貨車制動在公路長大下坡安全研究中的應用

杜博英，方守恩，遲 爽

(1.同濟大學交通運輸學院，上海200092，duboying@126.com; 2.黑龍江省公路工程造價管理總站，哈爾濱150008)

公路長大下坡的惡性交通事故一直較為頻發和集中，據2008年事故白皮書［1］統計，發生在陡坡、連續下坡上的交通事故死亡率約為事故平均死亡率的2倍.究其事故原因，很大程度上是由于坡度較長、較陡，汽車制動較為頻繁，制動器的摩擦片溫度過高而導致剎車失靈.

歐美發達國家在公路縱坡安全研究方面起步較早，針對長大下坡路段貨車制動失效專題制定了一些能夠有效解決長大下坡安全問題的標準和指南.美國聯邦高速公路管理局(FHWA)研發了GSRS［2－7］制動器溫度的評估系統，系統基于恒定的下坡速度和發動機最大功率而研發，沒有考慮近年來常用的輔助制動系統對制動器溫度的影響.法國的研究機構SETRA認為［8］:當坡長與坡度滿足特定值時，制動器200℃可作為風險判定條件.由于研究方法和國情的局限性，這些研究基本上都不能應用于我國.

目前在我國，有效、直觀、量化的評價一條道路的安全性手段不多，指導性方法多以后期工程改善或交通工程輔助設施為主，安全性規范、指南一類的國家標準少之又少，而目前應用較為廣泛的運行車速也存在著一定的局限性:在長直線、長大下坡路段，運行速度的上限無法真正反映出車輛的運行狀況，在道路設計看來某些合乎規范、近乎“完美”的均衡設計往往是潛伏著重大安全隱患的死亡路段.本文首次提出了變速制動器溫度模型，將運行車速這一動態變化值納入模型，為我國公路長大下坡的安全研究提出新的研究思路.

1 試驗設計與實施

試驗包括野外實測試驗和室內發動機臺架試驗.野外試驗實施地點選擇漳龍高速公路K74+ 097.00～K85+187.00，該路段是全國知名的長大下坡事故多發路段.漳龍高速公路04年底全線開通，僅78天內，發生制動失靈沖出道路的交通事故38起，5人死亡6人重傷.僅在K73+800至K78+800下坡路段，2005和2006兩年共發生事故72起，全部因為制動失效引起.本次野外試驗包括下坡路段制動鼓升溫試驗和上坡路段制動鼓降溫試驗，采用德國歐普士(Optris CTLT20CB15)非接觸紅外測溫儀、CTM－8C機動車非接觸測速儀及多功能測試車.

實驗人員在駕駛室內，根據非接觸式測速儀讀數，對應100 m整樁號記錄貨車速度，同時記錄試驗車的變速器檔位變化.試驗分別在滿載、80%、70%、60%荷載下，測定了4 300多個有效制動器升溫數據，人工分為26組，平均每組160多個.其中14組溫度數據是在使用制動器和發動機制動時測得，其余12組是在使用制動器和排氣制動條件下(不一定全程都開排氣制動)測得.降溫數據8組、690個溫度數據.試驗數據充分，實時、連續，能夠客觀的反映制動器溫度變化.

室內發動機臺架試驗利用同濟大學汽車學院AVL發動機臺架設備，將代表車型發動機CA6DL1－26與實驗室現有發動機的指標逐項比對，采用各項指標與代表車型相似的發動機YC6G270－20進行發動機拖動力測定，量化代表車型發動機制動和排氣制動時飛盤輸出的制動扭矩和制動功率.

根據發動機臺架試驗，在各轉速下，發動機制動和排氣制動的制動力矩和制動功率如表1所示.

表1 YC6G270－20發動機制動和排氣制動的制動指標表

2 貨車變速制動器溫度模型

在車輛在長大下坡的行駛過程中，若無驅動力作用，汽車處于無燃油燃燒狀態，即汽車處于無化學能轉化成汽車的動能等其他能量的階段(點剎車耗油忽略不計)，所以在這個階段，主要是汽車本身的下坡勢能轉化為動能和其他能量的問題.汽車在下坡過程中，轉化成的其他能量主要有汽車下坡時的克服滾動阻力做的功(輪胎非報死)，抵抗風阻做的功，發動機制動功以及制動器的摩擦生熱等能量.其中發動機制動消耗的能量可用發動機臺架試驗得出.因此根據能量守恒定律求出制動器制動吸熱功率，進而求解溫度方程.

