探讨商用车前组合灯的设计方法

汪 晖

（东风汽车有限公司商用车技术中心，湖北 武汉 430056）

汽车灯具设计跨造型、机械、电气等多方面学科知识，需要了解光学、模具、机械性能、电气设计等相关内容。设计一个性能优异的前照灯，特别是一款共用同一个灯罩、具有多种功能的前组合灯，对汽车设计人员来说是一个极大的挑战。

目前，通用化的前组合灯包含远光灯、近光灯、位置灯、转向灯，这不仅是处于成本考虑，而且也是由于位置灯及转向灯所需空间较小，其设计相对于远、近光灯来说，容易实现配光要求。因此，本文重点针对远、近光组合的前组合灯的设计方法进行分析和讨论。

1 设计思路

前组合灯的造型不仅与车体的造型紧密相关，而且也影响到车辆的经济性和动力性。

前组合灯的设计在轿车和商用车两种类型车上的方法是不同的。轿车前组合灯的设计可选择方案比商用车的设计方案要多些:首先是取决于成本，一般轿车上的前组合灯成本较高，少则一二百元，多则几千元，如果是高档汽车，上万元的前组合灯也不少见，而商用车的前组合灯最高也不超过三百元；其次是考虑汽车光源的可用范围，12V制式的汽车光源比24V制式的品种多；第三是考虑前组合灯的安装位置，轿车的前组合灯安装在发动机舱内，而商用车的前组合灯大多是布置在保险杠上，后部有转向机构，空间的限制约束着前组合灯的设计方案；最后是使用路况，商用车的使用路况比轿车的苛刻，前组合灯的安装位置在前车轮的前部，行车中易受到甩溅的泥水等。所以比较起来，商用车前组合灯设计要求更高。

2 商用车前组合灯的设计方案

前组合灯一般布置在保险杠上或驾驶室前脸上，由于在车辆整体高度偏下位置，而驾驶员的视线位置又较高，因此夜间行车时，由于高低位置的视觉差距，造成驾驶员常有照射路程不够远的感觉。

2.1 长度设计

中、重型商用车驾驶室的宽度一般在2m或2m以上，根据GB 4785《汽车和挂车外部照明灯及信号灯技术条件》要求，前照灯布置在驾驶室靠外侧。如果灯具的宽度不够，那么在驾驶室的正中央处将会有暗区，造成不安全因素。因此，设计初期应尽可能将灯具的长度加长。

2.2 层次设计

为使造型新颖，前照灯的布置排列多为纵向，在中、高档轿车上比较常见，显出大气，突出车型的高贵。但在商用车上，由于车体机构体积较大，特别是转向机构的布置，致使留给前照灯的空间有限，因此，在商用车上的前照灯设计应考虑横向排列。

2.3 灯具的集成度

从制造成本考虑，将法规要求的前转向灯、前位置灯与前照灯集成在一起，共用同一个透光镜。这样的好处是不仅成本节省，而且对灯具的空间位置也有了改善。图1为奔驰Atego 1017L前组合灯总成，重汽A7前组合灯总成如图2所示，一汽J6前组合灯总成如图3所示。

常见前组合灯的功能灯布置方式见表1。

2.4 光源的选择

对电源为24V系统，可采用的灯具光源有传统光源和LED光源。

2.4.1 传统光源

传统光源可参照GB 15766《道路机动车辆灯泡尺寸、光电性能要求》。对于近、远光灯，可选择的光源见表2、表3。

其中，R2灯泡为白炽灯泡，H1、H2、H3、H4、H7、 HB3、 HB4、 HS1、 H8、 H9、 HIR1、 HIR2、H11为卤素灯泡，目前R2白炽灯泡已基本不采用。

