剖析汽车车灯调光系统

汽车后时代32020-09-18 08:02:45


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摘要:汽车车灯通过调光系统对照射光线进行调整。简述螺杆调节、齿轮传动调节、电动机调节及自适应调节(AFS)等4种调节方式的原理、分类、特点,介绍其在汽车车灯上的应用。


汽车车灯是汽车的重要功能件,对于汽车前组合灯中的远近光的作用更是汽车主动安全的重要组成部分。灯光在保证照亮前部道路的同时,还要确保不对对面车辆产生眩目影响。


汽车车灯中前组合灯最为复杂。一般来说,前组合灯主要由远光、近光、转向信号灯、位置灯等组成。其中远光和近光的配光是灯具设计的重点和难点。为了保证装车后前照灯有足够的照度和足够宽的照明范围外,还要不眩目,同时需要针对不同路况引起的灯光偏离进行调整,这就需要有车灯调光系统来保持装车后的前照灯的照射光型。总的来说,车灯调光结构的实现形式主要有螺杆调节、齿轮传动调节、电动机调节以及自适应调节(AFS)等4种。下面主要介绍4种调光系统的原理、特点及其在车灯上的应用。


由于汽车悬架的影响,当汽车装载情况或者速度发生变化时,车身相对于路面的倾斜角往往发生很大的变化,这将引起近光灯照明距离和照明方向的改变:当汽车装载增加或者加速时,汽车会出现后部下降、前部升高的现象,这将导致车灯光线抬高,使得迎面来车的驾驶员眩目,同时会造成驾驶员视野变窄;当汽车突然制动时,会出现前部下降、后部升高的现象,这时车灯光线压低,大部分光线照射地面,车灯照射功能失效。


1.车灯配光


通过配光设计,要保证远光具有足够大的发光强度和足够宽的照明范围,来满足驾驶员有足够的视觉范围,同时保证近光对迎面车辆使用者不眩目。车灯实际照射效果如下图所示。


车灯射出的光型需满足配光图(下图)上图车灯实际照射效果图的照度要求,具体如下。


1) B50L称作防眩点,距前照灯50m处迎面而来的车辆驾驶员眼睛的位置。

   

2) 50R, 75R分别代表本车右边距前照灯50 m、75m处路边的照度值。
  

  3) 25L及25R分别表示灯具前方25 m处道路的左、右路边的照度值。

   

4) 暗区,又称为防眩区,表明车灯的眩目情况。

   

5) IV区为过渡区,表示汽车25~50 m范围内车道全宽的照明情况。

   

6) I区称作近距离照明区,表示距车前25 m以内的道路照明情况。


2调光系统


调光系统从控制方式上可分为手动调光系统和自动调光系统;从实现结构上可以分为螺杆调节、齿轮传动调节、电动机调节及自适应调节(AFS)等4种调节。由于手动前照灯调光装置必须坐在驾驶座上才能被操作,因此除了自适应调光系统外,其余3种方式均为手动调光系统,在驾驶室内均有相应的控制装置。其中电动机调节经常与螺杆、齿轮组合调节。


调光系统的控制方式分为机械式、液压式、气动式、可调电阻—电动机式(包含先进的AFS系统)。机械式、液压式和气动式多用于商用车领域,调节精度不高,目前已经基本由电动机调节式替代,如图所示。



调光系统要便于操作者调节,同时要有足够的可靠性,不能引起灯光的跳动和方向的改变以及灯体本身的变形。


调光系统通过调节灯光反射碗(或灯组)的角度来实现光束的调节。光束调节范围需满足表1所示值。

3.1结构原理


螺杆调节是通过本身的螺纹将旋转运动转换为反光碗(或灯组)的旋转角度来实现车灯的调光运动,左图所示。



2个调节螺杆与球头固定点的夹角一般为90°,右图所示。当转动调节螺杆,调节螺母前后移动,带动反光碗旋转。


3.2特点及应用


螺杆调节是所有调光结构中最经济,也是最常用的一种结构,广泛用于各种前照灯的调光系统中。缺点是需要灯体有足够的空间来保证螺杆的伸缩运动;螺杆直线运动转化为反光碗的旋转运动时经常会失效。因此,在设计时要考虑以下几点。

 

1)反光碗旋转时,调节螺杆端部从调整螺母中脱出,不能回调(左图)。



2)过度调节螺杆时,螺杆顶住反光碗,调节卡死(右图)。

  

3)过度调节导致反光碗与其他周边零部件干涉、卡死,或光线被其他件遮蔽,调光失效(下图,调光时反光碗不可以与黄色装饰边框干涉)。



4齿轮调节系统


4.1结构原理


齿轮调节是通过本身的螺纹将旋转运动转换为反光碗(或灯组)的旋转角度来实现车灯的调光运动。一般采用锥齿轮进行换向传动,如左图所示。也有采用多级直齿轮进行换向传动,如右图所示。



4.2特点及应用


齿轮调节具备占用空间小、调节范围大的特点。当前照灯设计空间不足时,或者需要对调光机构进行换向调节(如前雾灯需从前部调节)时,经常采用此结构。


齿轮调节的缺点是多级齿轮(尤其是工程塑料件)的结构稳定性较差,极易造成调光系统卡死、失效现象。目前多采用与螺杆调节组合使用,使得车灯的调光系统既稳定又便于调节(多角度调节)。调光系统既可以从后部进行调光,对于单灯组装调光测试极为方便,同时也可以从上部进行调光,便于整车下线调光和后续维修。下图为实际齿轮调节的应用图。




