TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 1

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
được tất cả các lực cản : P
k
≥ ∑ P
cản
.
P
Pj
Pf
Pk

Pi

II - 2
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
+ Đ
ất cát rời rạc

0 ,04 – 0,05
0,04 – 0,05
0,07 – 0,15

0,15
–

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.
Ta có: P
i
=  G. sin
Do  nhỏ nên sin  tg = i
i – độ dốc dọc của đường.
Do đó: P
i
=  G. i (2-3)
Khi xe lên dốc lấy dấu “+” và khi xe xuống dốc lấy dấu “-“.
TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 3
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:
P
j

5: Cầu xe. 6: Bánh xe.
TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 4
Công suất hiệu dụng N của động cơ tạo nên mô quay M tại trục khuỷu của động
cơ :
N=
75
.wM
(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:
M
k
=M.i
k
..i
o
(kG.m).

k
phụ thuộc vào áp lực hơi trong lốp xe, cấu tạo của lốp và tải trọng tác
dụng trên lốp xe. Thường r
k
=(0,93-0,96)r

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 P
k
≥ ∑ P
cản

Như vậy, phương trình chuyển động của ô tô
P
k
=P
f
+ P
w
+ P
i
+ P
j

Hay P
k
= fG  Gi +

II
III
TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 5
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.
Khi chuyển động đều thì 0
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.
Có f, i  D
tt
=f  i  V
max
thực tế
Khi từ D dóng sang ngang cắt biểu đồ tại hai điểm thì chỉ có điểm ở bên phải

ifD .)(
max
dt
dv

gia tốc đủ để khởi động được không nhỏ hơn 1,5m/s
2
.
3. Xác định chiều dài cần thiết của đoạn gia tốc, giảm tốc
Xe đang chạy với tốc độ cân bằng v
1
ứng với điều kiện đường D
1
=f
1
i
1
chuyển
sang một tốc độ cân bằng mới v
2
có gia tốc dv/dt khi có điều kiện mới D
2
=f
2
i
2

 



gDD
dvv
dtvds
g
DD
g
ifD




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
Tại bánh xe chủ động mô men M
k
tác dụng lên mặt đường lực kéo P
k
và theo
định luật III Niuton mặt đường tác dụng trở lại bánh xe một lực T theo phương
ngang cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn với P
k
. 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.

max

Bằng thực nghiệm người ta tính được lực bám lớn nhất giữa bánh xe với mặt
đường theo công thức sau :
T
max
=.G
k
(kG).
G
k
: là thành phần trọng lực tác dụng lên trục chủ động
Xe con : G
k
=(0,5

0,55)G
Xe tải : G
k
=(0,65

0,7)G
: là hệ số bám của bánh xe đối với mặt đường.
ý nghĩa của hệ số bám .
- Hệ số bám  phụ thuộc vào độ mài 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.

DPGDP
G
PP
D
wk
wk
wk




.
.


Kết hợp với điều kiện chuyển động được của ô tô về mặt lực kéo ta có
TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 8
G
PG
D
dtg
dv
if
wk


.

men hãm M
h
và mô men này sinh ra lực hãm phanh P
h
.

Mh
rk
Pk
T
Pk
A

Hình 2.5 Sơ đồ phát sinh lực hãm xe

TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 9
Lực hãm phanh P
h
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:
P
h
= T
max
=  G
h

trong đó: i – độ dốc dọc của đường.
Gọi v
1
và v
2
(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 sinh ra trên chiều dài
hãm xe S
h
phải bằng động năng tiêu hao do tốc độ ô tô giảm từ v
1
xuống v
2
, tức là:
G(  i)S
h
=
22
2
2
2
1
2
2
2
1
vv
g
G
vv





2
.
2
2
2
1

Nếu tốc độ xe tính bằng km/h thì:
 
i254
VV
.kS
2
2
2
1
h



, m
Khi hãm xe, nếu xe dừng lại hẳn thì V
2
= 0, do đó:
 
i254

bảo được tầm nhìn này.
Trở ngại đối với tầm nhìn có thể xảy ra ở chỗ đường vòng trên bình đồ
(Hình 2.6a) hoặc cũng có 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 nó (Hình 2.7).
TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 11
S1
lpu
Sh
l0

