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，汽車載質量過大會嚴重影響汽車的動力性、制動性、操縱穩定性、零部件可靠性等性能，導致事故多發易發，加重事故的嚴重性，同時還會加劇道路基礎設施的損壞。本文借助人車路環境系統動力學理論和國內外相關研究實踐，盡可能系統定量地闡述車輛超載對交通安全的不利影響及其機理，涉及事故發生率、事故嚴重性、車輛操縱穩定性、車輛制動性能、車輛本身結構和道路基礎設施等六個方面，以期為進一步的治理對策奠定基礎。

超載；交通安全；車輛；公路運輸

車輛總重量等質量參數是車輛設計的基礎，是影響車輛性能，也是車輛安全性能的最重要參數。無論是汽車行業管理，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。載貨汽車以載貨運輸為主，實際載質量變化幅度大，尤其是超載運輸，對車輛安全性能產生較大不利影響。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：超載對事故發生率的影響、超載對事故嚴重性的影響、超載對車輛操縱穩定性的影響、超載對車輛制動性能的影響、超載對車輛本身結構的影響、超載對道路基礎設施的影響等。

一、超載對事故發生率的影響

車輛超載使車輛比功率（發動機最大凈功率與機動車最大允許總質量之比）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的運行效率，同時使得車輛間速度差變大，增大了事故發生的概率。

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，該車有關參數如下：總質量25000千克，整備質量12400千克，發動機功率200千瓦，最高速度85千米/小時。該車核定載質量為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。以上總結如下：超載越大，最高車速會越低，實際行駛速度也越低，導致超載車輛與其他車輛速度差也越大。

車輛間速度差越大，發生交通事故的概率也越大。美國聯邦公路局（FHWA）報告[1]，與零速度差時事故的發生概率相比，速度差為8千米/小時，事故概率變為2倍；速度差為16千米/小時時，事故概率變為4倍；速度差為24千米/小時，事故概率變為8倍；速度差為32千米/小時，事故概率變為16倍。根據上述計算結果，假設交通流運行速度為85千米/小時（該數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”）。根據美國交通部下屬的聯邦公路局（FHWA）發布的報告[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系如圖2所示。根據該圖，當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，統計數據也表明，當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、碰撞兩車質量比，是影響質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量比。質量較大的車輛有效碰撞速度值較小，人員傷亡概率也較??；質量較小的車輛有效碰撞速度較大，人員傷亡概率也較大。根據動量守恒定律，碰撞時相對質量較小車輛有效碰撞速度變化（豎軸，質量較小車輛有效碰撞速度與碰撞前兩車速度和的比值）與碰撞雙方車輛質量比（質量較大車輛與質量較小車輛質量比值）關系如圖3所示。根據圖3，當碰撞車輛質量比為9時，質量較小車輛有效碰撞速度達到碰撞前兩車合速度的90%；當碰撞車輛質量比為10時，質量較小車輛實際上承擔了全部的速度變化，其有效碰撞速度實際上即為碰撞前兩車合速度，導致其有效碰撞速度急劇變大，車內人員傷亡概率也大大增加；此時質量較大車輛相當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，其總質量也越大，導致更多車輛相對質量變小，大大增加了碰撞時該類相對質量較小車輛車內人員的傷亡風險。另外，需要說明的是，道路中間護欄、路側護欄、橋梁護欄等一般是根據乘用車的質量和重心高度水平設計的，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”，出現側翻事故。

三、超載對車輛操縱穩定性的影響

超載可引起側翻事故多發、過多轉向等問題，具體分析如下：

1、車輛超載使側翻事故發生的概率大大增加

汽車開始側翻時所受的側向加速度（g）稱為側翻閾值（rollover threshold），當車輛受轉彎產生的離心力、撞擊路側障礙物、橫風等側向力作用時，若產生的側向加速度大于該車輛側翻閾值，車輛就處于不平衡、不穩定狀態，非常容易側翻。在水平路面，特定車輛的側翻閾值為B/2hg，其中B為輪距，hg為車輛質心高度（重心高度），重型貨車質心高度一般為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，由于車輛受到的轉彎離心力、橫風、路側障礙物沖擊等側向力隨機發生，為減少側翻概率，一般認為車輛的側翻閾值應大于0.38，圖4是美國密歇根大學根據美國道路交通事故數據統計得出的不同側翻閾值的半掛汽車列車每百萬英里側翻事故發生起數[3]。