大貨車以速度v在坡度為i的坡度上下坡時，其制動鼓一方面由于制動摩擦力而吸熱，另一方面由于熱輻射和對流換熱而散熱，而制動鼓溫度被近似視為是均勻的，因此制動鼓溫度T是行駛時間t的函數，假設t=0時，T=T0，當Δt很小時，從t時刻到t+Δt時刻，制動鼓溫度從T升至T+ΔT，建立方程:

滾動阻力、風阻、發動機制動或排氣制動、制動器散熱等功率計算不再贅述，只列出最終求解的變速制動器溫度模型.

式中:Pr為貨車制動器耗熱能速率(W);Pr為對流換熱的熱流量速率(W);Pe為發動機飛盤消耗的制動功率(W);v為運行車速(m/s);G為車輛總重(N);i為下坡坡度;T0為制動鼓初始溫度(℃);β為制動力分配系數;i0、ik分別為主減速比及各檔減速比;Rt為后輪滾動半徑(m);Ag2、mg分別為制動鼓外表面積(m2)和制動鼓質量(kg); Ta為環境溫度(℃);cg為制動鼓比熱容(J·(kg·℃)－1).

試驗車不供油發動機制動時，

不供油排氣制動時，

3 臨界坡度Ⅰ、Ⅱ的確定

在下坡路段，貨車存在兩種臨界坡度，當坡度等于臨界坡度Ⅰ時，貨車可掛空檔勻速行駛;當坡度等于臨界坡度Ⅱ時，貨車僅依靠發動機制動或排氣制動機可保持穩定行駛;坡度小于臨界坡度Ⅰ時，可認為不需要任何制動方式;當坡度超過臨界坡度Ⅱ時，需要依靠主制動器控制車速;當坡度介于二者之間，即為發動機制動或排氣制動的坡度區間，此時，主制動器不但不吸熱，若溫度大于環境溫度Ta，還存在熱對流.因此，本節首先確定臨界坡度Ⅰ、Ⅱ，然后遵照能量守恒理論，分別求解臨界坡度Ⅰ、Ⅱ下的溫升理論模型，最后再通過8組降溫試驗，進行此時的溫度模型檢驗與修正.必須要說明的是，臨界坡度并不是一成不變的，與貨車變速器檔位、下坡車速及荷載等諸多因素都有密切的聯系，本文僅提出各對應設計速度下的臨界坡度，便于設計人員使用.

3.1 臨界坡度Ⅰ的確定

假設大貨車在下坡時沒有使用任何制動方式，掛空檔滑行，此時大貨車所受行駛阻力有風阻力和車輪滾動摩阻力，受力方程:

此時的下坡坡度本文定義為臨界坡度Ⅰ.當試驗車滿載時，帶入參數計算可得在各種速度下對應的臨界坡度Ⅰ如表2所示.

表2 滿載時的臨界坡度Ⅰ

3.2 臨界坡度Ⅱ的確定

顯然，如果坡度大于臨界坡度Ⅰ，但小于某個值，在發動機制動力(排氣制動)、路面摩阻力和空氣阻力的作用下大貨車不使用主制動器也不會加速下坡.本文將此時的最大值稱為臨界坡度Ⅱ.臨界坡度Ⅱ與貨車變速器檔位、下坡車速及荷載有關.

理論上，根據汽車的動力性能，當大貨車掛低檔時，發動機將產生很大的制動力.但在實際中，駕駛員并不會在連續下坡過程中掛低檔，因為這并不符合駕駛員“多拉快跑”的期望.根據對大貨車駕駛員的問卷表明:類似試驗車的8檔位貨車下坡時，一般情況掛8檔，較少掛7檔，掛6檔及更低檔的情況非常少.因此，本節只計算大貨車8檔制動時的臨界情況.

在滿載情況下8檔發動機制動、排氣制動下各車速分別對應的臨界坡度Ⅱ如表3所示.

表3 滿載時發動機制動的臨界坡度Ⅱ

4 我國公路長大下坡安全評價

4.1 安全評價指標

ΔV為相鄰路段運行速度差，km/h;T為貨車制動器溫度，℃;運行車速主要針對平曲線小半徑，貨車制動器溫度主要針對長大縱坡安全而提出，二者各有側重，互為補充與制約.這種結合對于平縱綜合安全評價尤為重要.

