某车型汽车前照灯照度性能差的原因分析及整改措施和评价标准建立
2019-11-28秦刚
秦 刚
(东风柳州汽车有限公司乘用车技术中心,广西 柳州545005)
0 引言
T5是我司新推出的一款C级紧凑型SUV,在该车上市前,组织内部员工试乘试驾,在试乘试驾活动中反馈前照灯照度性能差,同时在对该车开展的整车性能主观评价活动中,也反馈前照灯主观评价分数较低,主要问题为:近光灯亮度不足,光线不均匀,车前灯光近场区偏暗,左右照射范围窄;远光灯亮度不足,光线不均匀。通过对该问题的分析,找到影响前照灯照度的主因,并完善相关技术要求和设计规范,制定更全面、更接近实际驾驶需求的照度评价标准,为后续车型的前照灯开发提供技术支撑。
汽车和车灯是密切关联的。在夜晚或照明较低的车况下,如果没有车灯,汽车将寸步难行。世界汽车安全事故统计资料表明:夜间发生的交通事故是白天的三倍,照明状况不良时的事故率又是照明良好时的三倍。全世界每年汽车交通事故伤亡人数在1000万以上,其中死亡者约50万[1]。可见汽车灯具照明在汽车安全性中的重要地位。
1 照明的基本概念
光通量、光强、照度、亮度,其四者的相互关系如图1所示。
图1 光通量、光强、照度、亮度的关系图
1.1 光通量
光通量,符号Φ,单位为Lm(Lumen):点光源或非点光源在单位时间内所发出的能量即称为光通量。1流明(Lm)定义为一国际标准烛光的光源在单位立体弧角内所通过的光通量。
1.2 光强
光强,符号 I,单位 Cd(Candela):光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量,简称光强。
1.3 照度
照度,符号E,单位勒克斯Lm/m2(Lux或Lx):单位面积内所入射光的量,也就是光通量除以面积(m2),所得到的值用来表示某一场所的照明度。可用照度计直接测量。被光均匀照射的物体,在1 m2面积上得到的光通量是1 Lm时,它的照度是1 Lx。
1.4 亮度
亮度,符号为LL=di/ds,单位为cd/m2(坎德拉每平方米):光源在某一方向上的单位投影面积在单位立体角中反射光的数量,称为光源在某一方向的光亮度。
2 前照灯功能及法规照度要求
2.1 前照灯的功能
前照灯也称大灯或头灯,主要提供远光,或近光,或远、近光的照明车辆前方道路的灯具,灯光光色为白色。远光灯是提供照明车辆前方远距离道路的灯具;近光灯是提供照明车辆前方道路,对来车驾驶员和其他使用道路者不造成眩目,或产生不舒适感的灯具[2]。
2.2 前照灯照度的法规要求
国家法规《GB 4599-2007汽车用灯丝灯泡前照灯》和《GB 25991-2010汽车用LED前照灯》对前照灯的远近光各个点的照度明确了相关要求[3],如图2所示,所有在中国销售的汽车的前照灯照度必须满足这些要求。
图2 法规近远光照度值要求
3 现状及问题
T5前照灯集成远近光功能,远近光共用一个光源,采用双光透镜,光源采用H7型号的卤素灯泡。前期通过配光软件Lucid Shape进行路面照度模拟分析,T5前照灯远近光的配光参数满足法规要求,实车配光测试也满足。但实车路面照度主观评价,近光存在照度光线不均匀、亮度不足、照射宽度窄,远光存在照射距离短等问题。
3.1 现状
根据前期配光软件模拟分析,各个关键点照度均符合法规要求,同时我司还提高了远近光3个测试点要求:近光50R测试点光照度不低于16 Lx,75R测试点光照度不低于20 Lx,远光灯的最大亮度不低于70 Lx,均满足法规和设计要求,如图3所示。
图3 T5近远光照度软件分析结果
3.2 问题
实车路面照度主观评价,存在照度光线不均匀、亮度不足、照射宽度窄、照射距离短等问题,如图4所示。
图4 T5实车路面照度效果
4 原因分析及措施
通过以下分析方法,如图5所示,分析“前照灯照度性能差”的影响因素。
图5 “前照灯照度性能差”分析
根据以上分析,得出“前照灯照度性能差”的5个影响因素,如图6所示,现通过详细分析来排除非要因,确认要因:
图6 “前照灯照度性能差”的5个影响因素
4.1 光源选型
前照灯常用卤素灯泡型号及其参数如图7所示,目前T5前照灯选用H7灯泡光源,受灯具结构限制,无法直接更换其它型号的灯泡光源,光通量无法再提升。但对比某竞品车前照灯的近光、远光光源均采用H7灯泡,经路面照度主观评价,整体效果优于T5,如图4和图8所示。故光源选型对路面照度有一定影响,但不是要因。