5电动机调节系统


5.1结构原理


电动机调节系统中的电动机多采用小功率直线型调节电动机,这是一种用于短焦距前照灯的光在垂直方向上可达距离的调节设备。根据安装位置不同,一般分为外接型电动机和内置式电动机,如图所示。



驾驶员通过安装在驾驶室内的调光开光(下图),将不同的电压输出给调节电动机。电动机根据自身特性曲线图及输入的电压值,控制电动机调整杆的运动行程,从而达到调光的目的。




5.2特点及应用


电动机调节是一种半自动调光方式,无论在整车生产过程中还是在后续的维修服务中,都降低了劳动量,提升了调光效率和精度。


由于电动机有电压限制问题,因此此类调节系统在设计时,要避免调光开关的电压调节范围超出电动机的最大行程,造成电动机空转或者停转而导致调光系统失效。


目前,前照灯调光系统中多数采用电动机与螺杆、齿轮结合的结构,充分发挥各个结构的优点,形成了多种多样的调光机构。下图即为2种常见的调光结构。



6自适应调节(AFS)系统


6.1结构原理


AFS (Adaptive Front-lighting System)是指灯光的分布能够根据汽车行驶的各种状况来进行调整,以达到最好的照明效果,从而增加驾驶的安全性和舒适性。AFS所体现的理念:为不同的行车条件提供最优的前方照明组合。简言之,城市交通中尽可能宽,高速行驶时尽可能远。具体可以实现以下功能:①弯道随动调节(弯道模式);②水平自动调整;③高速调节模式;④其他模式(如雨天模式等)。


为实现以上功能,传统的调光(静态)已经不能满足要求,或者说传统调光系统已经是狭义的调光系统。广义的调光系统需要多个电子器件来支持。一般AFS系统包括:ECU控制器、高度传感器、转向盘转角传感器、速度传感器、旋转执行器(调光电动机)等组成。自适应式AFS前照明调光系统如图所示。



AFS系统一般使用投射单元作为旋转核心,其大致的结构如图16所示,一个普通旋转核心包括水平旋转电动机、旋转框架和转向旋转电动机等部件。其中传动的调光电动机控制车灯的水平角度,这样车灯整体就可以绕2个互相垂直的旋转轴进行调整。


对于弯道随动调节,主要依据汽车行驶时的瞬时速度和转向盘转角(可换算为前轮偏转角)的输入值来确定。具体可以理解为:前轮偏转角小时,头灯转角要小;前轮偏转角大时,头灯转角也要大。当车速较高时,驾驶员相对注重远视距的路面情况,头灯转角相对大一些;车速较低时,驾驶员相对注重较近视距的路面情况,头灯转角相对小一点。


一般前照灯的左右转向调节的最大角度为外侧旋转15°左右,内侧旋转7°左右。其中随动左右转向的调节角度可参见表2。



对于水平自动调整,主要依据车身高度传感器来判定整车的俯仰角度,用于调整光轴的倾斜角度,以实现前照灯光照满足法规要求。


对于高速调节模式,主要是依据车速信号来判定整车的行驶路况,自动调节光束角度,使光束聚拢,提高前照灯的照射距离。一般高速模式的速度判定值为80 km/h.。


对于雨天模式,主要是依据雨量传感器或者其他环境传感器来判断汽车所处的环境情况,来实时调节前照灯光束照射角度和高度,避免产生照明失效和地面反光(眩目)现象。此模式已经属于智能化的一种体现。后续AFS在整车安全方面将更加完善和智能。


6.2特点及应用


AFS系统的出现可以说是前照灯调光控制技术的一项革新,将传统的仅有照明功能的前照灯融入了汽车智能一体化中,使得前照灯具备了“左顾右盼”的功能,这对提高汽车行驶的安全性具有重要作用。


由于AFS系统具备多项智能化功能,现广泛应用于高端汽车的前照灯上,并且有逐步标配的趋势。


7结论


前照灯调光方式主要有螺杆调节、齿轮调节、电动机调节以及AFS调节。按结构分析,螺杆调节最为简单、实用,但是需要考虑多项限制因素;齿轮调节具备所占尺寸小、可以实现换向调节等优良特性;电动机调节具有调节角度精确,便于控制等特点,已经逐步取代其他控制方式(与气压式、液压式控制比较)。表3为主流车型的前照灯调光方式。



随着科技的发展以及智能化的技术逐步应用于汽车控制中,前照灯调光系统已经由传统的机械手动调节逐步演化为自动调节,直至自适应调节(AFS),使得前照灯由单纯的远近光调节转化为动态的“左顾右盼”和高低自动调节,汽车前照灯照明系统更加完善,更加人性化。


文中只是对前照灯调光系统从结构上和控制方式上进行了简单阐述。虽然只是针对汽车前照灯,但是从控制方式上可以推广到汽车所有照明系统的设计上。汽车照明系统未来将弱化各个单灯照明功能,通过分析外界各种环境参数及驾驶者需求,来共同提高整车的安全与驾驶舒适性,实现汽车交通智能化。



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