高速公路長大下坡路段貨車安全行駛影響因素的探討

邢 錦，苑中丹

（天津市政工程設(shè)計研究院，天津市300051）

0 引言

從1988年我國第一條高速公路在上海建成通車以來，我國高速公路建設(shè)一直處于高速發(fā)展階段。尤其是近10年來，我國的高速公路建設(shè)突飛猛進(jìn)。截至2009年底，高速公路通車總里程達(dá)到6.5萬km，位列世界第二。

2004年12月17日，國務(wù)院審議通過《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》，采用放射線與縱橫網(wǎng)格相結(jié)合的布局方案，形成由中心城市向外放射以及橫連東西、縱貫?zāi)媳钡拇笸ǖ溃?條首都放射線、9條南北縱向線和18條東西橫向線組成，簡稱為“7918網(wǎng)”，總規(guī)模約8.5萬km。其中東部地區(qū)建設(shè)里程2.5萬km，中部地區(qū)建設(shè)里程2.4萬km，西部地區(qū)建設(shè)里程3.6萬km?？梢钥闯?，“7918”網(wǎng)規(guī)劃中西部地區(qū)建設(shè)任務(wù)最為繁重，而我國西部地區(qū)地形極為復(fù)雜，多被山嶺覆蓋，高速公路建設(shè)必須克服很大高差，同時又要避免平面出現(xiàn)過多急彎設(shè)計。這樣就造成縱斷面設(shè)計中有較多的長大下坡路段。長大下坡歷來是我國高速公路交通事故率居高不下的路段，且重特大事故較多，事故車型中貨車比例相對較高。對事故形態(tài)分析表明，大部分事故是因為制動失效而發(fā)生。車輛，尤其是重型車，在連續(xù)下坡路段持續(xù)的下坡行駛中，駕駛員為控制因下坡不斷增加的車速而頻繁采用剎車制動，剎車制動時產(chǎn)生的大量熱量被制動器吸收，引起制動器溫度升高，當(dāng)制動器溫度過高時會出現(xiàn)“熱衰退”現(xiàn)象，使得車輛制動能力下降，甚至失效，最終導(dǎo)致車速無法控制而引起交通事故。這些路段雖然平縱線形指標(biāo)都符合現(xiàn)行《公路路線設(shè)計規(guī)范》和《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，也設(shè)置了相應(yīng)的避險車道，但交通事故發(fā)生的幾率仍較高。這是由于縱坡指標(biāo)的規(guī)定主要考慮的是重型車的爬坡性能和工程造價，而缺乏對重型車下坡安全性和駕駛員駕駛習(xí)慣的考慮。所以，研究長大下坡貨車安全的影響因素，不僅對山區(qū)高速公路交通運輸系統(tǒng)安全性的提高有著重要的意義，同時也對保護(hù)人民生命和社會財產(chǎn)有著積極的作用。

1 駕駛員的影響

1.1 駕駛員的反應(yīng)能力

駕駛員的反應(yīng)能力主要體現(xiàn)在制動反應(yīng)時間上。駕駛員從發(fā)現(xiàn)障礙物到制動器起作用，這段延滯時間稱為制動反應(yīng)時間。這一過程可用圖1來表示。

制動反應(yīng)時間包括三部分：一是反應(yīng)時間；二是判斷時間；三是動作時間。駕駛員反應(yīng)的快慢與駕駛安全息息相關(guān)。因此在進(jìn)行長大下坡道路設(shè)計、標(biāo)志標(biāo)線設(shè)計以及相應(yīng)的安全裝置設(shè)計時，要將駕駛員的反應(yīng)時間考慮進(jìn)去。不僅使駕駛員能夠及時地感知交通條件的變化，而且能夠及時、準(zhǔn)確地做出反應(yīng)，從容地進(jìn)行車輛控制，保證其下坡的安全性。

