汽车向内侧翻的原因及其预防对策

黄炤炤，彭宁宁

(1.湖南省浏醴高速公路建设开发有限公司，湖南长沙 410008;2.湖南天智交通建设技术有限公司，湖南长沙 410008)

2005版《新理念公路设计指南》(以下简称《指南》)提出:当超高横坡大于6%时，装载较高、运行速度较低的货车容易出现向内侧翻事故。如果这一观点正确，不仅《公路路线设计规范》JTJ 011—94(以下简称《94线规》)所规定的超高值不能再采用，而且已往建成公路超高凡大于6%路段存在是否要改造的问题，关系重大，不能不慎重对待。

为了弄清这个问题，本文就《94线规》设置的超高横坡会不会引起货车侧翻、加大横向力系数与车辆稳定性关系、汽车向内侧翻的原因及其预防对策等问题进探讨。

1 正常情况下汽车在弯道上受力分析

汽车在弯道上行驶必需要受到一个指向圆心的横向力有作用，这个力称为向心力F向，向心力F向是由汽车重力的横向(平行路面)分力Fg和路面对汽车横向阻力Fμ共同提供的，或者F向说是Fg与Fμ的合力。其中:

式中:m为汽车质量，kg;V为汽车速度，m/s;R为汽车运行半径，m;g为重力加速度，(m·s-2);α为路面横坡与水平面夹角;μ为横向力系数。

由于Fμ作用在车轮底，它相当于作用在汽车的重心处另加一个倾覆力矩Mμ=Fμ·h=h·m·g·μ·cosα，μ的取值有一个范围，取决于车辆横向位移的趋势和大小，h是汽车重心至路面的高度。

F向与Fg作用在汽车的重心处，在正常情况下，两力的方向相同，如果F向=Fg，则Fμ=0;如果F向＞Fg，则Fμ作用方向向内，另加一个向外翻的力矩Mμ=Fμ·h;如果 F向＜Fg，则 Fμ作用方向向外，另加一个内翻的力矩Mμ=Fμ·h。

汽车在公路上发生滑移是由于F向-Fg＞Fμ，或者说维持汽作正常行驶所需求路面的横向力大于所能提供的最大Fμ;发生侧翻是由于倾覆力矩Mμ＞M0(稳定力矩)，即 Fμ·h＞b·m·g·cosα，b是轮距的一半，对于货车取0.9 m。

2 《94线规》所设超高不会引起汽车向内侧翻

超高路面横坡所产生的Fg是为汽车转弯提供向心力，而向心力的大小由汽车速度和转弯半径决定，汽车速度较低有 F向＜Fg，则 Fg-F向=Fμ，Fμ最大值等于 Fg。《94线规》规定的最大超高为10%。为了说明问题，令汽车处于最不利情况，让汽车停10%横坡的路面上，此况倾覆力矩大，稳定力矩最小，有:

如h=3 m，稳定系数为3;如h=4 m，稳定系数为2.25，这说明在最不利情况下，汽车是安全的。认为超高大于6%、运行速度较低、装载较高的货车容易导致侧翻事故，是不对的。虽然超高大、速度低、装载高，会影响汽车的稳定系数，但超高再大不会超过10%;运行速度再低不会低于停车状态;装载再高不应超过5 m。因此可以断定，汽车向内侧翻不是由于超高大、速度低、装载高所引起的。

对于静止的汽车稳定性的判断还有一个简便方法，即汽车重心的作用线是否处车轮支承范围之内:当h×i＜b时，汽车是稳定的，否则就不稳定。如h=3 m，对于10%的路面横坡，汽车重心作用线偏离车轮支承面中心线 3 m×10%=0.3 m，小于 b(0.9 m)，因此汽车是稳定的。当然汽车装载后重心不一定在货车的中心线处，有可能偏向货车的一侧，上述例子其最大容许偏离应在0.6 m以内。

3 汽车在不利侧风作用下的稳定分析

《指南》论述超高较大汽车向内侧翻情况下或考虑不利侧风的作用，但在加大横向力降低超高值的情况下，则未考虑不利侧风作用，两者前提条件不一致，也无法比较两者的稳定性。为了比较稳定性，可都考虑不利侧风的作用，假定货车重心距路面h=3 m，b=0.9 m，不利风力的大小为风压乘货车的侧面积。为了方便计算，可令风力P· m·g即为汽车重力的P倍，风力作用在货车的重心处。按两种典型情况进行研究。

1)A况:货车停在最大超高的路面上(高速公路I=10%、其它公路I=8%)，在不利侧风作用下，货车处在向内侧翻的临界状态。以内侧车轮底为轴，有:

当超高10%时，PA=0.200 0;当超高8%时，PA=0.219 3。

2)B况:货车在6%超高的弯道上行驶，其横向力系数:高速公路为0.15，其它公路为0.20，在不利侧风作用下，货车处在向外侧翻的临界状态。以外侧车轮底为轴，有:

