车辆超载主要安全隐患分析

周文辉 马明月

公安部道路交通安全研究中心，北京100062，中国

车辆超载主要安全隐患分析

周文辉 马明月

公安部道路交通安全研究中心，北京100062，中国

车辆超载对道路交通安全的危害极大，汽车载质量过大会严重影响汽车的动力性、制动性、操纵稳定性、零部件可靠性等性能，导致事故多发易发，加重事故的严重性，同时还会加剧道路基础设施的损坏。本文借助人车路环境系统动力学理论和国内外相关研究实践，尽可能系统定量地阐述车辆超载对交通安全的不利影响及其机理，涉及事故发生率、事故严重性、车辆操纵稳定性、车辆制动性能、车辆本身结构和道路基础设施等六个方面，以期为进一步的治理对策奠定基础。

超载；交通安全；车辆；公路运输

车辆总重量等质量参数是车辆设计的基础，是影响车辆性能，也是车辆安全性能的最重要参数。无论是汽车行业管理，还是交通安全管理，均将总重量作为车辆分类的最重要依据。载货汽车以载货运输为主，实际载质量变化幅度大，尤其是超载运输，对车辆安全性能产生较大不利影响。本文以载货汽车为主，重点分析超载对交通安全的不利影响，主要包括以下6个方面：超载对事故发生率的影响、超载对事故严重性的影响、超载对车辆操纵稳定性的影响、超载对车辆制动性能的影响、超载对车辆本身结构的影响、超载对道路基础设施的影响等。

一、超载对事故发生率的影响

车辆超载使车辆比功率（发动机最大净功率与机动车最大允许总质量之比）下降，动力性的下降，对车辆自身来说，其并入车道、躲避障碍物、变更车道等能力均降低，容易引发交通事故；对整个交通流来说，车辆运行速度降低，降低了整个交通系统的运行效率，同时使得车辆间速度差变大，增大了事故发生的概率。

车辆超载对运行速度的影响，以较为常见的重型载货自卸车举例计算说明。目标计算车型为型号 ND3251B38J的北奔自卸车，查询公告信息，该车有关参数如下：总质量25000千克，整备质量12400千克，发动机功率200千瓦，最高速度85千米/小时。该车核定载质量为12.6吨，计算得知：超载30%时，超载量为3.8吨，最高车速下降为80千米/小时；超载50%时，超载量为6.3吨，最高车速下降为76千米/小时；超载100%时，超载量为12.6吨，最高车速下降为69千米/小时；超载200%时，超载量为25.2吨，最高车速下降为57千米/小时。需要说明的是，实际中上述超载水平均较为常见。上述最高车速是在良好水平路面，加速踏板踩至最大时计算得到的。实际行驶中，需要为克服路面坡度、路面不平，以及为躲避、超车等储备一定的功率，速度难以达到上述最高车速。以上总结如下：超载越大，最高车速会越低，实际行驶速度也越低，导致超载车辆与其他车辆速度差也越大。

车辆间速度差越大，发生交通事故的概率也越大。美国联邦公路局（FHWA）报告[1]，与零速度差时事故的发生概率相比，速度差为8千米/小时，事故概率变为2倍；速度差为16千米/小时时，事故概率变为4倍；速度差为24千米/小时，事故概率变为8倍；速度差为32千米/小时，事故概率变为16倍。根据上述计算结果，假设交通流运行速度为85千米/小时（该数值符合我国实际较高等级公路情况），该车分别超载30%、50%、100%、200%时，事故概率分别为满载时（行车速度也为85千米/小时）的1.5倍、2倍、4倍、11倍。

二、超载对事故严重性的影响

车辆超载使事故中人员伤亡的概率大大增加。原因如下：

1、车辆有效碰撞速度，是影响车内人员死亡的最主要因素

两物体在碰撞过程中，会有一个速度相等的瞬间（即“合为一体”），这一瞬间过后，两物体不再接触。物体碰撞初始速度与两物体相同速度之间的速度差，称为有效碰撞速度。有效速度主要用来衡量碰撞导致的物体速度变化，有效碰撞速度越大，表示碰撞过程中承受的动能冲击越大。物体与钢筋混凝土固定壁碰撞时，物体速度为零时两物体达到“速度相等的瞬间”，在这种情况下，物体的有效碰撞速度即为初始的速度（也称为“障壁碰撞速度”）。根据美国交通部下属的联邦公路局（FHWA）发布的报告[1]，车辆有效碰撞速度，是影响人员死亡的最主要因素。人员死亡概率与有效碰撞速度的关系如图2所示。根据该图，当车辆有效碰撞速度达到65英里/小时（约合105千米/小时）时，该车司乘人员死亡的概率达到100%。另外，统计数据也表明，当车辆有效碰撞速度达到70千米/小时，该车司乘人员的严重伤害概率大大增加。