1.2 駕駛行為

在分析長大下坡駕駛員駕駛行為時，主要考慮下坡使用檔位情況、采取制動情況等方面問題。

大型車輛在長大下坡中應(yīng)使用低檔位，采用發(fā)動機輔助制動來平衡由于車輛自重帶來的下坡力，以減輕其行車制動器的負(fù)荷強度。但在實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)下坡時，駕駛員都采用發(fā)動機制動的輔助制動方式。調(diào)查顯示：大貨車駕駛員在下坡過程中多采用最高檔下坡，較少采用次高檔位，而更低檔位的使用率很低。這是因為駕駛員在下坡過程中，往往抱有僥幸心理，考慮近期利益，總想多拉快跑而忽視行車安全。雖然在下坡過程中采用低檔位滑行會降低車速和緩解駕駛員的壓力，但由于高速低檔滑行會加劇發(fā)動機的磨損，因此，出于對車輛的最小磨損和最短運行時間的考慮，除了制動失效的情況，大部分貨車駕駛員都盡可能采用較高檔位下坡。這一駕駛習(xí)慣應(yīng)在長大下坡設(shè)計中充分考慮進(jìn)去。

在制動使用方面，下坡過程中駕駛員均采用發(fā)動機制動的輔助制動方式；排氣制動的使用率各地區(qū)差異較大。所以，發(fā)動機制動勢必會造成輪轂溫度的不斷上升，最終可能導(dǎo)致輪轂溫度超過極限溫度，造成剎車失靈。而使用排氣制動后，輪轂溫度變化情況又會有所不同，圖2是車重23.06 t，車速50 km/h時，分別沒有使用排氣制動掛8檔和使用排氣制動掛8檔，制動器溫度隨長大下坡里程的變化情況。

從表1、表2和圖2、圖3中可以看出，不使用排氣制動時，線性回歸斜率為0.24；使用排氣制動時，線性回歸斜率為0.13。明顯使用排氣制動后溫度升高速度較慢，也就是說使用排氣制動對于貨車長大下坡更加安全。但由于排氣制動裝置不是所有的大貨車都安裝，而且使用率各地的差異也較大，所以在長大下坡設(shè)計時，應(yīng)考慮非排氣制動狀態(tài)下是否安全，因為如果在非排氣制動下，貨車下坡是安全的，那么使用排氣制動裝置會更加安全。

表1 模型匯總和參數(shù)估計值（一）

表2 模型匯總和參數(shù)估計值（二）

2 車輛的影響

2.1 貨車自重的影響

貨車自重對下坡安全主要有兩方面的影響：一是對制動器溫度的影響；二是對側(cè)向穩(wěn)定性的影響。

圖 4為同一輛載重貨車 27.75 t、23.06 t、20.09 t、16.91 t四個不同載重時，通過典型長大下坡路段后的制動器溫度變化情況，用stata進(jìn)行車重與制動器溫度關(guān)系的趨勢圖分析，圖4為不同車重與制動器溫度變化關(guān)系圖。

從圖4中可以看出，在同一路段上，車重越大，制動器溫度變化越急劇，溫度變化幅度也越大。所以，這與重載車輛或者超載車輛是貨車發(fā)生事故的主要原因的實際情況相符合。超載使車輛制動性能無法與實際車輛載重匹配，導(dǎo)致車輛制動后，制動器溫度急劇增高，發(fā)生制動性能衰減，進(jìn)而引發(fā)追尾、墜山等惡性交通事故?，F(xiàn)在許多生產(chǎn)載重汽車的廠商應(yīng)客戶需求紛紛私下改裝車輛，加高車廂槽幫、增加車輛載重能力或大噸位承載低噸位標(biāo)注，但是車輛制動能力并沒有實質(zhì)性提高，因而為車輛超載導(dǎo)致的制動失效埋下了隱患。

車重對車輛的側(cè)向穩(wěn)定性也有一定的影響。貨車隨裝載貨物的增加，貨物的重心也在不斷提高，且不斷偏向車廂的一側(cè)。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時車速過高，轉(zhuǎn)彎過急，致使離心力太大時，易產(chǎn)生側(cè)翻。

2.2 下坡車速的影響

貨車車速對下坡安全的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是不同車速對制動器溫度的影響，即對制動熱衰退的影響；二是對車輛側(cè)向穩(wěn)定性的影響。

首先，討論車速對制動器溫度的影響。圖5為同一車輛、同一載重狀態(tài)下，分別以40 km/h，45 km/h，50 km/h，60 km/h四個不同車速通過典型長大下坡路段后的制動器溫度變化情況，用stata進(jìn)行車速與制動器溫度關(guān)系的趨勢分析，從圖5中可看出車速與制動器溫度變化。

從圖5中可以看出，在同一路段上，車速越小，制動器溫度變化越急劇，溫度變化幅度也越大。所以從制動器升溫變化角度考慮，同樣的車輛和行駛條件下，車速越快，制動器升溫速度越慢，行駛越安全。

