Kỹ thuật thi công 1 - Máy xây dựng - Phần 3: Thiết kế đường ô tô và các công trình trên đường

1MÔN HỌC: KỸ THUẬT HẠ TẦNG GIAO THÔNG KS.NCS. PHẠM ĐỨC THANH Bộ môn Kỹ thuật Hạ tầng và PTNT PHẦN 3 THIẾT KẾ ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG emai: phamducthanh@wru.vn 0979.88.3339 2 CẤU TRÚC PHẦN 3 4. TK mặt cắt ngang tuyến đường 2. TK tuyến trên bình đồ 1. Chuyển động của ô tô trên đường 5. Công trình nền mặt đường 6. Thoát nước trên đường ô tô 7. Tổng luận cầu 8. Tổng quan về nút giao thông 3. TK trắc dọc tuyến đường Giới thiệu phần mềm Nova-TDN 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN 3 24 H HARMONY.LTD HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM NOVA-TDN 5 CHƯƠNG 1. CHUYỂN ĐỘNG CỦA ÔTÔ TRÊN ĐƯỜNG 1.1. Các lực tác động lên ô tô trong quá trình chuyển động 1.1.1. Các lực tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động. Khi ôtô chạy trên đường, các lực tác dụng lên nó bao gồm : Pk : lực kéo do động cơ sinh ra, Pw : lực cản của không khí, Pf : lực cản lăn, Pi : lực cản lên dốc, Pj : lực quán tính. Pw Pj Pf Pκ α Pi i% 6 1.1.1. Các lực tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động a. Lực kéo Pk Khi xe chạy, nhiên liệu cháy trong động cơ [1] cháy; Nhiệt năng sinh ra biến thành cơ năng tạo ra một công suất hiệu dụng N (mã lực) đồng thời tạo ra mô men quay M tại trục của động cơ [2]; Rồi chuyền qua hộp số [3] , trục các đăng [4] tới cầu xe [5], Tạo ra mô men quay tại bánh chủ động Mk [6] và sinh ra lực kéo Pk tại bánh xe. 1. Động cơ 2. Ly hợp 3. Hộp số 4. Trục các đăng 5. Cầu xe 6. Bánh xe Sơ đồ hệ thống truyền lực của ô tô 37 Lực kéo được tính theo công thức sau : ][,.. kG r iiM r MP k ko k k K η== io: tỷ số truyền động cơ bản, nó phụ thuộc vào loại xe, tỷ số này không đổi ik: tỷ số truyền động trong hộp số, thay đổi theo số cài của xe; rk : bán kính của bánh xe chủ động có xét đến biến dạng của lốp. rk phụ thuộc vào áp lực hơi trong bánh xe, cấu tạo của lốp và tải trọng trên bánh xe, trạng thái mặt đường, thường lấy 0,93 ÷ 0,96 bán kính chưa biến dạng. η: hệ số hiệu dụng của cơ cấu truyền động. η = 0,8 ÷ 0,85 (đối với xe tải) η = 0,85 ÷ 0,9 (đối với xe con, xe du lịch) a. Lực kéo Pk (tiếp) Lực kéo t/dụng lên bánh xe chủ độngM: Mô men quay của động cơ (kGm) Mk: Mô men quay của bánh xe chủ động (kGm) 8 1.1.1. Các lực tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động b. Lực cản lăn Pf Khi xe chạy, tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường xuất hiện lực cản lăn. Lực này tác dụng ngược chiều chuyển động và tỉ lệ thuận với trọng lượng tác dụng lên bánh xe: ][,. kGGfPf = G: tải trọng tác dụng lên bánh xe (kG) f: hệ số cản lăn giữa bánh xe và mặt đường. Hệ số cản lăn phụ thuộc vào loại mặt đường, tình trạng mặt đường, loại lốp xe, độ cứng của lốp. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào vận tốc xe chạy. Với mặt đường BTXM, BT nhựa: f = 0.01 -:- 0.02 Với mặt đường đất : f = 0.07 -:- 0.15 9 c. Lực cản không khí ][,.. 