當大貨車在長大下坡行駛時，駕駛員會采取連續制動或點制動控制行車速度達到安全期望值，制動器升溫幾乎不可避免，從而增加大貨車發生事故的幾率.關于制動器安全溫度，在前述論述中，周榮貴等通過試驗得出結論［9］:制動器溫度在200℃以內為安全，在200～300℃之間為較為安全，超過300℃為不安全;長安大學的研究［10］認為:290℃時，制動器制動效能將為正常情況下的66%，300℃時將為60%，制動距離增加到1.67倍，290～300℃可作為制動效能下降的臨界值比較合適;美國的相關研究［2］將260℃作為制動器安全溫度，法國的相關研究［8］認為制動器溫度超過200℃便會產生風險.本文采用300℃作為制動效能下降的臨界值，即制動器的安全溫度.

4.2 安全風險等級

長大縱坡安全風險等級對應表見表4.

表4 長大縱坡安全風險等級對應表

縱坡安全風險為Ⅰ，縱斷線形良好，高差升降控制合理有序，平面線形設計一般，存在行車速度可容許波動;有條件應在設計階段調整平面線形，以保持運行與設計的一致性和路段之間的一致性.

縱坡安全風險為Ⅱ，縱斷線形良好，高差升降控制合理有序，平面線形設計較差.高+低配合不協調的，建議調整路段平曲線指標;與設計初衷不相符的，建議作提高設計等級的比選.

縱坡安全風險為Ⅲ，縱斷升降坡過快，平面線形優良.建議設置減速帶、交通標志以控制下坡車速，設置降溫池等降低貨車制動溫度;視工程造價和周邊地形作避險車道的設置比選.

縱坡安全風險為Ⅳ，縱斷升降坡過快，平面線形一般.建議設置避險車道，并附以其它交通工程措施，如減速帶、降溫池、交通標志等，以策安全.

縱坡安全風險為Ⅴ，平縱均嚴重超標，建議作重新展線處理.

5 結語

變速制動器溫度模型表明下坡坡度、車輛荷載、運行速度、檔位是引起制動器溫度變化的重要原因.雖然得出了初步變速溫度模型，但仍需不同區域的試驗數據加以充實.變速制動器溫度模型從理論上量化了我國公路長大下坡的安全評價指標，從平縱兩方面對長大下坡的安全風險進行了評價.通過典型示范工程的安全評價可以看出，長大下坡的安全僅是道路設計者能夠提出的工程、經濟容許最大量化值，真正的安全在于各部門的聯合治理、全社會的高度重視.

［1］ 中華人民共和國公安部.2008年全國道路交通事故白皮書［R］.北京:公安部，2009.

［2］ BOWMAN B L.Grade severity rating system users manual［R］.［S.l］:Federal Highway Administration，1989.

［3］ HARWOOD D W，COUNCIL F M，HAUER E.Prediction of the expected safety performance of rural twolane highways［R］.Washington DC:The U.S.Federal Highway Administration，2000:15－25.

［4］ Base models-Prediction of the Expected Performance of Rural Two-Lane Highways(FHWA-RD-99-207)［EB/ OL］.［2009－10－10］http://www.tfhrc.gov/safety/ pubs/99207/03.htm#bsae.

［5］ BOWMAN B L，COLEMAN J A.Impact of fuel conservation measures on safe truck downgrade speed［J］. Journal of Transportation Engineering，1989，115(4): 351－369.

［6］ FIRESTINE M，CUNNINGHAM D，MCGEE H.Reducing runaway truck accidents through weight-based advisory speeds［R］.McLean:Federal Highway Administration，1989.

［7］ BOWMAN B L，COLEMAN J A.Grade severity rating system［J］.ITE Journal，1990，60(7):19－24.

［8］ 王佐，孫忠寧，張江洪.歐洲高速公路長大縱坡設計技術［J］.公路，2008(9):58－61.

［9］ 周榮貴.公路縱坡坡度與坡長限制的研究［D］.北京:北京工業大學，2004.

［10］劉浩學，周榮貴.連續長大下坡路段安全保障技術研究［R］.西安:長安大學，2007:7.