但車速對貨車的緊急制動的影響恰恰是相反的。在這里我們假設(shè)一次緊急停車的時間足夠短，散熱可以被忽略，那么，貨車的動能全部轉(zhuǎn)換為熱能，被輪轂吸收。所以，給出公式，表示這一關(guān)系：

式（1）中：M——車輛自重，kg；

V——計算車速，km/h；

Cg——輪轂比熱容，J/kg·℃；

mg——輪轂質(zhì)量，kg；

ΔT——輪轂升高溫度，℃；

KT——非線性系數(shù)。

從公式（1）可以看出，車輛在緊急制動時，隨著車輛自重、車速的增加，制動器需要吸收的熱量也不斷增加。所以，當(dāng)重載或超載貨車車速過高時，就會造成緊急制動還沒有完成，制動器溫度已經(jīng)超過極限溫度，剎車失靈，釀成嚴(yán)重的交通事故。

綜上所述，車速對制動器溫度的影響是雙方面的：當(dāng)車輛在一般行駛而沒有進(jìn)行緊急制動時，車速越高，制動器升溫速度越慢，行駛越安全；當(dāng)車輛進(jìn)行緊急制動時，車速越高，制動器溫度升高越快，安全性越低。

3 道路的影響

3.1 縱斷面的影響

長大下坡路段的縱斷面形式往往是一個長陡坡后加入一個較短的緩坡，然后再加入一個長陡坡，以此類推。這種縱斷面形式最容易造成：大貨車下坡由于坡度過陡，一開始就頻繁制動，為獲得一個較安全的車速；然后由于長陡坡一個接一個，而緩坡距離又很短，所以就使車輛還沒有到達(dá)整個長大下坡的坡底而制動器溫度已經(jīng)超過極限溫度，剎車失靈，導(dǎo)致車禍?？v斷面設(shè)計中對長大下坡貨車安全影響最大的就是縱坡和坡長兩個因素，而這兩個因素又不能單獨隔離來看。法國SETRA關(guān)于長大縱坡的研究成果表明，將d·p值作為風(fēng)險指數(shù)（p為長大下坡縱坡平均坡度，%；d為長大下坡縱坡坡長）。

當(dāng)d·p＜130時,坡道上不會發(fā)生過度風(fēng)險；當(dāng)d·p≥130且p≥3%時，坡道上的事故率開始隨著d·p值的增加而增加；當(dāng)p＜3%時，無論d·p值是多少均不會產(chǎn)生風(fēng)險。對于長大下坡路段，則有公式：

式（2）中：i——長大下坡路段上的單一縱坡坡度；

l——單一縱坡坡長；

∑i·l——長大下坡路段累計的坡度×坡長。

3.2 平曲線的影響

平曲線路段是山區(qū)高速公路交通事故的多發(fā)段。連續(xù)長大下坡路段如果伴有小半徑曲線段，在曲線段車輛轉(zhuǎn)彎，需要滿足轉(zhuǎn)彎車輛力的平衡。在彎道處，車輛行駛速度越快，所需離心力越大，要求路面提供的側(cè)向摩擦力越大，由此引起的駕駛操作越發(fā)困難。離心力的大小與曲線的曲率有關(guān)系，在同一速度條件下，曲率越大，即曲線半徑越小，離心力越大。根據(jù)國內(nèi)外研究，半徑越小，交通事故越多，即曲率越大，事故率越大。尤其曲率在10以上時事故率急速增高，曲率與交通事故率的關(guān)系見表3。

表3 曲線與交通事故率的關(guān)系

因此，為保證人身安全，對曲線最小半徑有如下規(guī)定：

式（3）中：R——曲線最小半徑，m；

V——計算車速，km/h；

ih——最大超高橫坡；

μ——橫向力系數(shù)。

橫向力系數(shù)μ的大小，影響駕駛員和乘客的情緒緊張或舒適，如果μ過小，駕駛員為減少離心力會采用大回轉(zhuǎn)，車輛容易離開車道，增大了發(fā)生事故的可能性。另外，彎道上行駛的汽車在橫向力作用下輪胎會產(chǎn)生橫向變形，是輪胎的中間平面與輪跡前進(jìn)方向形成一個橫向偏移角，從而造成汽車方向操縱困難，特別是汽車的車速較高時，如果橫向偏移角超過5°，司機就很難保持駕駛方向的穩(wěn)定，從而導(dǎo)致翻車事故的發(fā)生。當(dāng)車輛剎車失靈，行車速度隨著坡長增加而增加，速度達(dá)到一定數(shù)值，在一些曲線段就可能出現(xiàn)側(cè)翻、側(cè)滑沖出路外的危險發(fā)生。