2、碰撞两车质量比，是影响质量较小车辆有效碰撞速度变大的最主要因素

影响车辆有效碰撞速度的最主要因素为碰撞时双方车辆的质量比。质量较大的车辆有效碰撞速度值较小，人员伤亡概率也较小；质量较小的车辆有效碰撞速度较大，人员伤亡概率也较大。根据动量守恒定律，碰撞时相对质量较小车辆有效碰撞速度变化（竖轴，质量较小车辆有效碰撞速度与碰撞前两车速度和的比值）与碰撞双方车辆质量比（质量较大车辆与质量较小车辆质量比值）关系如图3所示。根据图3，当碰撞车辆质量比为9时，质量较小车辆有效碰撞速度达到碰撞前两车合速度的90%；当碰撞车辆质量比为10时，质量较小车辆实际上承担了全部的速度变化，其有效碰撞速度实际上即为碰撞前两车合速度，导致其有效碰撞速度急剧变大，车内人员伤亡概率也大大增加；此时质量较大车辆相当于移动的钢筋混凝土障壁，几乎没有吸收动量，能量几乎全部由质量较小车辆吸收。

目前，我国货车超载严重，部分货车甚至超载一倍以上。货车超载量越大，其总质量也越大，导致更多车辆相对质量变小，大大增加了碰撞时该类相对质量较小车辆车内人员的伤亡风险。另外，需要说明的是，道路中间护栏、路侧护栏、桥梁护栏等一般是根据乘用车的质量和重心高度水平设计的，超载货车因为总重量大，很容易撞坏护栏，使护栏失去防护能力，同时因为重心高，很容易被护栏“绊倒”，出现侧翻事故。

三、超载对车辆操纵稳定性的影响

超载可引起侧翻事故多发、过多转向等问题，具体分析如下：

1、车辆超载使侧翻事故发生的概率大大增加

汽车开始侧翻时所受的侧向加速度（g）称为侧翻阈值（rollover threshold），当车辆受转弯产生的离心力、撞击路侧障碍物、横风等侧向力作用时，若产生的侧向加速度大于该车辆侧翻阈值，车辆就处于不平衡、不稳定状态，非常容易侧翻。在水平路面，特定车辆的侧翻阈值为B/2hg，其中B为轮距，hg为车辆质心高度（重心高度），重型货车质心高度一般为154-216厘米之间，轮距一般在178-183厘米之间，计算可得侧翻阈值在0.4-0.6之间[2]。车辆实际行驶中，由于车辆受到的转弯离心力、横风、路侧障碍物冲击等侧向力随机发生，为减少侧翻概率，一般认为车辆的侧翻阈值应大于0.38，图4是美国密歇根大学根据美国道路交通事故数据统计得出的不同侧翻阈值的半挂汽车列车每百万英里侧翻事故发生起数[3]。

由上述分析可知，重型货车受到结构特点影响，其侧翻阈值在0.4-0.6之间，接近公认的侧翻阈值推荐临界值0.38，非常容易发生侧翻。超载将导致车辆质心提高，进一步降低侧翻阈值。重型货车质心高度与侧翻阈值的关系如图5所示。结合图4、图5，以轮距为180cm，满载时质心高度为200cm的重型货车为例，满载时侧翻阈值为0.45，超载导致重心升高100cm时，侧翻阈值下降为0.30，此时侧翻事故发生率变为满载时的2倍。

2、超载车辆容易出现因为激转而导致的侧滑或翻车

汽车设计时，为保证车辆的方向稳定性，一般将车辆质心设计在中性转向点之前，使汽车具有不足转向性能。货车一般在车身后部装载货物，当超载时车辆后部重量变大，车辆质心后移，超载越多，质心后移越多，很有可能使车辆质心移至中性转向点之后，使得车辆具备过多转向特性。此时，当达到一定的车速时，车辆将失去转向稳定性，即只要极其微小的前轮转角便会产生极大的横摆角速度，转向半径变得极小，激转过程中，非常容易发生侧滑或翻车现象。

四、超载对车辆制动性能的影响

车辆超载一方面改变了制动力在各轴之间的合理分配，容易导致制动距离变长、制动时转向失效、车辆甩尾、制动弯折等方面的事故；另一方面在下长坡等工况下，因为制动频繁且强度大，容易使制动器发热、损坏，进而影响制动效能甚至造成制动失效。制动系统隐患是造成交通事故的主要原因，据美国联邦公路局（FHWA）报告[1]，涉及重中型客货运车辆的碰撞事故，约30%以上均与制动系统安全隐患有关。

1、超载车辆容易发生制动距离变长、转向失效、车辆甩尾、制动弯折等方面的事故

客货车制动系统设计时，为保证获得较大的制动效能，同时保证制动时的方向稳定性，需要根据各轴轴荷和地面制动力情况，合理分配各轴之间的制动力。各轴制动力通常是在车辆满载工况下设计分配的。超载越大，各轴轴荷与满载时差别越大，制动效能和方向稳定性等指标与设计初衷差别越大：一方面容易使制动效能降低，即制动距离变长，非常容易导致追尾、冲撞等事故。另一方面，为适应超载，绝大多数货车制动力往往设计过大，在非超载等情况下紧急制动时，非常容易出现地面制动力不足而导致某轴车轮抱死的情况，进而引发以下事故：当前轴车轮抱死时，车辆将失去转向能力；当后轴车轮抱死时，出现后轴侧滑，进而导致车辆甩尾现象；当牵引车后轴车轮抱死时，将出现目前非常普遍的汽车列车制动“折弯”现象；当挂车后轴车轮抱死时，将出现挂车左右摇摆等不稳定状况。

