車輛超載主要安全隱患分析

周文輝 馬明月

公安部道路交通安全研究中心，北京100062，中國

車輛超載主要安全隱患分析

周文輝 馬明月

公安部道路交通安全研究中心，北京100062，中國

車輛超載對道路交通安全的危害極大，汽車載質(zhì)量過大會嚴重影響汽車的動力性、制動性、操縱穩(wěn)定性、零部件可靠性等性能，導(dǎo)致事故多發(fā)易發(fā)，加重事故的嚴重性，同時還會加劇道路基礎(chǔ)設(shè)施的損壞。本文借助人車路環(huán)境系統(tǒng)動力學(xué)理論和國內(nèi)外相關(guān)研究實踐，盡可能系統(tǒng)定量地闡述車輛超載對交通安全的不利影響及其機理，涉及事故發(fā)生率、事故嚴重性、車輛操縱穩(wěn)定性、車輛制動性能、車輛本身結(jié)構(gòu)和道路基礎(chǔ)設(shè)施等六個方面，以期為進一步的治理對策奠定基礎(chǔ)。

超載；交通安全；車輛；公路運輸

車輛總重量等質(zhì)量參數(shù)是車輛設(shè)計的基礎(chǔ)，是影響車輛性能，也是車輛安全性能的最重要參數(shù)。無論是汽車行業(yè)管理，還是交通安全管理，均將總重量作為車輛分類的最重要依據(jù)。載貨汽車以載貨運輸為主，實際載質(zhì)量變化幅度大，尤其是超載運輸，對車輛安全性能產(chǎn)生較大不利影響。本文以載貨汽車為主，重點分析超載對交通安全的不利影響，主要包括以下6個方面：超載對事故發(fā)生率的影響、超載對事故嚴重性的影響、超載對車輛操縱穩(wěn)定性的影響、超載對車輛制動性能的影響、超載對車輛本身結(jié)構(gòu)的影響、超載對道路基礎(chǔ)設(shè)施的影響等。

一、超載對事故發(fā)生率的影響

車輛超載使車輛比功率（發(fā)動機最大凈功率與機動車最大允許總質(zhì)量之比）下降，動力性的下降，對車輛自身來說，其并入車道、躲避障礙物、變更車道等能力均降低，容易引發(fā)交通事故；對整個交通流來說，車輛運行速度降低，降低了整個交通系統(tǒng)的運行效率，同時使得車輛間速度差變大，增大了事故發(fā)生的概率。

車輛超載對運行速度的影響，以較為常見的重型載貨自卸車舉例計算說明。目標計算車型為型號 ND3251B38J的北奔自卸車，查詢公告信息，該車有關(guān)參數(shù)如下：總質(zhì)量25000千克，整備質(zhì)量12400千克，發(fā)動機功率200千瓦，最高速度85千米/小時。該車核定載質(zhì)量為12.6噸，計算得知：超載30%時，超載量為3.8噸，最高車速下降為80千米/小時；超載50%時，超載量為6.3噸，最高車速下降為76千米/小時；超載100%時，超載量為12.6噸，最高車速下降為69千米/小時；超載200%時，超載量為25.2噸，最高車速下降為57千米/小時。需要說明的是，實際中上述超載水平均較為常見。上述最高車速是在良好水平路面，加速踏板踩至最大時計算得到的。實際行駛中，需要為克服路面坡度、路面不平，以及為躲避、超車等儲備一定的功率，速度難以達到上述最高車速。以上總結(jié)如下：超載越大，最高車速會越低，實際行駛速度也越低，導(dǎo)致超載車輛與其他車輛速度差也越大。

車輛間速度差越大，發(fā)生交通事故的概率也越大。美國聯(lián)邦公路局（FHWA）報告[1]，與零速度差時事故的發(fā)生概率相比，速度差為8千米/小時，事故概率變?yōu)?倍；速度差為16千米/小時時，事故概率變?yōu)?倍；速度差為24千米/小時，事故概率變?yōu)?倍；速度差為32千米/小時，事故概率變?yōu)?6倍。根據(jù)上述計算結(jié)果，假設(shè)交通流運行速度為85千米/小時（該數(shù)值符合我國實際較高等級公路情況），該車分別超載30%、50%、100%、200%時，事故概率分別為滿載時（行車速度也為85千米/小時）的1.5倍、2倍、4倍、11倍。