本研究当中使用SPSS17.0软件对两对半检验结果进行统计分析,计量资料使用t检验的方式进行计算分析,并使用(±s)表示统计结果,所有计数资料均采用卡方检验的方法进行计算,以p<0.05表示该项数据具有统计学意义。
图7 常用卤素灯泡型号及其参数
图8 某竞品采用H7光源路照效果
4.2 透镜选型
目前我司普遍采用的透镜为φ70 mm、表面不带配光花纹的透镜。根据光学折射原理,不同波长的光折射角不同,导致透镜照射出来的光会产生发蓝、发彩的现象,如图9所示。透镜表面的配光花纹对灯光均匀性有一定改善,但不是影响前大灯性能差的要因。
图9 透镜花纹对光的影响
4.3 造型限制
为验证T5前照灯造型(主要是装饰框,下同)对灯光性能的影响,将T5前照灯装配上光通量更大的HB3光源透镜,光源更换前后的路面照度对比结果如图10所示,采用HB3光源透镜后灯光性能有提升,但与HB3裸透镜照度性能对比,造型对照度性能影响较大(近光最大差值百分比107.80%,远光最大差值百分比104.20%)。
图10 路面照度对比
T5与我司X5、竞品车透镜造型及光源类型进行对比:在同样的光源及透镜尺寸下,T5透镜被装饰框遮挡较多,影响远近光灯的照度宽度及均匀性,如图11所示。
图11 造型尺寸对比
通过以上数据分析,同一光源透镜,在不同造型的前照灯上,其照度性能不一样,由于T5远近光透镜在水平方向严重被装饰框遮挡,导致照度宽度变窄;垂直方向被装饰框遮挡,导致照射距离变短。
4.4 技术要求过于简单、不全面
国家法规照度只对某些关键点的照度值进行了规定,并且仅定义了下限要求,但实际驾驶者观察路面是面而不是某几个点:在城市或低速车况中,对靠近车前的近场区域照度值要宽、均匀,以便观察车前及两侧车况;在高速或户外车况中,对车前远距离区域的照度值要中心点亮、照射距离远,以便提前发现车前车况。
我司在国家法规基础上,仅对其中3个点提出了特殊要求:近光灯在50R测试点的照度值不低于16 Lx,在75R测试点的照度值不低于20 Lx,远光最大照度值(HV点)不低于90 Lx。同样存在以上缺陷,前照灯配光性能技术要求不全面,仅对法规中的3个点(如图12所示)的光强进行了特殊规定,但对路照宽度、均匀性、距离等均未进行定义,造成光线不均匀、宽度不足,不符合实际驾驶照明要求。
图12 特殊要求的3个点
4.5 反射镜精度不足
对目前T5前照灯反射镜的外观目视检查、镀铝时间、附着力试验、耐碱、高温试验,试验均合格,反射镜精度不足不是导致前大灯性能差的要因。
4.6 确认要因
根据以上分析,得出影响前照灯性能的要因,如图13所示,主要是造型限制、技术要求不全面。
图13 要因
5 解决措施
5.1 造型边界限制
5.2 技术要求细化、全面
技术要求中增加照度的宽度、均匀性要求,完善远、近光照度评价标准,制定更接近驾驶者实际路面照度要求的标准。
(1)建立灯具路照5Lx曲线照度评价标准,对路面等照度曲线的梯度、宽度、形状进行定义。
(2)完善灯具开发流程,在灯具开发过程中,不仅在数据设计阶段进行配光模拟分析和单品的室内配光验证,同时根据5Lx照度评价标准(如图14和图15所示),在整车上进行相关点的照度值测。
(3)增加实车路面照度主观评价,从驾驶者实际使用环境去评价照明效果:路照宽度、均匀性等。
图14 5 Lx近光照度评价标准
图15 5Lx远光照度评价标准
通过以上建立的评价标准,将竞品车与我司车辆放在同一个评价场地,采用仪器测试前照灯的实际照度值,通过图16所示的实际测量参数可看出我司高配前照灯与竞品车的前照灯在W40(m)、W60(m)、E65(Lx)、L(m)区域上的照度值存在一定差距,低配前照灯在 W5(m)、W20(m)、W40(m)、W60(m)、E10(Lx)、E65(Lx)区域上的照度值存在一定差距,同时与主观评价的结果一致。
图16 与竞品实际参数对比
6 建立标准
建立灯具路面照度评价标准,对路面5 Lx等照度曲线的形状进行规定,且各等照度曲线不能有内凹现象、同纬度的路照曲线只能形成一个闭环,不得出现2个或以上的闭环,如图17所示。根据车型的定位和成本,设定等级1至等级5的五个等级,确定各个等级前照灯路照满足的性能参数,如图18和图19所示。
图17 照度曲线的形状规定
图18 近光照度评价标准及等级
图19 远光照度评价标准及等级
7 结论
保证汽车在夜间及能见度较低的车况下安全、高速行驶,改善车内驾乘环境,便于车辆使用,对前照灯的照明提出了更高的要求,本文结合案例,分析影响照度的主因,建立更符合驾驶者需求的照度评价和设计标准,为后续前照灯开发提供了更好的参考借鉴。