồ cơ bản nhất phải được kiểm tra trong bất kì tình huống nào của đường, dùng để tính toán bán kính đường cong đứng. - Xác định chiều dài tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 2 :Tầm nhìn xe chạy ngược chiều S2: S2 1 1 lpï1 Sh1 2 l0 2 Sh2 lpï2 Hình 2.11. Sơ đồ tầm nhìn thấy xe ngược chiều S2 Tình huống: Hai xe chạy trên cùng 1 làn kịp dừng lại trước nhau một khoảng cách an toàn. Công thức tính: S2 = lpư1 + Sh1 + lo + lpư2 + Sh2 , (m) (2.39) Trong đó: lpu1, lpu2 : chiều dài xe 1 và xe 2 chạy được trong thời gian người lái xe phản ứng tâm lí; Sh1, Sh2: chiều dài xe 1 và xe 2 chạy được trong suốt quá trình hãm phanh; lo: cự ly an toàn. Giả sử một xe lên dốc, một xe xuống dốc, ta có: V1 +V2 V12 V22 S2 = +k +k +l , (m) 3,6 254( +i) 254( -i) o (2.40) Trong tính toán V1 = V2 nên:  .V 2 V S2 = +k +l (m) 1,8 127( 2 - i 2 ) o (2.41) 16 Vận dụng: Đây là trường hợp ít xảy ra nhưng có thể áp dụng với đường không có dải phân cách ở trung tâm, gặp phải trên đường có một làn đường xe chạy hai chiều hoặc một xe chạy sai làn đường của mình. - Xác định chiều dài tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 3 : Tầm nhìn vượt xe Svx: Tình huống: Xe 1 chạy nhanh bám theo xe 2 chạy chậm với khoảng cách an toàn Sh1Sh2, khi quan sát thấy làn xe trái chiều không có xe, xe 1 lợi dụng làn trái chiều để vượt xe 2 và quay trở về làn của mình an toàn. Svx 0 Sh1-Sh2 Sh2+lo 1 1 2 lpï 2 l2 3 3 1 2 0 l'2 l3 Hình 2.12. Sơ đồ tầm nhìn vượt xe Svx Công thức tính: Svx= lpư + l2 + l2’ + l3 (m) (2.42) Bằng việc sử dụng thời gian vượt xe thống kê được trên đường ta có công thức thực nghiệm sau: - Ở điều kiện bình thường: Svx = 6.V (m) - Ở điều kiện cưỡng bức khi đông xe: Svx = 4.V (m) Với V (km/h): Tốc độ thiết kế của tuyến đường. Vận dụng: là trường hợp nguy hiểm phổ biến trên đường có 2 làn xe. Khi đường có dải phân cách trung tâm, 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 1 chiều dài nhìn được cho lái xe an tâm chạy với tốc độ cao. 1.2.4.3. Quy định về tầm nhìn tối thiểu khi xe chạy trên đường (TCVN 4054 : 2005) Phải đảm bảo tầm nhìn trên đường để nâng cao độ an toàn xe chạy và độ tin cậy về tâm lý để chạy xe với tốc độ thiết kế. Giá trị tầm nhìn tối thiểu (tầm nhìn hãm xe S1, tầm nhìn trước xe ngược chiều S2, tầm nhìn vượt xe Svx) được quy định trong bảng 2.8 (Bảng 10 TCVN4054 : 2005) Các giá trị tầm nhìn được tính từ mắt người lái xe có chiều cao 1,00m bên trên phần xe chạy, khi xe ngược chiều có chiều cao 1,20m, chướng ngại vật có chiều cao 0,10m Bảng 2.8. Tầm nhìn tối thiểu khi chạy xe trên đường Cấp thiết kế của đường Tốc độ thiết kế, Vtk, km/h Tầm nhìn hãm xe (S1), m I II III 120 100 80 60 210 150 100 75 IV 60 75 V VI 40 40 40 40 30 30 30 30 20 20 80 60 60 40 Tầm nhìn trước xe ngược chiều (S2), m   200 150 150 80 Tầm nhìn vượt xe Svx, m   550 350 350 200 200 150 150 100 17 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 C©u 1: C¸c c¬ së ®Ó ph©n cÊp ®­êng « t«? §­êng « t« cã nh÷ng cÊp nµo? C©u 2: Yêu cầu đối với xe trên đường ô tô? C©u 3: Lưu lượng xe thiết kế là gì, các loại lưu lượng xe, cách xác định lưu lương xe? C©u 4: Trình nội dung các bản vẽ cơ bản của tuyến đường? C©u 5: N êu các bộ phận chủ yếu trên mặt cắt ngang của đường? C©u 6: Trình bày các căn cứ để phân cấp đường ô tô? C©u 7: N êu các chỉ tiêu chủ yếu của từng cấp đường? 