二、超載對事故嚴重性的影響

車輛超載使事故中人員傷亡的概率大大增加。原因如下：

1、車輛有效碰撞速度，是影響車內(nèi)人員死亡的最主要因素

兩物體在碰撞過程中，會有一個速度相等的瞬間（即“合為一體”），這一瞬間過后，兩物體不再接觸。物體碰撞初始速度與兩物體相同速度之間的速度差，稱為有效碰撞速度。有效速度主要用來衡量碰撞導(dǎo)致的物體速度變化，有效碰撞速度越大，表示碰撞過程中承受的動能沖擊越大。物體與鋼筋混凝土固定壁碰撞時，物體速度為零時兩物體達到“速度相等的瞬間”，在這種情況下，物體的有效碰撞速度即為初始的速度（也稱為“障壁碰撞速度”）。根據(jù)美國交通部下屬的聯(lián)邦公路局（FHWA）發(fā)布的報告[1]，車輛有效碰撞速度，是影響人員死亡的最主要因素。人員死亡概率與有效碰撞速度的關(guān)系如圖2所示。根據(jù)該圖，當(dāng)車輛有效碰撞速度達到65英里/小時（約合105千米/小時）時，該車司乘人員死亡的概率達到100%。另外，統(tǒng)計數(shù)據(jù)也表明，當(dāng)車輛有效碰撞速度達到70千米/小時，該車司乘人員的嚴重傷害概率大大增加。

2、碰撞兩車質(zhì)量比，是影響質(zhì)量較小車輛有效碰撞速度變大的最主要因素

影響車輛有效碰撞速度的最主要因素為碰撞時雙方車輛的質(zhì)量比。質(zhì)量較大的車輛有效碰撞速度值較小，人員傷亡概率也較小；質(zhì)量較小的車輛有效碰撞速度較大，人員傷亡概率也較大。根據(jù)動量守恒定律，碰撞時相對質(zhì)量較小車輛有效碰撞速度變化（豎軸，質(zhì)量較小車輛有效碰撞速度與碰撞前兩車速度和的比值）與碰撞雙方車輛質(zhì)量比（質(zhì)量較大車輛與質(zhì)量較小車輛質(zhì)量比值）關(guān)系如圖3所示。根據(jù)圖3，當(dāng)碰撞車輛質(zhì)量比為9時，質(zhì)量較小車輛有效碰撞速度達到碰撞前兩車合速度的90%；當(dāng)碰撞車輛質(zhì)量比為10時，質(zhì)量較小車輛實際上承擔(dān)了全部的速度變化，其有效碰撞速度實際上即為碰撞前兩車合速度，導(dǎo)致其有效碰撞速度急劇變大，車內(nèi)人員傷亡概率也大大增加；此時質(zhì)量較大車輛相當(dāng)于移動的鋼筋混凝土障壁，幾乎沒有吸收動量，能量幾乎全部由質(zhì)量較小車輛吸收。

目前，我國貨車超載嚴重，部分貨車甚至超載一倍以上。貨車超載量越大，其總質(zhì)量也越大，導(dǎo)致更多車輛相對質(zhì)量變小，大大增加了碰撞時該類相對質(zhì)量較小車輛車內(nèi)人員的傷亡風(fēng)險。另外，需要說明的是，道路中間護欄、路側(cè)護欄、橋梁護欄等一般是根據(jù)乘用車的質(zhì)量和重心高度水平設(shè)計的，超載貨車因為總重量大，很容易撞壞護欄，使護欄失去防護能力，同時因為重心高，很容易被護欄“絆倒”，出現(xiàn)側(cè)翻事故。

