汽車前照燈明暗截止線偏移問題探討

鄭志軍 胡永亮

(上海大眾汽車有限公司，上海 200335)

1 問題

汽車前照燈近光明暗截止線的高低意味著近光在路面上照射距離的遠近;近光截止線太高容易使對面的來車或行人感到炫目，太低則照得太近，使駕駛員無法看到車前較遠的距離;因此，近光明暗截止線的高度穩定對于行車安全和駕駛體驗都非常重要。

前照燈除了自身光源發熱外，大多還位于溫度較高發動機艙內;再加上發動機的振動和車輛的顛簸，前照燈基本是工作在高溫和振動的環境中的;這樣的環境往往會使明暗截止線在經歷一段時間后偏離初始設定的合適的高度。在前照燈的開發中，我們通過振動和高溫試驗來檢驗燈具抵抗這種環境的能力;大眾集團對于截止線偏移的要求是，經過溫度或振動試驗后，截止線的高度最多允許下降0.2%［1］，即在 10m屏幕上的偏移量不得超過20mm，這是前照燈應該達到的技術要求，同時也是燈具開發的難點。本文將以上海大眾新帕薩特的氙燈為例，闡述截止線偏移問題常見的原因、分析方法和綜合解決方案。

2 分析

新帕薩特氙燈如圖1。

圖1 新帕薩特氙燈及其固定點

明暗截止線在10m墻上偏移的直接原因是從投射鏡組發出的近光光束的下傾角度發生改變;作為一個成熟應用的模塊，假設投射鏡組內部結構穩定，那么，光束方向改變的唯一原因就是投射鏡組本身俯仰角度的變化;為了便于分析，現將跟投射鏡組有關的燈內零件單獨摘列出來，如圖2;圖3描述了各個相關零件之間的聯接關系;

圖2 投射鏡組及其相關零件

圖3 投射鏡組及其相關零件聯結關系

假設試驗臺和測試屏幕試驗前后都完好無損，如果試驗后明暗截止線在10m屏幕上的高度發生了變化，那么可以推斷，圖3所列零件中至少有下面兩個條件之一出現:(1)至少有一個零件的幾何形狀或尺寸發生了變化;(2)至少有兩個零件之間的相對位置關系發生了變化。如果所有這些零件及其位置關系都沒有變化，截止線在試驗后就不可能會發生偏移。經過分析，我們認為試驗后可能導致零件形狀和及其位置關系發生變化的原因可以分為以下幾類。

1)機械松動。

a)從圖3可以看出，從投射鏡組到試驗臺(或車身)共經歷了11處相互聯結的配合結構，每一處配合結構，尤其是 (2)、 (3)、 (5)、 (6)、(7)等可以相互運動的聯結，試驗后其間隙和配合松緊程度都可能發生變化。可以通過對比測量試驗前后間隙和松緊程度的變化找出具體是哪一組配合關系發生了變化。需要注意的是，試驗前后的配合情況有時具有隨機性，因而需要多測量一些樣本才能得出可靠的結論，下文提到的試驗也是如此。

b)間隙和松緊程度在試驗后的改變程度在很大程度上取決于零件的初始配合間隙;初始間隙越大，試驗后可能產生的變化越大，體現在10m屏幕上就是截止線的偏移;在滿足功能的前提下，應盡量減小各個零件之間的配合間隙;開發過程中發現，零件本身尺寸的偏差是造成配合情況不能達到要求的非常普遍的原因;確保零件本身的尺寸符合設計要求本是解決此問題最基礎的工作，但由于目前國內零部件供應商在生產工藝和質量管理方面的水平參差不齊，這往往也成為最難確保的工作。

2)零件變形。

a)圖3所列的零件中，投射鏡組支架、3個球頭套、2個調光馬達支架和燈體都是塑料件，這些零件在高溫和力的作用下發生變形常常難以避免。

b)首先可以通過三坐標測量機等對比測量試驗前后相關零件的形狀和尺寸，以確定具體是哪些零件在哪些部位發生了變形。

c)零件結構不合理也容易導致在高溫和受力時產生變形。變形部位之所以變形，大部分是因為變形部位的強度和剛度不足以抵抗其所受到的力。雖然理論上常常難以對變形部分精確地計算所受的力以及所需的強度和剛度，但做到以下幾點基本可以消除這樣的隱患:(1)避免較長的懸臂受力結構;(2)以保守的原則對可能薄弱的部位進行加強;(3)以保守的原則增加輔助支撐或輔助受力點。

d)零件材料的類型、生產廠家、牌號、注塑工藝和熱處理工藝可能影響材料變形的程度。如果確認某一個零件在試驗后發生了變形，可以通過這些不同組合因素的交叉試驗來確定具體是什么因素導致了零件的變形，進而制定相應措施。

