近光灯照射高度调节开关匹配方法

2020-05-08于华舟李角胜

北京汽车 2020年2期

于华舟，涂键，李角胜

（江西昌河汽车有限责任公司，江西景德镇 333001）

0 引言

近光灯作为汽车夜间在城市行驶时的光照设备，为用户提供前方道路障碍的实时信息，在为驾驶员提供良好的驾驶视野的前提下，不能影响到左侧会车车辆驾驶员的驾驶视线，其照射高度应满足实际需要。为保证照射效果不受载荷变化的影响，车辆需增加调光开关对前照灯的照射高度进行适时的调节。目前，调光开关采用了计算匹配或平台借用的方式；但因缺少实车配重试验验证，均存在理论与实际产生误差的问题，甚至有可能无法满足法规要求。本文将理论与实际相结合，介绍3种基于配重试验的调光开关匹配方法。

1 照射高度要求

汽车近光灯的灯光在实际设计和使用时，其照射位置相对于基准中心高度会向下倾斜一定的角度，称之为倾斜度，通常用百分数来表示。倾斜度是综合了法规要求、灯光性能、驾驶视野和制动安全距离等因素匹配设计的结果；近光灯在初始倾斜度位置时的照射效果最佳。按照GB 47 85—2007《汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》，倾斜度计算式为[1]

式中：a为倾斜度，用百分数表示；h1为在垂直屏幕上测量上述特性点的离地高度，mm，该垂直屏幕与车辆纵向对称平面垂直，且位于车前L距离处；h2为基准中心的离地高度，mm，该基准中心是h1特性点的标称原点；L为屏幕到基准中心的距离，mm。

如图1所示，负值表示向下的倾斜度，正值表示向上的倾斜度。

图1 近光光束倾斜度

车辆在出厂时均会经过调光处理，将近光灯光照位置调整到初始倾斜度的位置；但在用户使用过程中，由于车辆载荷会根据载质量的不同发生变化，会导致光轴中心和近光明暗截止线高度发生相应的改变。一般来说，车辆满载时，灯光照射位置将向下移动，使驾驶员在夜间的驾驶视野降低，影响行车安全。为了保证驾驶员的夜间驾驶视野，需要增加灯光高度调节装置来应对不同载荷条件下的车辆，使车辆在各种载荷下均能满足近光灯的倾斜度位于初始值位置，确保近光灯达到最佳照射效果。

2 高度调节原理

为实现近光灯光束的高度调节，可通过在近光灯反射镜后面装备一个带有调光球头的调光电机，调光球头连接了反射镜的下部，当调光球头在进行伸长或缩短运动时，驱动反射镜发生一定角度的转动。如图2所示，当调光球头向箭头方向运动时，反射镜下方跟随电机同步向箭头方向运动，从而实现了反射镜下部向内侧缩进，上部向外侧伸出，表现出来的运动趋势为反射镜整体做顺时针转动，此时的灯光照射高度会降低；反之，反射镜做逆时针转动，灯光照射高度调高。

图2 调光原理示意图

通过图2可以看出，调光高度最终由调光电机球头所处的位置决定，调光电机球头的行程位置由调光电机的特性决定。调光电机会对调光开关输入的控制电压进行采样，将采样电压值与电源电压值进行对比确定其球头的行程位置。

调光电机的选用应结合调节范围及灯具结构条件，根据调节范围、密封性、电磁兼容、走线方式、成本、工作噪声、精度和速度等方面的性能进行综合考虑[2]。其特性曲线为行程与输入控制电压之间的关系曲线，在不同的输入电压下，调光球头的行程不一样，特性曲线如图3所示。

虚线部分为电机的极限工作位置，实线部分所围成的区域为可合理利用区。设置合理工作区域的目的是为了避免发生过调而导致调节机构卡死、脱落，或发生反射镜与其他部件干涉而引起光线变形的现象。

图3 调光电机特性曲线图

从图3中可以看出，输入的控制电压越高，球头杆越往内侧缩进；输入的控制电压越低，球头杆越向外侧顶出。当球头杆缩进或顶出时，近光灯的光束是调高还是调低，需要综合调光电机的布置位置来确定。当调光电机布置在反射镜下部时，调光电机越缩进，近光光束则越低，当调光电机布置在反射镜上部时，调光电机越缩进，近光光束则越高；反之亦然。

调光电机的电压行程特性可表示为

式中：l为调光电机的行程；k为特性曲线的斜率；Ub为调光电机的输入电压；lmax为调光电机的最大行程值。

因输入的电源电压存在波动，在电路设计上，应使调光开关与调光电机的输入工作电压为同一电源，使调光电机的采样电压与电源电压比值维持恒定，保证夜间行车时近光光线的稳定性，同时也提高了调光电机的使用寿命，电路设计如图4所示。