三、超載對車輛操縱穩(wěn)定性的影響

超載可引起側(cè)翻事故多發(fā)、過多轉(zhuǎn)向等問題，具體分析如下：

1、車輛超載使側(cè)翻事故發(fā)生的概率大大增加

汽車開始側(cè)翻時所受的側(cè)向加速度（g）稱為側(cè)翻閾值（rollover threshold），當(dāng)車輛受轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的離心力、撞擊路側(cè)障礙物、橫風(fēng)等側(cè)向力作用時，若產(chǎn)生的側(cè)向加速度大于該車輛側(cè)翻閾值，車輛就處于不平衡、不穩(wěn)定狀態(tài)，非常容易側(cè)翻。在水平路面，特定車輛的側(cè)翻閾值為B/2hg，其中B為輪距，hg為車輛質(zhì)心高度（重心高度），重型貨車質(zhì)心高度一般為154-216厘米之間，輪距一般在178-183厘米之間，計算可得側(cè)翻閾值在0.4-0.6之間[2]。車輛實際行駛中，由于車輛受到的轉(zhuǎn)彎離心力、橫風(fēng)、路側(cè)障礙物沖擊等側(cè)向力隨機發(fā)生，為減少側(cè)翻概率，一般認為車輛的側(cè)翻閾值應(yīng)大于0.38，圖4是美國密歇根大學(xué)根據(jù)美國道路交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的不同側(cè)翻閾值的半掛汽車列車每百萬英里側(cè)翻事故發(fā)生起數(shù)[3]。

由上述分析可知，重型貨車受到結(jié)構(gòu)特點影響，其側(cè)翻閾值在0.4-0.6之間，接近公認的側(cè)翻閾值推薦臨界值0.38，非常容易發(fā)生側(cè)翻。超載將導(dǎo)致車輛質(zhì)心提高，進一步降低側(cè)翻閾值。重型貨車質(zhì)心高度與側(cè)翻閾值的關(guān)系如圖5所示。結(jié)合圖4、圖5，以輪距為180cm，滿載時質(zhì)心高度為200cm的重型貨車為例，滿載時側(cè)翻閾值為0.45，超載導(dǎo)致重心升高100cm時，側(cè)翻閾值下降為0.30，此時側(cè)翻事故發(fā)生率變?yōu)闈M載時的2倍。

2、超載車輛容易出現(xiàn)因為激轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的側(cè)滑或翻車

汽車設(shè)計時，為保證車輛的方向穩(wěn)定性，一般將車輛質(zhì)心設(shè)計在中性轉(zhuǎn)向點之前，使汽車具有不足轉(zhuǎn)向性能。貨車一般在車身后部裝載貨物，當(dāng)超載時車輛后部重量變大，車輛質(zhì)心后移，超載越多，質(zhì)心后移越多，很有可能使車輛質(zhì)心移至中性轉(zhuǎn)向點之后，使得車輛具備過多轉(zhuǎn)向特性。此時，當(dāng)達到一定的車速時，車輛將失去轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，即只要極其微小的前輪轉(zhuǎn)角便會產(chǎn)生極大的橫擺角速度，轉(zhuǎn)向半徑變得極小，激轉(zhuǎn)過程中，非常容易發(fā)生側(cè)滑或翻車現(xiàn)象。

四、超載對車輛制動性能的影響

車輛超載一方面改變了制動力在各軸之間的合理分配，容易導(dǎo)致制動距離變長、制動時轉(zhuǎn)向失效、車輛甩尾、制動彎折等方面的事故；另一方面在下長坡等工況下，因為制動頻繁且強度大，容易使制動器發(fā)熱、損壞，進而影響制動效能甚至造成制動失效。制動系統(tǒng)隱患是造成交通事故的主要原因，據(jù)美國聯(lián)邦公路局（FHWA）報告[1]，涉及重中型客貨運車輛的碰撞事故，約30%以上均與制動系統(tǒng)安全隱患有關(guān)。