2 kGvFKPw = K: hệ số cản không khí, phụ thuộc vào mật độ không khí, và chủ yếu phụ thuộc vào hình dạng của xe. Các loại xe có tốc độ cao phải có nghiên cứu khí động học để giảm lực này. Hệ số K của xe tải: 0.06-:-0.07, xe buýt: 0.04-:-0.06, xe con: 0.025-:-0.035; F: diện tích cản không khí, là diện tích hình chiếu của ôtô lên mặt phẳng vuông góc hướng chuyển động của xe. v: vận tốc tương đối của xe, tức là phải kể cả tốc độ của gió. Trong điều kiện bình thường, coi vận tốc của gió bằng không, v là tốc độ của ôtô (m/s) 410 1.1.1. Các lực tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động d. Lực cản leo dốc Lực cản leo dốc sinh ra khi xe phải khắc phục một cao độ. ][,sin. kGGPi α±= Vì α nhỏ nên: sinα = tangα = i=============> ][,. kGiGPi ±= Với i là độ dốc dọc đường, i = h/l Khi nào là dấu “+”? Khi nào là dấu “-”? 11 1.1.1. Các lực tác dụng lên ôtô trong quá trình chuyển động e. Lực cản quán tính Công thức xác định lực quán tính: G: trọng lượng của xe g: gia tốc trọng trường (g = 9.81 m/s2) dv/dt : gia tốc δ: hệ số kể đến chuyển động quay của các bộ phận đó (δ=1.03 -1.07). δ dt dv g GPj .±= 12 1.1.2. Nhân tố động lực và biểu đồ nhân tố động lực Sức kéo sinh ra để khắc phục tất cả các sức cản. Tự sự phân tích ở trên ta có biểu thức: Đặt : Gọi D là nhân tố động lực. Về mặt cơ học, nhân tố động lực học có ý nghĩa là sức kéo trên một đơn vị trọng lượng của xe. Nhân tố động lực từng loại xe phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ. Qua các tỷ số truyền động, tính được các trị số của D phụ thuộc vào vận tốc V ứng với từng chuyển số. Quan hệ này được thể hiện bằng biểu đồ nhân tố động lực. δ dt dv g GiGfGPPPPPP wkjifwk ±±=−⇒±±+= .. dtg dvif G PP wk . .δ±±=−⇒ G PPD wk −= dtg dvifD . .δ±±=⇒ 513 1.1.3. ý nghĩa của biểu đồ nhân tố động lực (1/2) a. Xác định tốc độ xe chạy đều khi biết tình trạng của mặt đường. Khi xe chạy với tốc độ đều, gia tốc 0 dt dv = ta có: D = f ± i. Ở trị số D thích hợp trên trục tung, ta kẻ một đường thẳng song song với trục hoành cắt đường nhân tố động lực ở chuyển số thích hợp, ta sẽ được tốc độ xe chạy đều (cân bằng) V. Chú ý đường song song với trục hoành có thể cắt biểu đồ nhân tố động lực học tại 2 điểm, chỉ có điểm bên phải có giá trị ổn định là sử dụng được. Trên thực tế nên cố gắng áp dụng các độ dốc thoải để có tốc độ cân bằng cao và xe ít phải chuyển số, tốn thời gian, máy móc chóng hư hỏng và thao tác của lái xe vất vả. Biểu đồ nhân tố động lực của một số loại xe ô tô con 14 1.1.3. ý nghĩa của biểu đồ nhân tố động lực (2/2) b. Xác định các điều kiện cần thiết của đường để đảm bảo một tốc độ xe chạy cân bằng yêu cầu. Từ tốc độ xe chạy cân bằng (vị trí thích hợp trên hoành độ) dựng đường thẳng góc cắt đường nhân tố động lực ở chuyển số thích hợp. Trên loại mặt đường đã biết, hệ số lực cản lăn f, tính được độ dốc dọc tối đa có thể khắc phục được: i = D – f (xét chuyển động đều) 15 1.2 Lực bám của bánh xe với mặt đường và chiều dài hãm xe 1.2.1. Lực bám của bánh xe với mặt đường (1/4) Lực tác dụng lên bánh chủ động Lực tác dụng lên bánh xe bị động Hình 2.5. Các lực tác dụng lên bánh xe. - Các lực tác dụng lên bánh xe chủ động: + Mô men qua Mk sinh ra lực kéo Pk + Lực bám T theo phương ngang. + Trọng lượng G theo phương đứng + Phản 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). - Các lực tác dụng lên bánh xe bị động: + Lực đẩy P do khung xe truyền xuống + Lực bám T tạo với P một ngẫu lực và gây quay + Trọng lực G + Phản lực R như bánh chủ động. 616 1.2.1. Lực bám của bánh xe với mặt đường (2/4) - Lực bám T là một lực bị động, khi Pk xuất hiện thì T mới xuất hiện; - 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 bánh xe sẽ bị quay tại chỗ, 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: Gb: là trọng lượng tác dụng lên bánh xe chủ động. Với xe con: Gb = (0,5÷0,55)G; Với xe tải : Gb = (0,65÷0,7)G. Trong đó, ϕ là hệ số bám của bánh xe đối với mặt đường. kGGT ][,.max ϕ= 17 1.2.1. Lực bám của bánh xe với mặt đường (3/4) 1. 