Hình 2.7 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 1




, m
l
0
– Cự ly an toàn, thường lấy từ 5 – 10m;
Do đó:
 
0
2
1
l
i2g
v
k.vS 



, m
Nếu vận tốc V tính bằng km/h thì:
 
0
2
1
l
i254
V
k.
3,6

h1
+ l
0
+ S
h2
+ l
pu2
(m)
Trong đó:
l
pu1
, l
pu2
- 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:
l
1
= v
1
l
2
= v
2
, (m)
v
1
, v
2
– vận tốc của xe 1 và xe 2, m/s;
S

Do đó:
   
0
2
2
2
1
212
l
i2g
v
k
i2g
v
k.vvS 





, m
Nếu 2 xe chạy cùng tốc độ là V
1
= V
2
= V, vận tốc V tính bằng km/h thì:
 
0
22
2

Hình 2.9 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 3

Theo hình vẽ ta có: S
3
= l
1
+ l
2
+ l
0
+ l
3
+ l’
1
(m)
TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 13
Trong đó:
l
1
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: l
1
= v
1
, l’













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
nn
i
V




với φ
n
là hệ số bám ngang φ

v
l
1
2
2
1
2
3

, m
Do đó:
0
1
2
213
ar
v
v
2ar2vS lv  , m
Nếu 2 xe chạy cùng tốc độ V
1
= V
2
= V, km/h thì:
ml ,ar4
1,8
V
S
03



TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 14
Toàn bộ quá trình vượt xe không thay đổi tốc độ
1
1
3 3
1
2 22
S4
l1 l2 l'
l3
0
0
Sh1-Sh2
Sh2+l0

Hình 2.10 Tầm nhìn xe chạy theo sơ đồ 4

Ta có: S
4
= l
1
+ l
2
+l’
2
+ l

v
SSll
hhhh







Thay l
1
=v
1
, khai triển S
h1
và S
h2
; rút l
1
+l
2
ta có
)(2
)(
211
21
2
1
21









0
2
2
21
1
21
02
1
'
2
21
02
2
02
'
2
1
'
2
)(2
.
)(

)(
'
221
1
3
3
1
'
221
3
3
lll
v
v
l
v
lll
v
l


 (4)
Thay (2), (3), (4) vào (1) ta có
)1).((
1
3
'
2214
v
v

vv
v
S 


























Công thức trên có thể tính đơn giản hơn, nếu như người ta dùng thời gian

S
1
(m)
210 150 100 75 75 40 40 30 30 20
Tầm nhìn trước xe
ngược chiều S
2
(m)
- - 200 150 150 80 80 60 60 40
Tầm nhìn vượt xe
S
VX

(m)

- - 550 350 350 200 200 150 150 100 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
TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 16
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,

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
P
k
=(G+nQ
m
).(f±i)
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 mọt dự trữ nhất
định về lực kéo : ở chuyển só trực tiếp nhất phải khắc phục được dốc từ 1-1,5%, ở
chuyển số II phải khắc phục được độ dốc tối đa của đường
Khi xe kéo moóc, lực kéo của động cơ vẫn là P
k
nhưng trọng lượng phải kéo khác
đi, nhân tố động lực mới sẽ nhỏ đi nhiều
G
nQG
DD
nQG
G
DD
nQG
G
G
PP
nQG
PP
D

II - 17
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 chọn 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:
lít/100km,
10.V.γ
.Nq
1000.V.γ
.N.100q
Q
ee
100

trong đó:
q
e
– 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), q
e
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 q
e
= 250 - 300 g/mã lực giờ;
γ – dung trọng của nhiên liệu, g/lít.

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:
 
kmlít 100/,ifG
13
KFv
.2700.η
q
Q
2
e
100









TS. LÊ VĂN BÁCH THIẾT KẾ YẾU TỐ HÌNH HỌC ĐƯỜNG Ô TÔ II - 18
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).
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.
Các nhà khoa học đã chứng minh tiêu hao nhiên liệu tối ưu khi xe chạy với vận tốc