1、超載車輛容易發(fā)生制動距離變長、轉(zhuǎn)向失效、車輛甩尾、制動彎折等方面的事故

客貨車制動系統(tǒng)設(shè)計時，為保證獲得較大的制動效能，同時保證制動時的方向穩(wěn)定性，需要根據(jù)各軸軸荷和地面制動力情況，合理分配各軸之間的制動力。各軸制動力通常是在車輛滿載工況下設(shè)計分配的。超載越大，各軸軸荷與滿載時差別越大，制動效能和方向穩(wěn)定性等指標與設(shè)計初衷差別越大：一方面容易使制動效能降低，即制動距離變長，非常容易導(dǎo)致追尾、沖撞等事故。另一方面，為適應(yīng)超載，絕大多數(shù)貨車制動力往往設(shè)計過大，在非超載等情況下緊急制動時，非常容易出現(xiàn)地面制動力不足而導(dǎo)致某軸車輪抱死的情況，進而引發(fā)以下事故：當(dāng)前軸車輪抱死時，車輛將失去轉(zhuǎn)向能力；當(dāng)后軸車輪抱死時，出現(xiàn)后軸側(cè)滑，進而導(dǎo)致車輛甩尾現(xiàn)象；當(dāng)牽引車后軸車輪抱死時，將出現(xiàn)目前非常普遍的汽車列車制動“折彎”現(xiàn)象；當(dāng)掛車后軸車輪抱死時，將出現(xiàn)掛車左右搖擺等不穩(wěn)定狀況。

2、超載車輛下長坡時，容易出現(xiàn)制動器發(fā)熱、損壞等方面的事故

汽車下長坡時，為了保持安全車速，制動器就要較長時間連續(xù)地進行較大強度的制動。從能量角度看，下長坡將產(chǎn)生大量重力勢能，除空氣阻力、滾動阻力、發(fā)動機制動消耗掉一部分能量外，其他能量均是通過制動器發(fā)熱吸收的。制動器吸儲的能量中，一部分通過熱傳導(dǎo)、對流等方式消散，其余部分以熱能形式儲存在制動器中，這將導(dǎo)致制動器溫度急劇升高。溫度上升到一定程度時，有些摩擦片會出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，摩擦系數(shù)會有很大降低，制動效能嚴重衰退。圖6是兩種典型貨車鼓式制動器制動衰退程度與摩擦表面溫度的關(guān)系，從圖中可以看出，當(dāng)制動器表面溫度達到300℃時，制動效能會有30%左右的衰退，當(dāng)制動器表面溫度達到400℃時，制動效能會有60%左右的衰退[4]。隨著制動效能衰退，車輛制動距離將明顯變長，很容易因為無法控制速度而發(fā)生事故。另一方面，由于車輛安裝多個制動器，當(dāng)制動器溫度上升程度不同時，將導(dǎo)致各個制動器制動效能出現(xiàn)明顯差異，即出現(xiàn)制動不平衡現(xiàn)象，進而導(dǎo)致前述的失去轉(zhuǎn)向能力、側(cè)滑甩尾、制動折彎、掛車左右搖擺等方面的事故。

車輛超載，尤其是貨車在長達下坡超載，將會使制動器溫度急劇升高。圖7顯示的是不同超載情況下制動器的溫度上升情況。從圖中可以看出，以57.6千米/時的速度在5%的坡度勻速下坡時，滿載貨車在行駛8.2千米后，制動器溫度達到400℃，制動效能隨之降低約60%；要達到同樣的制動器溫度，超載30%車輛只須行駛7.2千米，超載50%車輛只須行駛6.5千米，超載100%車輛只須行駛5.2千米，超載200%車輛只須行駛3.9千米。

五、超載對車輛本身結(jié)構(gòu)的影響

超載可導(dǎo)致車輛傳動軸、半軸、車橋、輪胎等部件使用壽命縮短，發(fā)生意外的斷裂、破損，進而導(dǎo)致車輛側(cè)翻、碰撞等事故。

半軸、傳動軸、車橋斷裂與車輛超載關(guān)系說明如下：總質(zhì)量較大的客貨車輛主要使用全浮式半軸驅(qū)動車輪，半軸受到的主要是扭轉(zhuǎn)的力，半軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力指標一般為500-700MPa，超過該值就會導(dǎo)致半軸斷裂，而車輛質(zhì)量與半軸實際扭轉(zhuǎn)應(yīng)力成正比[6]，若車輛長期處于超載狀態(tài)，半軸實際應(yīng)力就會長期接近或超過指標值，半軸壽命大幅縮短，會發(fā)生突然的斷裂，導(dǎo)致車輛失去方向控制、激轉(zhuǎn)等，進而導(dǎo)致側(cè)翻、碰撞等事故。傳動軸、車橋與半軸的斷裂機理類似。需要說明的是，近年來上述事故發(fā)生較多。