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. 2. 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. 3. Tình trạng của mặt đường phải tốt, nếu mặt đường ẩm ướt thì lực bám giảm đi rất nhiều, bánh xe dễ bị trơn trượt. 4. 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: 0,7 0,5 0,3 Rất thuận lợi Bình thường Không thuận lợi Khô sạch Khô sạch Ẩm và bẩn Hệ số bám dínhĐiều kiện xe chạyTình trạng mặt đường - Ý nghĩa của hệ số bám ϕ 18 1.2.1. Lực bám của bánh xe với mặt đường (4/4) - Ý nghĩa của hệ số bám ϕ 5. Khi tốc độ xe chạy cao, hệ số bám giảm đi. Vì vậy đối với đường cao tốc, việc cấu tạo lớp mặt đủ nhám là rất quan trọng. 6. Điều kiện chuyển động của ôtô về mặt lực bám là: Lực kéo phải cân bằng với lực cản G PG G PT G PPD wkwwk −=−<−= .max ϕ kk GTP .max ϕ=< Từ công thức nhân tố động lực ta có: Mặt khác: dtg dvifD . .δ±±= Tổng hợp cả 2 điều kiện ta có điều kiện chung về chuyển động của ô tô là: G PGD dtg dvif wk −<=±± . . . ϕδ Lực kéo phải nhỏ hơn lực bám 719 1.2.2 Chiều dài hãm xe (1/3) Rất nhiều tính huống trên đường đòi hỏi người lái xe phải hãm phanh để giảm tốc độ hay dừng lại nhằm sử lý kịp thời tránh gây tai nạn giao thông. 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: Trong đó: ϕ: hệ số bám (hệ số ma sát) G: trọng lượng toàn bộ xe GTPh .max ϕ== 20 1.2.2 Chiều dài hãm xe (2/3) ( )iGGiGPTP ih ±=±=+= ϕϕ ...max Xét trường hợp xe đang chạy với vận tốc v1, muốn hãm phanh để chạy với tốc độ v2 thì theo nguyên lý bảo toàn cơ năng ta có: ( ) g GvvGiSPS hhh .2 ... 2 2 2 1 −=±= ϕ Từ đó tính được: )m( )i(g2 )vv(S 2 2 2 1 h ±ϕ −= (v: m/s) )m( )i(254 )VV(kS 2 2 2 1 h ±ϕ −= (V: km/h) Khi nào là dấu “+”? Khi nào là dấu “-”? Lúc này tất cả các lực cản đều tham gia vào quá trình hãm xe. Lực cản không khí không đáng kể vì xe chạy chậm lại, còn lực cản lăn thì nhỏ so với lực hãm và về bản chất cũng là lực ma sát. Đáng kể là dốc dọc, khi trị số dốc dọc lớn hơn 4%, chiều dài hãm phanh tăng giảm đáng kể. 21 1.2.2 Chiều dài hãm xe (3/3) Trong đó, k là hệ số sử dụng phanh. Hệ số này phải xét đến phanh cần có thời gian mới có tác dụng hoàn toàn và phần lớn các trường hợp người ta không phanh hết cỡ phanh. Hệ số này nên lấy k =1,2, với xe tải k = 1,3 -:- 1,4, trung bình nên dùng k = 1,2 Khi hãm xe hoàn toàn, V2 = 0, ta có: )( )(2 2 m ig vkSh ±= ϕ (v: m/s) )( )(254 2 m i VkSh ±= ϕ (V: km/h) 822 1.3 Tầm nhìn xe chạy Khi xe chạy trên đường, người lái xe phải nhìn thấy phía trước một khoảng cách nhất định để kịp thời xử lý các tình huống về đường, về giao thông trên đường: + Tránh các chướng ngại vật, chỗ hư hỏng, ổ gà... + Tránh xe, vượt xe... Chiều dài đoạn đường tối thiểu cần nhìn thấy phía trước để bảo đảm an toàn giao thông gọi là cự ly tầm nhìn. Khi thiết kế các yếu tố kỹ thuật trên bình đồ, trên trắc dọc, phải đảm bảo đủ tầm nhìn để xe chạy an toàn và thuận lợi. 23 Ta có 4 loại sơ đồ tầm nhìn tương ứng với 4 tình huống sau: 1. Xe cần hãm trước một chướng ngại vật tĩnh nằm trên mặt đường. 