传统光源还包括氙气灯，具体型号见表4。

其中，D1S、D2S、D1R、D2R为有汞型气体放电灯，D3S、D4S、D3R、D4R为无汞型气体放电灯。

2.4.2 LED光源

LED灯具中，光源可以是LED阵列、LED模块或LED灯，具体定义如下。

1）LED阵列既不包括电源，也不包括标准灯头，也不能与分支电路直接连接。如图4所示。

2）LED模块不含有电源，不能与分支电路直接连接。如图5所示。

3）非整体式LED灯需要通过灯具中的灯座才能与分支电路连接。如图6所示。

表2 近光灯可选择光源

表3 远光灯可选择光源

表4 疝气灯型号

3 灯具设计

3.1 确定灯光组结构

灯光组是由配光镜、反光镜和灯泡组成的。灯光组的结构可分为配光镜配光式前照灯、多反射面配光式前照灯、投影式前照灯等。

3.1.1 配光镜配光式前照灯

配光镜是将反光镜反射后的光束向所需要的方向聚光或扩散，以达到希望的配光效果。在配光镜上的各棱镜是一个一个地计算出来的聚光镜单元，通过它们的组合设计最终得到所要求的照度值和光形。

前照灯配光镜所用的材料应该是透明度高，能够形成正确配光单元的高品质的材料。因为汽车前照灯配光镜总是受到外部环境的影响，所以要求它长期受到日晒不老化、不变色，并具有一定的强度和耐擦伤性、耐腐蚀性和耐候性等。

为了满足上述要求，过去前照灯配光镜都是用高纯度的无机玻璃制成，现在已大量采用不饱和聚酯热塑性有机材料制成。为了增加其表面的耐磨性，在配光镜的外表面需涂敷硅酯类保护层。这种有机材料配光镜的特点是设计自由度大，成型工艺也不像无机玻璃配光镜成型那样受到制约，对异型前照灯配光镜的设计和制造都有利。

用这种有机玻璃制成的配光镜可大幅度地减轻质量，大量生产的配光镜有机材料比重约是无机玻璃的50%，配光镜的厚度也减薄了50%左右，相同设计的配光镜质量约减轻到1／3～1／4。尺寸越大的配光镜，这种优越性就越明显。

GSM模块是整个系统设计的又一个核心组成。是用户和家居联系的纽带。GSM短信模块由无线模块SIM900A硬件、二极管、瓷片电容三部分组成，主要用于系统的通信方面。

这种配光镜配光式前照灯的反光镜一般使用薄钢板冲压或热固性塑料注塑制成，并在其工作表面蒸发涂敷一层铝反光膜，为了防止铝膜受热后挥发和增加其表面抗划伤硬度，还需在铝膜表面涂敷一层二氧化硅保护膜。

为了改善汽车前照灯近光的照明效果，目前多采用加大反光镜尺寸，特别是反光镜的横向尺寸。经实际测试表明:如果汽车前照灯反光镜的横向尺寸由130mm增大到260mm，汽车前方50m偏右侧的照度值可增加一倍。同时也大大增加了前照灯的照明宽度，这对汽车夜间行驶的安全性极为重要。

同样横向尺寸的反光镜，由于焦点位置不同，反光镜的效果也不同。焦距尺寸小的反光镜做成的前照灯可以提高地面和侧面的照度，这对汽车行驶弯路或转弯行驶时是非常有利的。但焦距小的反光镜需将前照灯总成做得很深，这会给整车布置带来一定的困难，并且也给反光镜的生产增加了难度。

目前，这种设计方式的前照灯已很少使用。

3.1.2 多反射面配光式前照灯

多反射面配光式前照灯，其配光是由改变反光镜上各个小的曲面单元灯光反射方向来达到配光性能要求，而配光镜变成了透明灯罩，不再承担配光功能。反光镜将光源发出的光通量反射到灯具照明的方向，将灯泡向空间发出的照射到反光镜上的光通量，从开口部分集中照射出来，以增大照明方向的灯光强度。多反射面配光式前照灯如图7所示。

3.1.3 投影式前照灯

投影式前照灯也称为复合椭圆面反光镜前照灯系统。它主要由多椭圆面反光镜、像屏、物镜及光源组成。多椭圆面反光镜是通过计算机辅助设计计算求得的。光源经过它反射后，不用配光镜就能达到法规要求的光形，像屏可以精确控制配光性能中所要求的明暗截止线，再经过高精度的物镜折射，最终获得高清晰度的光形，很好地达到法规要求的配光性能。

3.1.4 LED汽车灯具

LED汽车灯具是另一种特殊的汽车灯具，在电气设计时，应考虑灯具要使用LED特性、数量、灯具的安装地点，以及电气安全、恒流驱动、抗扰度和EMI，选择或设计合适的LED驱动电源。