輪胎爆胎與車輛超載關(guān)系說明如下：輪胎的負荷、速度級別都是高度標準化和系列化的。超載使輪胎長期超負荷運行，胎內(nèi)氣壓較高，導(dǎo)致胎內(nèi)溫度也較高，與地面附著性能下降，非常容易發(fā)生碰撞、爆胎等事故。需要說明的是，我國高海拔地形較多，海拔每升高1000米，大氣壓將降低9.8kPa。超載導(dǎo)致胎內(nèi)外氣壓差別變大，更容易發(fā)生爆胎事故。

六、超載對道路基礎(chǔ)設(shè)施的影響

超載可導(dǎo)致道路提前破損、橋梁垮塌、護欄等基礎(chǔ)設(shè)施嚴重破損等。分述如下：

道路破損與車輛超載關(guān)系說明如下：超載是使道路和長度較短橋梁提前破損的最主要原因。以黃河150型汽車為例，額定荷載100kN，總重170kN，如果超載100%，車總重達270kN，其對道路和長度較短橋梁的破壞相當(dāng)于7輛額定載荷車輛。若新建公路年平均日交通量為1000輛，設(shè)計年限15年，若全為平均超載60%的黃河150型車（車輛按年增長率10%計），該公路實際使用年限僅6.3年，使用壽命將縮短一半以上[7]。

長度較長橋梁垮塌原因與車輛總重量過大密切相關(guān)。

另外，如前所述，道路中間護欄、路側(cè)護欄、橋梁護欄等一般是根據(jù)乘用車的重量水平設(shè)計的，超載貨車總重量大，很容易撞毀護欄，導(dǎo)致護欄等基礎(chǔ)設(shè)施無法維修，造成巨大經(jīng)濟損失。

1、The U.S. Department of Transportation’s Comprehensive Truck Size and Weight Study： Volume II "Issues and Background", CHAPTER 5 "SAFETY AND TRAFFIC OPERATIONS". Publication Number: FHWAPL-00-029 (Volume II) HPTS/August 2000.

2、余志生. 汽車理論. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.

3、Paul S. Fancher, Kenneth L. Campbell. The U.S. Department of Transportation’s Truck Size and Weight Study Phase I: Working Papers 1 and 2 combined "Vehicle Characteristics Affecting Safety". University of Michigan Transportation Research Institute February 6, 1995.

4、B.英格蘭姆，D.皮斯勒. “汽車單車的制動系統(tǒng)”，汽車制動文集. 北京：人民交通出版社.

5、P. Fancher, C. Wider, M. Campbell. "The Influence of Braking Strategy on Brake Temperatures in Mountain Descents". Sponsored by Federal Highway Administration U.S. Department of Transportation, UMTRI, March, 1992.

6、王望予. 汽車設(shè)計. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.

7、梅榮利. 超載對道路使用性能的影響及超載系數(shù)的合理確定. 天津建設(shè)科技，(2003. 2).

The main potential safety risk analysis of overloading

ZHOU Wenhui MA MingyueRoad Traffic Safety Research Center of the Ministry of Public Security, Beijing 100062, China

Overloading has great damaging effect on road traffic safety. Too large vehicle mass can seriously affect power performance, braking characteristics, handling stability of the vehicle and reliability of vehicle parts. It can lead to accident-prone, increase severity of accident and exacerbate damage to road infrastructure. Based on driver-vehicle-road environment system dynamics theory and related research at home and abroad, this paper systematically and quantitatively proposed the adverse effect of overloading on road traffic safety and its mechanism, concerning six aspects: accident rate, accident severity, handling stability, braking characteristics, vehicles structure and road infrastructure, in order to lay the foundation for further governance strategy of overloading.

Overloading; traffic safety; vehicle; road transportation