高速公路长大下坡路段货车安全行驶影响因素的探讨

邢 锦，苑中丹

（天津市政工程设计研究院，天津市300051）

0 引言

从1988年我国第一条高速公路在上海建成通车以来，我国高速公路建设一直处于高速发展阶段。尤其是近10年来，我国的高速公路建设突飞猛进。截至2009年底，高速公路通车总里程达到6.5万km，位列世界第二。

2004年12月17日，国务院审议通过《国家高速公路网规划》，采用放射线与纵横网格相结合的布局方案，形成由中心城市向外放射以及横连东西、纵贯南北的大通道，由7条首都放射线、9条南北纵向线和18条东西横向线组成，简称为“7918网”，总规模约8.5万km。其中东部地区建设里程2.5万km，中部地区建设里程2.4万km，西部地区建设里程3.6万km。可以看出，“7918”网规划中西部地区建设任务最为繁重，而我国西部地区地形极为复杂，多被山岭覆盖，高速公路建设必须克服很大高差，同时又要避免平面出现过多急弯设计。这样就造成纵断面设计中有较多的长大下坡路段。长大下坡历来是我国高速公路交通事故率居高不下的路段，且重特大事故较多，事故车型中货车比例相对较高。对事故形态分析表明，大部分事故是因为制动失效而发生。车辆，尤其是重型车，在连续下坡路段持续的下坡行驶中，驾驶员为控制因下坡不断增加的车速而频繁采用刹车制动，刹车制动时产生的大量热量被制动器吸收，引起制动器温度升高，当制动器温度过高时会出现“热衰退”现象，使得车辆制动能力下降，甚至失效，最终导致车速无法控制而引起交通事故。这些路段虽然平纵线形指标都符合现行《公路路线设计规范》和《公路工程技术标准》的要求，也设置了相应的避险车道，但交通事故发生的几率仍较高。这是由于纵坡指标的规定主要考虑的是重型车的爬坡性能和工程造价，而缺乏对重型车下坡安全性和驾驶员驾驶习惯的考虑。所以，研究长大下坡货车安全的影响因素，不仅对山区高速公路交通运输系统安全性的提高有着重要的意义，同时也对保护人民生命和社会财产有着积极的作用。

1 驾驶员的影响

1.1 驾驶员的反应能力

驾驶员的反应能力主要体现在制动反应时间上。驾驶员从发现障碍物到制动器起作用，这段延滞时间称为制动反应时间。这一过程可用图1来表示。

制动反应时间包括三部分：一是反应时间；二是判断时间；三是动作时间。驾驶员反应的快慢与驾驶安全息息相关。因此在进行长大下坡道路设计、标志标线设计以及相应的安全装置设计时，要将驾驶员的反应时间考虑进去。不仅使驾驶员能够及时地感知交通条件的变化，而且能够及时、准确地做出反应，从容地进行车辆控制，保证其下坡的安全性。

1.2 驾驶行为

在分析长大下坡驾驶员驾驶行为时，主要考虑下坡使用档位情况、采取制动情况等方面问题。

大型车辆在长大下坡中应使用低档位，采用发动机辅助制动来平衡由于车辆自重带来的下坡力，以减轻其行车制动器的负荷强度。但在实际调查中发现，连续下坡时，驾驶员都采用发动机制动的辅助制动方式。调查显示：大货车驾驶员在下坡过程中多采用最高档下坡，较少采用次高档位，而更低档位的使用率很低。这是因为驾驶员在下坡过程中，往往抱有侥幸心理，考虑近期利益，总想多拉快跑而忽视行车安全。虽然在下坡过程中采用低档位滑行会降低车速和缓解驾驶员的压力，但由于高速低档滑行会加剧发动机的磨损，因此，出于对车辆的最小磨损和最短运行时间的考虑，除了制动失效的情况，大部分货车驾驶员都尽可能采用较高档位下坡。这一驾驶习惯应在长大下坡设计中充分考虑进去。

在制动使用方面，下坡过程中驾驶员均采用发动机制动的辅助制动方式；排气制动的使用率各地区差异较大。所以，发动机制动势必会造成轮毂温度的不断上升，最终可能导致轮毂温度超过极限温度，造成刹车失灵。而使用排气制动后，轮毂温度变化情况又会有所不同，图2是车重23.06 t，车速50 km/h时，分别没有使用排气制动挂8档和使用排气制动挂8档，制动器温度随长大下坡里程的变化情况。

从表1、表2和图2、图3中可以看出，不使用排气制动时，线性回归斜率为0.24；使用排气制动时，线性回归斜率为0.13。明显使用排气制动后温度升高速度较慢，也就是说使用排气制动对于货车长大下坡更加安全。但由于排气制动装置不是所有的大货车都安装，而且使用率各地的差异也较大，所以在长大下坡设计时，应考虑非排气制动状态下是否安全，因为如果在非排气制动下，货车下坡是安全的，那么使用排气制动装置会更加安全。