2、超载车辆下长坡时，容易出现制动器发热、损坏等方面的事故

汽车下长坡时，为了保持安全车速，制动器就要较长时间连续地进行较大强度的制动。从能量角度看，下长坡将产生大量重力势能，除空气阻力、滚动阻力、发动机制动消耗掉一部分能量外，其他能量均是通过制动器发热吸收的。制动器吸储的能量中，一部分通过热传导、对流等方式消散，其余部分以热能形式储存在制动器中，这将导致制动器温度急剧升高。温度上升到一定程度时，有些摩擦片会出现热衰退现象，摩擦系数会有很大降低，制动效能严重衰退。图6是两种典型货车鼓式制动器制动衰退程度与摩擦表面温度的关系，从图中可以看出，当制动器表面温度达到300℃时，制动效能会有30%左右的衰退，当制动器表面温度达到400℃时，制动效能会有60%左右的衰退[4]。随着制动效能衰退，车辆制动距离将明显变长，很容易因为无法控制速度而发生事故。另一方面，由于车辆安装多个制动器，当制动器温度上升程度不同时，将导致各个制动器制动效能出现明显差异，即出现制动不平衡现象，进而导致前述的失去转向能力、侧滑甩尾、制动折弯、挂车左右摇摆等方面的事故。

车辆超载，尤其是货车在长达下坡超载，将会使制动器温度急剧升高。图7显示的是不同超载情况下制动器的温度上升情况。从图中可以看出，以57.6千米/时的速度在5%的坡度匀速下坡时，满载货车在行驶8.2千米后，制动器温度达到400℃，制动效能随之降低约60%；要达到同样的制动器温度，超载30%车辆只须行驶7.2千米，超载50%车辆只须行驶6.5千米，超载100%车辆只须行驶5.2千米，超载200%车辆只须行驶3.9千米。

五、超载对车辆本身结构的影响

超载可导致车辆传动轴、半轴、车桥、轮胎等部件使用寿命缩短，发生意外的断裂、破损，进而导致车辆侧翻、碰撞等事故。

半轴、传动轴、车桥断裂与车辆超载关系说明如下：总质量较大的客货车辆主要使用全浮式半轴驱动车轮，半轴受到的主要是扭转的力，半轴扭转切应力指标一般为500-700MPa，超过该值就会导致半轴断裂，而车辆质量与半轴实际扭转应力成正比[6]，若车辆长期处于超载状态，半轴实际应力就会长期接近或超过指标值，半轴寿命大幅缩短，会发生突然的断裂，导致车辆失去方向控制、激转等，进而导致侧翻、碰撞等事故。传动轴、车桥与半轴的断裂机理类似。需要说明的是，近年来上述事故发生较多。

轮胎爆胎与车辆超载关系说明如下：轮胎的负荷、速度级别都是高度标准化和系列化的。超载使轮胎长期超负荷运行，胎内气压较高，导致胎内温度也较高，与地面附着性能下降，非常容易发生碰撞、爆胎等事故。需要说明的是，我国高海拔地形较多，海拔每升高1000米，大气压将降低9.8kPa。超载导致胎内外气压差别变大，更容易发生爆胎事故。

六、超载对道路基础设施的影响

超载可导致道路提前破损、桥梁垮塌、护栏等基础设施严重破损等。分述如下：

道路破损与车辆超载关系说明如下：超载是使道路和长度较短桥梁提前破损的最主要原因。以黄河150型汽车为例，额定荷载100kN，总重170kN，如果超载100%，车总重达270kN，其对道路和长度较短桥梁的破坏相当于7辆额定载荷车辆。若新建公路年平均日交通量为1000辆，设计年限15年，若全为平均超载60%的黄河150型车（车辆按年增长率10%计），该公路实际使用年限仅6.3年，使用寿命将缩短一半以上[7]。

长度较长桥梁垮塌原因与车辆总重量过大密切相关。

另外，如前所述，道路中间护栏、路侧护栏、桥梁护栏等一般是根据乘用车的重量水平设计的，超载货车总重量大，很容易撞毁护栏，导致护栏等基础设施无法维修，造成巨大经济损失。

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. 汽车理论. 北京：机械工业出版社，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.英格兰姆，D.皮斯勒. “汽车单车的制动系统”，汽车制动文集. 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. 汽车设计. 北京：机械工业出版社，2005.

7、梅荣利. 超载对道路使用性能的影响及超载系数的合理确定. 天津建设科技，(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