3.3 路面摩擦的影響

車輛在道路上行駛的安全性與路面特性有著極大的相關(guān)性，車輛在長大下坡路段可能的基本駕駛行為均與路面的抗滑性能有關(guān)。汽車在行駛中，輪胎和路面間力的傳輸是通過摩擦力。摩擦力可分解為縱向摩擦力和橫向摩擦力。直線行駛的車輛縱向驅(qū)動引力或剎車阻力與行車方向平行，與路面構(gòu)成最大縱向摩擦力；當(dāng)車輛前輪在縱軸方向有一定的偏角時，會產(chǎn)生一個橫（側(cè)）向力與路面構(gòu)成橫向摩擦力。當(dāng)縱向摩擦力和橫向摩擦力同時產(chǎn)生時，其組合力不應(yīng)該超過最大摩擦力。

當(dāng)汽車在高速公路自由滑行時，在路面摩阻力產(chǎn)生的各種原因中，胎面橡膠的彈性變形是主要因素。汽車輪胎與路面的接觸區(qū)域?qū)a(chǎn)生法向和切向的相互作用力并相應(yīng)地使輪胎和支承路面變形，在高速公路上輪胎變形是主要的。滾動阻力與輪胎的結(jié)構(gòu)、材料、氣壓、路面種類以及行車速度有關(guān)。

當(dāng)大貨車在下坡過程中持續(xù)制動時，車輪上還會有縱向力的作用，在輪胎與路面的接觸點處將會產(chǎn)生縱向相對運動或相對運動的趨勢，從而使輪胎中心的縱向速度與其圓周上的線速度產(chǎn)生差異，這種差異的大小可用滑移率來表示。由于輪胎是一個彈性體，且輪胎與路面間的接觸區(qū)域是一個面積較大的近似矩形，在縱向力的作用下，輪胎可通過接觸區(qū)域的局部切向彈性變形來產(chǎn)生與路面間的摩擦力。但此時輪胎與路面間在接觸區(qū)域沒有發(fā)生宏觀相對運動，因此摩擦仍可看作是靜摩擦。此時摩擦力的大小與滑移率有關(guān)。

綜上，路面是車輛行駛的物質(zhì)載體，路面抗滑阻力是車輪滾動的基礎(chǔ)。為了保證貨車在長大下坡路段勻速行駛，如果路面摩擦系數(shù)越高，貨車需要主動制動的制動力就越少，那么制動器升溫就越慢，而側(cè)向滑移的可能性也越低。

4 結(jié)語

本文主要從駕駛員、車輛、道路三方面分別研究各個因素與長大下坡貨車行駛安全性的關(guān)系。駕駛員的具體影響因素有：由于駕駛員受到反應(yīng)能力的限制所以不能頻繁轉(zhuǎn)換車速；低檔位制動器升溫速度較慢，但駕駛員往往為了爭取最快的下坡速度而采用最高檔位下坡，使用次高檔位的情況都較少；一般情況下，均會采用發(fā)動機制動，而使用排氣制動的情況各地區(qū)不同。大貨車的具體影響因素有：車輛自重越大，制動器溫度變化越快，貨物的重心越高且不斷偏向車廂的一側(cè)，轉(zhuǎn)彎過急時，越易產(chǎn)生側(cè)翻；一般行駛時，車速越高，制動器升溫速度越慢，行駛越安全，而緊急制動時，車速越高，制動器溫度升高越快，安全性越低。道路的具體影響因素有：縱斷面隨下坡累計坡度×坡長即高程差值的增加，制動器升溫幅度也不斷增大；平曲線半徑越小，越易發(fā)生側(cè)翻和側(cè)移；路面摩擦系數(shù)越高，貨車需要主動制動的制動力就越少，那么制動器升溫就越慢，而側(cè)向滑移的可能性也越低。以上這些因素均是通過對制動器升溫的變化和車輛側(cè)向穩(wěn)定性來影響貨車下坡的安全性，所以可以從保證這兩方面的安全性來保證貨車長大下坡的安全性。