18 Ch­¬ng 2 THIÕT KÕ B×NH §å 2.1. C¸c vÊn ®Ò chung 2.1.1. Đặc điểm sự chuyển động của ô tô trong đường cong nằm Khi chuyển động trong đường cong ngoài việc khắc phục các điều kiện như trên đường thẳng, xe còn phải chịu thêm những điều kiện bất lợi: - Xe phải chịu thêm lực ly tâm, đặt ở trọng tâm của xe, theo phương bán kính, chiều hướng ra ngoài đường cong. Lực có xu hướng đẩy xe về phía lưng đường cong và được xác định theo công thức: F= mv 2 Gv 2 ;  R gR (2.19) Trong đó: G - Trọng lực của xe ô tô, kN; V - Tốc độ xe chạy, m/s; R- Bán kính đường cong trên bình đồ, m; g - Gia tốc trọng trường được lấy bằng 9,81m/s2. Lực ly tâm có thể gây lật đổ xe, trượt ngang, làm cho việc điều khiển xe khó khăn, gây khó chịu cho hành khách, làm hư hỏng hàng hóa. Làm tiêu hao nhiên liệu, mòn săm lốp. - Khi xe chạy trong đường cong, chiếm đường nhiều hơn ở ngoài đường thẳng. Vì vậy, để cho xe chạy đảm bảo các điều kiện về khổ động học bề rộng mặt đường trong đường cong phải lớn hơn bề rộng mặt đường ngoài đường thẳng. - Xe chạy trong đường cong dễ bị cản trở tầm nhìn, nhất là khi bán kính đường cong nhỏ, ở đoạn đường đào. Tầm nhìn ban đêm của xe trong đường cong bị hạn chế vì đèn pha chiếu thẳng trên 1 đoạn ngắn hơn. 2.1.2. Lùc ngang vµ hÖ sè lùc ngang Xét trường hợp xe có trọng lực G, vận tốc v chạy vào đường cong có bán kính R, mặt đường nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang một góc α, (độ dốc ngang mặt đường in); theo hình vẽ (hình vẽ 2.4) ta có: + Trọng lực bản thân của xe G có phương thẳng đứng và có chiều từ trên xuống; + Lực ly tâm F có phương nằm ngang, chiều có xu hướng kéo xe về phía lưng đường cong. Để xét ảnh hưởng của các lực đến điều kiện xe chạy, ta tiến hành tổng hợp các lực tác dụng tại trọng tâm của xe theo phương song song với mặt đường. 19 y' Gsin α Fsinα G R Fcosα F Gcosα i y α Hình 2.4. Xe chạy trong đường cong có bán kính R Hợp lực theo phương song song với mặt đường (Lực ngang Y): Y  F cos   G sin  Gv 2 Y cos   G sin  gR (2.2) Trong đó: Y- là lực ngang; F- lực ly tâm; G- trọng lực; α - góc nghiêng mặt đường với đường nằm ngang. Dấu của công thức (2.20): dấu cộng ”+” trường hợp cấu tạo mặt đường hai mái xe trên làn phía lưng đường cong; dấu trừ ”-” cấu tạo toàn bộ phần xe chạy của mặt đường nghiêng một mái hướng tâm đường cong cấu tạo mặt đường có siêu cao. Vì α nhỏ nên: cosα  1, sinα  tgα = in độ dốc ngang mặt đường. Thay vào (2.20) ta có: Y  Gv2  G in gR (2.21) Y v2 Chia cả hai vế của biểu thức trên cho G ta có:   isc G gR Đặt Y  μ : Hệ số lực ngang. G Xác định hệ số lực ngang: được xác định theo điều kiện: ổn định chống lật; chống trượt ngang của xe chạy trong đường cong; đảm bảo thoải mái, êm thuận cho hành khách trên xe khi xe chạy vào đường cong và điều kiện tiết kiệm nhiên liệu và săm lốp xe. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm, khi hành khách trên xe ô tô vào đường cong có hệ số μ khác nhau nhận thấy: - Nếu μ ≤ 0,10: không cảm thấy có đường cong; - Nếu μ = 0,15: hơi cảm thấy có đường cong; 20