表1 模型汇总和参数估计值（一）

表2 模型汇总和参数估计值（二）

2 车辆的影响

2.1 货车自重的影响

货车自重对下坡安全主要有两方面的影响：一是对制动器温度的影响；二是对侧向稳定性的影响。

图 4为同一辆载重货车 27.75 t、23.06 t、20.09 t、16.91 t四个不同载重时，通过典型长大下坡路段后的制动器温度变化情况，用stata进行车重与制动器温度关系的趋势图分析，图4为不同车重与制动器温度变化关系图。

从图4中可以看出，在同一路段上，车重越大，制动器温度变化越急剧，温度变化幅度也越大。所以，这与重载车辆或者超载车辆是货车发生事故的主要原因的实际情况相符合。超载使车辆制动性能无法与实际车辆载重匹配，导致车辆制动后，制动器温度急剧增高，发生制动性能衰减，进而引发追尾、坠山等恶性交通事故。现在许多生产载重汽车的厂商应客户需求纷纷私下改装车辆，加高车厢槽帮、增加车辆载重能力或大吨位承载低吨位标注，但是车辆制动能力并没有实质性提高，因而为车辆超载导致的制动失效埋下了隐患。

车重对车辆的侧向稳定性也有一定的影响。货车随装载货物的增加，货物的重心也在不断提高，且不断偏向车厢的一侧。当转弯时车速过高，转弯过急，致使离心力太大时，易产生侧翻。

2.2 下坡车速的影响

货车车速对下坡安全的影响主要体现在两个方面：一是不同车速对制动器温度的影响，即对制动热衰退的影响；二是对车辆侧向稳定性的影响。

首先，讨论车速对制动器温度的影响。图5为同一车辆、同一载重状态下，分别以40 km/h，45 km/h，50 km/h，60 km/h四个不同车速通过典型长大下坡路段后的制动器温度变化情况，用stata进行车速与制动器温度关系的趋势分析，从图5中可看出车速与制动器温度变化。

从图5中可以看出，在同一路段上，车速越小，制动器温度变化越急剧，温度变化幅度也越大。所以从制动器升温变化角度考虑，同样的车辆和行驶条件下，车速越快，制动器升温速度越慢，行驶越安全。

但车速对货车的紧急制动的影响恰恰是相反的。在这里我们假设一次紧急停车的时间足够短，散热可以被忽略，那么，货车的动能全部转换为热能，被轮毂吸收。所以，给出公式，表示这一关系：

式（1）中：M——车辆自重，kg；

V——计算车速，km/h；

Cg——轮毂比热容，J/kg·℃；

mg——轮毂质量，kg；

ΔT——轮毂升高温度，℃；

KT——非线性系数。

从公式（1）可以看出，车辆在紧急制动时，随着车辆自重、车速的增加，制动器需要吸收的热量也不断增加。所以，当重载或超载货车车速过高时，就会造成紧急制动还没有完成，制动器温度已经超过极限温度，刹车失灵，酿成严重的交通事故。

综上所述，车速对制动器温度的影响是双方面的：当车辆在一般行驶而没有进行紧急制动时，车速越高，制动器升温速度越慢，行驶越安全；当车辆进行紧急制动时，车速越高，制动器温度升高越快，安全性越低。

3 道路的影响

3.1 纵断面的影响

长大下坡路段的纵断面形式往往是一个长陡坡后加入一个较短的缓坡，然后再加入一个长陡坡，以此类推。这种纵断面形式最容易造成：大货车下坡由于坡度过陡，一开始就频繁制动，为获得一个较安全的车速；然后由于长陡坡一个接一个，而缓坡距离又很短，所以就使车辆还没有到达整个长大下坡的坡底而制动器温度已经超过极限温度，刹车失灵，导致车祸。纵断面设计中对长大下坡货车安全影响最大的就是纵坡和坡长两个因素，而这两个因素又不能单独隔离来看。法国SETRA关于长大纵坡的研究成果表明，将d·p值作为风险指数（p为长大下坡纵坡平均坡度，%；d为长大下坡纵坡坡长）。

当d·p＜130时,坡道上不会发生过度风险；当d·p≥130且p≥3%时，坡道上的事故率开始随着d·p值的增加而增加；当p＜3%时，无论d·p值是多少均不会产生风险。对于长大下坡路段，则有公式：