LED驱动电源参数应考虑与内部元器件工作温度相关的测温点与温度、驱动方式 （恒压型、恒流型或恒压恒流混合型）、功率因数、输出电流和输出电压的稳定性、单一功率负载或功率范围负载、能效等级等。如果LED灯具是独立式安装，则其外壳防护等级、浪涌等特性要求也是重要参数。

驱动电源与LED模组的电气连接也是LED灯具电气系统的重要组成部分，应充分考虑这些电气连接的安全性，包括应采用标准的连接件、充分绝缘、防触电保护等。

LED汽车灯具必须满足电磁兼容特性，PCB设计初期应考虑到材料的选择、工序的设计等影响因素。

LED光源应用于汽车前照灯需要解决以下几个问题。

3.1.4.1 亮度输出

前照灯的亮度要求为:近光900lm，远光1000lm。

估算为整体亮度2000lm，约为40只1 W的LED在25℃时的总光源输出。这类LED当环境温度升至50℃时，效率会降至80%。为提高功率，需要更多数量的LED，这不仅会引起成本增加，也会使LED的故障率增加。

3.1.4.2 散热问题

传统光源产生的热量虽然远远高于LED，但不会因高温而降低其光输出，但LED光输出却会因LED的结温升高而下降。因此，散热问题在LED前照灯设计中非常重要。为防止LED过热而烧毁，需要加装散热片。由于前照灯需用很多个LED，加设散热片后体积会过于庞大，难以集成到灯具中。

LED的工作温度必须保持在50℃以下。对于LED散热问题的解决方案为:在一个灯具中使用数目较多的LED发光元件，让单元件的发热量较小，再把它们布置在较大的空间内使其易于散热。

LED灯具的散热方式除了采用大空间的被动散热方式外，还可以采用主动散热方式，即在灯具中增加风扇和通风管道，对于一些高档车型，通常会采取主动散热和被动散热相结合的方式进行设计，以达到更好的散热效果，提高LED灯具的使用寿命。

3.1.4.3 光学设计

利用LED作为光源设计灯具，需要将传统的柱光源变为面光源。为得到需要的流明输出，LED需要较大的封装面积，致使光学设计难度增大。在目前的一些概念车上，都以模块化设计取代现有的单一灯室设计，利用多组光源达到传统灯具的照明水平，从而减小了光学设计难度，并增加了车体造型设计感。

LED汽车灯具的配光设计应充分利用各单个LED光源的光通量，提高整个LED汽车灯光的利用率。

综述以上4种前照灯灯具，LED灯具由于成本较高，目前仅在高档轿车上采用，商用车还没有考虑；投影式灯具和多反射面灯具在轿车和商用车上较为常见；配光镜式灯具已逐渐淘汰。

3.2 法规要求

汽车前照灯在设计时要考虑到法规要求，相关法规为:GB 4785汽车和挂车外部照明和信号装置的安装规定，GB 4599汽车用灯丝灯泡前照灯，GB 7258机动车运行安全技术条件，GB／T 10485道路机动车辆-外部照明和光信号装置-环境耐久性。

3.3 前照灯调节装置

在前照灯装车后，应对灯具的照明方向进行调整。在灯具设计中，要求灯光在水平方向和垂直方向有2°～4°的调整量。调节机构应连接可靠，在汽车行驶中不得引起松动，以免引起车辆在行驶过程中的灯光跳动和灯光方向的改变。灯光调节应方便，在灯光调节中不能造成反光镜的变形，以免造成灯具光分布的改变。

国标要求新车型的灯光调节装置必须采用电动控制，因此驾驶室内需设计可调节的控制开关，通常设计的灯光调节装置结合了电动调节和手动调节两种方式。

3.4 线束组件设计

根据要求布置线束，导线应满足QC／T 730《道路车辆用薄壁绝缘低压电线》要求，所用的插接器应与线束端相匹配，插接器应具有良好的防水密封功能。

3.5 附加装置

附加装置一般设计在灯壳上，如用于固定外接线束的支架、线束的固定槽等。

4 结束语

汽车前组合灯设计对汽车整体造型有着关键主导作用。随着汽车市场的繁荣和汽车新技术的发展，前组合灯的设计应用也将会逐步发展和提高，对于汽车灯具设计师来说，需要挑战的难度也将越来越大，未来的前组合灯设计将是一个无比开阔的艺术舞台。