例如，新帕薩特氙燈早期燈體的變形對于明暗截止線的偏移有明顯影響，通過對比試驗，我們確定了如下有效的優化措施:(1)使用蘇州旭光生產的PP-T40材料;(2)在部分零件剛度不足的部位增加加強肋;(3)對燈體總成1小時110℃回火。

3)零件的支撐點和重心不匹配容易造成零件內部產生應力，進而在長時間高溫試驗中產生變形，在振動試驗中使配合關系惡化。

圖4簡化了投射鏡組放在燈體中的結構。從該圖中可以看出，燈內投射鏡組的重心在其支撐點的前方，在重力作用下有繞其支撐點順時針轉動的趨勢，即讓投射鏡組下傾，這種趨勢在高溫試驗中容易因材料的變形而成為現實，進而導致10m屏幕上的明暗截止線向下偏移;同樣的道理，氙燈的重心在其支撐點后方，則容易導致10m屏幕上的明暗截止線向上偏移。

圖4 零件的支撐點和重心不匹配問題示意圖

在這個例子中，兩者對于截止線偏移的影響正好相反，可以部分消除實際的截止線偏移。但這種組合的缺陷在于，雖然是相互抵消的關系，但投射鏡組和燈體上的零件都因受力不均而變形，零件之間的配合也因此惡化，進而降低了燈具的質量。整燈及其內部零件的重心及支撐點在燈具生產出來以后一般來說是很難更改的，因此在燈具開發初期需要規劃好，使其支撐點和重心保持一致，至少不應有明顯的偏差。

4)高度調光馬達精度對于明暗截止線的影響。

根據國標GB4785［2］的要求，所有大燈必須安裝高度調光馬達。在新帕薩特大燈中，投射鏡組由三個球頭結構固定在大燈中，其中一個球頭連接高度調光馬達，如圖5所示。當調光馬達的球頭按圖示方向前后運動時，整個投射鏡組繞著另外兩個球頭連線所形成的軸 (下稱“投射鏡組轉動軸”)轉動，進而實現燈光高度的調節。

圖5 調光馬達間隙對明暗截止線偏移的影響

一般來說，馬達球頭在運動方向都會有誤差，或稱為間隙。例如，如果馬達行程的間隙為±0.05mm，則意味著投射鏡組跟馬達連接的球頭有最大0.1mm的隨機竄動量。如圖所示，新帕薩特馬達距轉動軸70mm，1mm的球頭移動量意味著在10mm屏幕上明暗截止線的偏移為14.3mm，這跟大眾集團標準所要求的上限20mm(0.2%)已經很接近了。

如果將投射鏡組轉動軸距提高到100mm，那么馬達0.1mm的間隙意味著10mm的截止線偏移。

以上計算可以說明:(1)馬達竄動量將會被放大100倍 (假設轉動軸距為100mm)或更多而成為明暗截止線在10m屏幕上的偏移量，因此應盡量提高馬達運動精度;(2)設計時應盡量增加投射鏡組轉動軸距，建議100mm以上。(3)馬達竄動量占據了標準所允許的20mm的一半或更多，這就要求燈具其他部分的配合要非常精確。(4)這樣的計算方法也適用于由其他因素直接或間接引起的投射鏡組球頭部分在X向 (前后方向)的位置偏差，因此在分析問題時，應尤其關注影響投射鏡組球頭在X向位置精確度的因素。

3 解決方案

綜上所述，對于明暗截止線高度在高溫和振動試驗后發生偏移的問題，可以通過下面的措施來加以預防和解決:

(1)設計中盡量保證部件重心和支撐點相對應;

(2)設計中考慮受力薄弱環節，預留加強結構;

(3)設計中盡量增加投射鏡組轉動軸距;

(4)設計中盡量選用高精度調光馬達;

(5)選用合適的材料和工藝;

(6)試驗中發現問題后應通過較多樣本進行對比測試以確定問題所在，進而采取相應對策。

4 其他

以上分析假設投射鏡組內部結構穩定，如果對此并不確定，那么也可以采取上面同樣的思路對于投射鏡組進行原因分析和試驗驗證，進而采取相應的措施，不再贅述。

以上是以功能結構都相對復雜的新帕薩特放電前照燈為例做了介紹，對于其他車型的放電燈和其他類型的燈具，如鹵素燈和各種前霧燈，分析和解決問題的方法也是類似的。

［1］Headlights Europe/USA Functional Requirements．Volkswagen AG．TL909—2005．

［2］GB4785—2007．汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規定．