式（2）中：i——长大下坡路段上的单一纵坡坡度；

l——单一纵坡坡长；

∑i·l——长大下坡路段累计的坡度×坡长。

3.2 平曲线的影响

平曲线路段是山区高速公路交通事故的多发段。连续长大下坡路段如果伴有小半径曲线段，在曲线段车辆转弯，需要满足转弯车辆力的平衡。在弯道处，车辆行驶速度越快，所需离心力越大，要求路面提供的侧向摩擦力越大，由此引起的驾驶操作越发困难。离心力的大小与曲线的曲率有关系，在同一速度条件下，曲率越大，即曲线半径越小，离心力越大。根据国内外研究，半径越小，交通事故越多，即曲率越大，事故率越大。尤其曲率在10以上时事故率急速增高，曲率与交通事故率的关系见表3。

表3 曲线与交通事故率的关系

因此，为保证人身安全，对曲线最小半径有如下规定：

式（3）中：R——曲线最小半径，m；

V——计算车速，km/h；

ih——最大超高横坡；

μ——横向力系数。

横向力系数μ的大小，影响驾驶员和乘客的情绪紧张或舒适，如果μ过小，驾驶员为减少离心力会采用大回转，车辆容易离开车道，增大了发生事故的可能性。另外，弯道上行驶的汽车在横向力作用下轮胎会产生横向变形，是轮胎的中间平面与轮迹前进方向形成一个横向偏移角，从而造成汽车方向操纵困难，特别是汽车的车速较高时，如果横向偏移角超过5°，司机就很难保持驾驶方向的稳定，从而导致翻车事故的发生。当车辆刹车失灵，行车速度随着坡长增加而增加，速度达到一定数值，在一些曲线段就可能出现侧翻、侧滑冲出路外的危险发生。

3.3 路面摩擦的影响

车辆在道路上行驶的安全性与路面特性有着极大的相关性，车辆在长大下坡路段可能的基本驾驶行为均与路面的抗滑性能有关。汽车在行驶中，轮胎和路面间力的传输是通过摩擦力。摩擦力可分解为纵向摩擦力和横向摩擦力。直线行驶的车辆纵向驱动引力或刹车阻力与行车方向平行，与路面构成最大纵向摩擦力；当车辆前轮在纵轴方向有一定的偏角时，会产生一个横（侧）向力与路面构成横向摩擦力。当纵向摩擦力和横向摩擦力同时产生时，其组合力不应该超过最大摩擦力。

当汽车在高速公路自由滑行时，在路面摩阻力产生的各种原因中，胎面橡胶的弹性变形是主要因素。汽车轮胎与路面的接触区域将产生法向和切向的相互作用力并相应地使轮胎和支承路面变形，在高速公路上轮胎变形是主要的。滚动阻力与轮胎的结构、材料、气压、路面种类以及行车速度有关。

当大货车在下坡过程中持续制动时，车轮上还会有纵向力的作用，在轮胎与路面的接触点处将会产生纵向相对运动或相对运动的趋势，从而使轮胎中心的纵向速度与其圆周上的线速度产生差异，这种差异的大小可用滑移率来表示。由于轮胎是一个弹性体，且轮胎与路面间的接触区域是一个面积较大的近似矩形，在纵向力的作用下，轮胎可通过接触区域的局部切向弹性变形来产生与路面间的摩擦力。但此时轮胎与路面间在接触区域没有发生宏观相对运动，因此摩擦仍可看作是静摩擦。此时摩擦力的大小与滑移率有关。

综上，路面是车辆行驶的物质载体，路面抗滑阻力是车轮滚动的基础。为了保证货车在长大下坡路段匀速行驶，如果路面摩擦系数越高，货车需要主动制动的制动力就越少，那么制动器升温就越慢，而侧向滑移的可能性也越低。

4 结语

本文主要从驾驶员、车辆、道路三方面分别研究各个因素与长大下坡货车行驶安全性的关系。驾驶员的具体影响因素有：由于驾驶员受到反应能力的限制所以不能频繁转换车速；低档位制动器升温速度较慢，但驾驶员往往为了争取最快的下坡速度而采用最高档位下坡，使用次高档位的情况都较少；一般情况下，均会采用发动机制动，而使用排气制动的情况各地区不同。大货车的具体影响因素有：车辆自重越大，制动器温度变化越快，货物的重心越高且不断偏向车厢的一侧，转弯过急时，越易产生侧翻；一般行驶时，车速越高，制动器升温速度越慢，行驶越安全，而紧急制动时，车速越高，制动器温度升高越快，安全性越低。道路的具体影响因素有：纵断面随下坡累计坡度×坡长即高程差值的增加，制动器升温幅度也不断增大；平曲线半径越小，越易发生侧翻和侧移；路面摩擦系数越高，货车需要主动制动的制动力就越少，那么制动器升温就越慢，而侧向滑移的可能性也越低。以上这些因素均是通过对制动器升温的变化和车辆侧向稳定性来影响货车下坡的安全性，所以可以从保证这两方面的安全性来保证货车长大下坡的安全性。