由上述分析可知，重型貨車受到結構特點影響，其側翻閾值在0.4-0.6之間，接近公認的側翻閾值推薦臨界值0.38，非常容易發生側翻。超載將導致車輛質心提高，進一步降低側翻閾值。重型貨車質心高度與側翻閾值的關系如圖5所示。結合圖4、圖5，以輪距為180cm，滿載時質心高度為200cm的重型貨車為例，滿載時側翻閾值為0.45，超載導致重心升高100cm時，側翻閾值下降為0.30，此時側翻事故發生率變為滿載時的2倍。

2、超載車輛容易出現因為激轉而導致的側滑或翻車

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

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，容易導致制動距離變長、制動時轉向失效、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，容易使制動器發熱、損壞，進而影響制動效能甚至造成制動失效。制動系統隱患是造成交通事故的主要原因，據美國聯邦公路局（FHWA）報告[1]，涉及重中型客貨運車輛的碰撞事故，約30%以上均與制動系統安全隱患有關。

1、超載車輛容易發生制動距離變長、轉向失效、車輛甩尾、制動彎折等方面的事故

客貨車制動系統設計時，為保證獲得較大的制動效能，同時保證制動時的方向穩定性，需要根據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，制動效能和方向穩定性等指標與設計初衷差別越大：一方面容易使制動效能降低，即制動距離變長，非常容易導致追尾、沖撞等事故。另一方面，為適應超載，絕大多數貨車制動力往往設計過大，在非超載等情況下緊急制動時，非常容易出現地面制動力不足而導致某軸車輪抱死的情況，進而引發以下事故：當前軸車輪抱死時，車輛將失去轉向能力；當后軸車輪抱死時，出現后軸側滑，進而導致車輛甩尾現象；當牽引車后軸車輪抱死時，將出現目前非常普遍的汽車列車制動“折彎”現象；當掛車后軸車輪抱死時，將出現掛車左右搖擺等不穩定狀況。

2、超載車輛下長坡時，容易出現制動器發熱、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地進行較大強度的制動。從能量角度看，下長坡將產生大量重力勢能，除空氣阻力、滾動阻力、發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熱吸收的。制動器吸儲的能量中，一部分通過熱傳導、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，有些摩擦片會出現熱衰退現象，摩擦系數會有很大降低，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系，從圖中可以看出，當制動器表面溫度達到300℃時，制動效能會有30%左右的衰退，當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生事故。另一方面，由于車輛安裝多個制動器，當制動器溫度上升程度不同時，將導致各個制動器制動效能出現明顯差異，即出現制動不平衡現象，進而導致前述的失去轉向能力、側滑甩尾、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、超載對車輛本身結構的影響

超載可導致車輛傳動軸、半軸、車橋、輪胎等部件使用壽命縮短，發生意外的斷裂、破損，進而導致車輛側翻、碰撞等事故。

半軸、傳動軸、車橋斷裂與車輛超載關系說明如下：總質量較大的客貨車輛主要使用全浮式半軸驅動車輪，半軸受到的主要是扭轉的力，半軸扭轉切應力指標一般為500-700MPa，超過該值就會導致半軸斷裂，而車輛質量與半軸實際扭轉應力成正比[6]，若車輛長期處于超載狀態，半軸實際應力就會長期接近或超過指標值，半軸壽命大幅縮短，會發生突然的斷裂，導致車輛失去方向控制、激轉等，進而導致側翻、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，近年來上述事故發生較多。

輪胎爆胎與車輛超載關系說明如下：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，胎內氣壓較高，導致胎內溫度也較高，與地面附著性能下降，非常容易發生碰撞、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。超載導致胎內外氣壓差別變大，更容易發生爆胎事故。

六、超載對道路基礎設施的影響

超載可導致道路提前破損、橋梁垮塌、護欄等基礎設施嚴重破損等。分述如下：

道路破損與車輛超載關系說明如下：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。

另外，如前所述，道路中間護欄、路側護欄、橋梁護欄等一般是根據乘用車的重量水平設計的，超載貨車總重量大，很容易撞毀護欄，導致護欄等基礎設施無法維修，造成巨大經濟損失。

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”，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. 汽車設計. 北京：機械工業出版社，2005.

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