图4 调光开关与调光电机线路原理图

3 调光开关匹配方法

调光开关的匹配过程通过实车配重试验进行，确定在不同的配重负载情况下近光光束的倾斜度，并将各负载状态的倾斜度与初始倾斜度进行差异对比，用以确定各负载状态下所需调节的角度值，并通过此角度值换算出调光电机所需输入的控制电压百分比，最终计算出调光开关各分压电阻的阻值大小。在进行配重试验时，驾驶员和乘员体重均应按75 kg/人进行配备，后备厢质量应使汽车达到最大允许总质量。另外，车辆离墙面或屏幕的距离L最少为10 m，距离越大，在进行光轴中心和拐点离地高度测量时会越精准。

调光开关的挡位分配方法有3种：姿态分配法、平均分配法和限值分配法。

1）姿态分配法

姿态分配法能较好地实现近光光束在5种常见负载的整车姿态下，均能被调节到初始倾斜度位置，使近光灯达到最佳的照射效果。在进行配重试验时，应根据灯具上标识的初始倾斜度和测量的光轴中心高度，通过式（1）计算出各种负载状态下的拐点离地高度理论值。然后利用直流变压器给调光电机控制端输入不同的电压值，灯光高度将随输入的不同电压值而发生变化。当光线的拐点高度正好为计算出的理论值时，记录此时的输入电压Ub。为使测量结果准确，左侧和右侧均需单独测量，最终的电压值为左、右两侧测量值的平均值，见表1。在进行匹配前，应先测量蓄电池两端的电压Uc，Ub/Uc的比值即为分压百分比。在输入电压Ub调节过程中，其值不能超过调光电机极限位置所对应的电压值。

2）平均分配法

车辆在实际使用时，除5种常见负载之外，还存在其他负载情况，使用平均分配法，可以使调光开关满足实际的使用需求。对汽车常用的5种负载状态进行近光光束光轴中心和明暗截止线（或光束投影的拐点处）的离地高度测量，见表1，并依次计算出各负载状态下的左、右两侧近光光束的下倾角，其正切值为倾斜度。找出下倾角差值最大的2个值，将其差值作为所需的调光角度范围限值θ。在确定调光角度范围限值θ后，可将其平均分为n挡，每挡需要调节的角度值为θ/n，每挡的调节角度所对应的电压信号百分比需要根据调光机构参数和调光电机特性图进行计算。从图2中可以看出，调光调节角度θ的正切值正好等于调光电机球头杆的行程距离与调光机构2个支点距离的比值

式中：θ为调光角度值；l为电机球头杆工作行程；H为调光机构支点间距。

表1 常见负载状态下的高度测量表

3）限值分配法

限值分配法是不对调光开关的挡位进行细分，而是将调光开关设计为只有0挡和1挡2个限值调光位置，在0挡和1挡之间可实现近光光束高度的无级调节。通过平均分配法的方式计算出调光角度范围限值θ后，直接将θ角度作为调节1挡，将调光电机的初始出厂位置作为0挡。

在完成调光开关控制电压的百分比计算之后，最后进行开关的匹配设计，调光开关的内部电路原理图如图5所示。3脚接电源输入，4脚接调光电机控制端，2脚接地，1脚为背光工作电源，R1～R5为调光匹配电阻，其阻值大小及开关挡位影响4脚的采样电压值，R0为限流电阻，保证开关电路的电流在10 mA左右，R6为背光电路电阻，不影响调光。

图5 调光开关内部电路原理图

根据图5，调光开关可实现4挡信号电压百分比，分别为：

（1）第0挡电压百分比为：R1/(R1+R2+R3+R4+R5），其百分比值为调光电机的出厂初始位置；

（2）第1挡电压百分比为：（R1+R2)/(R1+R2+R3+R4+R5）；

（3）第2挡电压百分比为：(R1+R2+R3)/(R1+R2+R3+R4+R5）；

（4）第3挡电压百分比为：(R1+R2+R3+R4)/(R1+R2+R3+R4+R5)。

4 软件测试

使用电路图软件对电路中各电阻的阻值进行设计和验证，最终计算出调光开关各调光电阻R1～R5的阻值，通过开关的限流要求，计算出限流电阻R0的阻值。以无级调光开关距离为例，当需要设计一个能实现采样电压百分比为20%～50%的开关时，该调光开关的0挡应能使调光电机回到初始位置，即采样的电压百分比为20%，而1挡位置的采样电压应能使调光电机实现近光光束调节到最低位置。使用Multisim软件，对调光开关内部调光电路各阻值的匹配结果进行模拟测试，测试结果如图6和图7所示。图6为滑动变阻为0%时，采样电压为2.4 V，占比20%；图7为滑动变阻为100%时，采样电压为6 V，占比为50%，满足设计需求。