2. Hai xe chạy ngược chiều (cùng trên một làn) kịp hãm lại không đâm vào nhau. 3. Hai xe chạy ngược chiều trên cùng một làn tránh nhau và không giảm tốc độ. 4. Hai xe chạy cùng chiều có thể vượt nhau Trong phạm vi của môn học chỉ xét 2 loại tầm nhìn ứng với 2 sơ đồ 1 và sơ đồ 2: 1.3 Tầm nhìn xe chạy Sơ đồ 4 loại tầm nhìn 24 1.3.1 Sơ đồ 1: Sơ đồ tầm nhìn một chiều (1/2) Người lái xe phải nhìn thấy phía trước một khoảng cách an toàn để kịp thời dừng xe khi gặp phải chướng ngại vật cố định. lpư : là quãng đường xe đi được trong thời gian phản ứng tâm lý, thời gian này thường lấy là 1s Sh : là quãng đường xe đi được khi phanh tác dụng. lo: là k/cách an toàn trước chướng ngại vật, thường lấy = 5m-:-10m Sơ đồ tầm nhìn một chiều 925 1.3.1 Sơ đồ 1: Sơ đồ tầm nhìn một chiều (2/2) k - là hệ số sử dụng phanh k=1,1 ÷ 1,2 ϕ - hệ số bám i - độ dốc dọc (%) V - vận tốc xe (km/h) )( )(2546,3 2 1 mli VkVS o+±+= ϕ )( )(2 1. 2 1 mlig vkvS o+±+= ϕ V - vận tốc xe (m/s) V - vận tốc xe (km/h) 26 1.3.2 Sơ đồ 2: Tầm nhìn hai chiều (1/2) Hai xe cùng chạy trên một làn đường, hai người lái xe phải có một khoảng cách đủ để dừng xe và cách nhau một khoảng cách an toàn lo. Là khoảng để hai xe ngược chiều chạy trên cùng một làn dừng lại và cách nhau một khoảng cách an toàn lo. oohhpu li Vk i VkVlSSlS +−+++=+++= ).(254.).(254.6,3.2.2 22 212 ϕϕ 022 2 2 ).(254 .2 8,1 l i VkVS +−+= ϕ ϕ V - vận tốc xe (km/h) Sơ đồ tầm nhìn hai chiều 27 1.3.2 Sơ đồ 2: Tầm nhìn hai chiều (2/2) Vận dụng các sơ đồ tầm nhìn : Sơ đồ 1 là cơ bản nhất, nó được dùng để kiểm tra trong bất kỳ tình huống nào của đường. Theo sơ đồ này thì mắt của người lái xe đặt ở chiều cao 1,20m so với mặt đường và chướng ngại vật có chiều cao quy định là 0,15m. Sơ đồ 2 ít khi xảy ra nhưng có thể áp dụng với đường không có giải phân cách giữa và dùng để tính toán bán kính đường cong đứng. * Ngoài ra còn có các sơ đồ tầm nhìn tránh xe, vượt xe. 10 28 1.4. Ảnh hưởng của đường ô tô tới tiêu hao nhiên liệu (1/3) 29 1.4. Ảnh hưởng của đường ô tô tới tiêu hao nhiên liệu (2/3) Tổn hao nhiên liệu khi xe chạy chiếm một phần quan trọng trong giá thành vận tải. Tổn hao nhiên liệu phụ thuộc vào công suất tiêu hao để khắc phục các lực cản trên đường => tổn hao nhiên liệu phụ thuộc vào điều kiện của đường (tốt hay xấu) nên tính toán thường tiến hành với từng đoạn tuyến có điều kiện đường giống nhau. )100/()( 13 .. ..2700 . 2 100 kmlítifG VFkNqQ e ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ±+= γη Lượng tiêu hao nhiên liệu cho một xe chạy trên 100km đường được tính theo c/thức 30 1.4. Ảnh hưởng của đường ô tô tới tiêu hao nhiên liệu (3/3) Trong đó : qe : tỉ suất tiêu hao nhiên liệu [g/mãlực.giờ], thay đổi tuỳ theo vòng quay của động cơ, mức độ bơm xăng. N: công suất hiệu dụng do động cơ ôtô sản sinh ra để khắc phục sức cản của đường [mã lực]. V: vận tốc xe chạy, [km/h] γ: tỉ trọng của nhiên liệu, [g/cm3] η: hệ số hiệu dụng của cơ cấu truyền động của ôtô. Khi xe chạy trong thành phố, do điều kiện giao thông, người lái xe phải tăng, giảm tốc độ, dừng xe trước đèn tín hiệu khiến tiêu hao nhiên liệu tăng lên. Người ta đã chứng minh được rằng: tiêu hao nhiên liệu là tối ưu khi xe chạy với vận tốc : V = 50-100 km/h. Ngoài ra tiêu hao nhiên liệu còn phụ thuộc vào loại xe và chất lượng xe.