当 μ=0.15时，PB=0.149 7;当 μ=0.20 时，PB=0.099 8。

从上计算来看，在不利侧风作用下，货车达到侧翻临界状态所需要的风力A况要比B况大得多，对高速公路A况是B况的1.336倍;对于其它公路A况是B况的2.197倍，也就是说汽车在A况比B况要稳定。

还应指出的是，对于汽车的运行速度而言，A况是极限状态，而B况是理想状态，B况的车速是给定的，而实际上有相当路段的车速有可能大于所给定的，如长下坡路段、B型单喇叭互通中的环形匝道等，就存在汽车向外侧翻的可能。

综合上述分析，加大横向力系数、减小路面横坡，降低了汽车运行的稳定性，特别对汽车速度较高具有安全隐患。随着科技进步，汽车性能将有进一步提高，这种隐患会进一步加大。

4 汽车向内侧翻的原因是驾驶失误

汽车向内侧翻的原因是驾驶员操作失误，即司机以较高的速度行车，发现前面有障碍物或因其它的原故，采取紧急反向驾驶来绕避，所谓“反向”即逆路面横坡方向转，这样汽车所需向心力向外，而路面提供的横向力向内，此时路面对汽车横向阻力向外，Fμ要克服Fg，还要提供F向，在数量上等于Fg和F向之和，因此Fμ最大，所产生向内侧翻的力矩也最大，这就是汽车向内侧翻的原因。汽车向内侧翻就发生在急转方向盘的一瞬间，它处于临界状态有:

根据以上公式计算出不同速度汽车、在不同路面横坡侧翻的临界半径，见表1。

从表1可以看出只要司机作了反向(汽车的横向分力与向心力方向相反)驾驶，其急转的半径小于临界半径，汽车就会侧翻，不管是在直线上(路面横坡2%)，还是在弯道上。车速越高、车的重心越高，侧翻的临时半径就越大。

5 汽车向内侧翻的预防对策

为了预防汽车向内侧翻，《指南》提出减小超高的路面横坡，但从以上计算来看，路面横坡的减小，对汽车侧翻的临界半径影响不大，如运行速度60 km/h、重心高3 m的货车，在超高为8%的路段临界半径为129 m;而在超高为6%的路段临界半径为118 m，其临界半径基本上属一个档次。可见减小超高横坡不是预防汽车向内侧翻的有效办法。

表1 重心距路面3 m/2 m货车侧翻的临界半径 m

既然汽车向内侧翻的原因是司机操作失误，那么要预防这样的事故，首先就必须让司机保持正确的驾驶行为。要让司机明白方向盘转急了是要翻车的道理，养成不要急转方向盘来绕避障碍的习惯，特别在弯道处、隧道洞口处，也不要在弯道上超车。对路面病害要做好预案，行车道上最常见的病害是坑洞，坑洞低于路面，远距离难以发现，近距离发现了不要采取急拐来绕避，可以考虑从坑洞上开过去，所带来的不良后果远比急拐导致汽车侧翻轻微得多。

其次，公路管理部单位应加强对公路养护，及时消除公路上的病害，消除有可能引发司机作急拐驾驶的路况，公路出现病害及在维修期间，要及时树立预告标志，使车辆远距离绕避，其拐弯半径应在临界半径2倍以上。

设计人员要消除有可能引发司机作急拐驾驶的环境，在环境发生较大变化路段，如隧道洞口:洞外明亮、路宽、侧向余宽大，洞内昏暗、路窄、侧向余宽小;高速公路互通:主线路宽、平纵指标高、车速高，匝道路窄、平纵指标低、车速低，在这些环境急烈变化时，司机不一定都能适应，有的就可能出现操作失误，因此设计要做好环境的过渡，尽可能缩小环境的反差，而不要扩大反差，这些路段要使司机专注驾驶，那些吸引司机眼球的景观设计是不适宜的。只有各方面共同努力，避免汽车向内侧翻的事故是完全可能的。

6 建议

公路超高值的大小直接关系到汽车运行的安全和舒适。应该说《94线规》所规定的超高值并没有大的问题，可以继续采用。06版《公路路线设计规范》提出:超高横坡应根据设计速度、圆曲线半径、路面类型、自然条件和车辆组成情况确定。与《94线规》比较，增加了路面类型和车辆组成两项因素，实际上这两项对超高值影响不大，只要路面能提供足够的摩阻力就行，那些不能提供足够的摩阻力的材料是不能作路面材料，并不因为水泥或沥青的路面类型不同，而采用超高值有所不同;至于考虑车辆组成情况，无非是要考虑低速车辆的安全性，实际上超高的路面首先要保证停车是安全的，在此基础上再考虑低速的安全性实属多余。俗话说，十次事故九次快，就单辆汽车的事故，绝不可能是因其低速所致。

《06线规》没有规定超高取值，在运用上很不方便，而且由于设计人员认识上的差异，设置超高会有较大的不同，有可能就留下安全隐患。因此建议在路线设计规范中仍然要规定超高值，这不仅可能，而且必要。

［1］交通部公路司.新理念公路设计指南［Z］.2005.

［2］JTJ 011-094公路路线设计规范［S］.

［3］JTG D20-2006公路路线设计规范［S］.