近光燈照射高度調節開關匹配方法

于華舟，涂 鍵，李角勝

（江西昌河汽車有限責任公司，江西 景德鎮 333001）

0 引 言

近光燈作為汽車夜間在城市行駛時的光照設備，為用戶提供前方道路障礙的實時信息，在為駕駛員提供良好的駕駛視野的前提下，不能影響到左側會車車輛駕駛員的駕駛視線，其照射高度應滿足實際需要。為保證照射效果不受載荷變化的影響，車輛需增加調光開關對前照燈的照射高度進行適時的調節。目前，調光開關采用了計算匹配或平臺借用的方式；但因缺少實車配重試驗驗證，均存在理論與實際產生誤差的問題，甚至有可能無法滿足法規要求。本文將理論與實際相結合，介紹3種基于配重試驗的調光開關匹配方法。

1 照射高度要求

汽車近光燈的燈光在實際設計和使用時，其照射位置相對于基準中心高度會向下傾斜一定的角度，稱之為傾斜度，通常用百分數來表示。傾斜度是綜合了法規要求、燈光性能、駕駛視野和制動安全距離等因素匹配設計的結果；近光燈在初始傾斜度位置時的照射效果最佳。按照GB 47 85—2007《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規定》，傾斜度計算式為[1]

式中：a為傾斜度，用百分數表示；h1為在垂直屏幕上測量上述特性點的離地高度，mm，該垂直屏幕與車輛縱向對稱平面垂直，且位于車前L距離處；h2為基準中心的離地高度，mm，該基準中心是h1特性點的標稱原點；L為屏幕到基準中心的距離，mm。

如圖1所示，負值表示向下的傾斜度，正值表示向上的傾斜度。

圖1 近光光束傾斜度

車輛在出廠時均會經過調光處理，將近光燈光照位置調整到初始傾斜度的位置；但在用戶使用過程中，由于車輛載荷會根據載質量的不同發生變化，會導致光軸中心和近光明暗截止線高度發生相應的改變。一般來說，車輛滿載時，燈光照射位置將向下移動，使駕駛員在夜間的駕駛視野降低，影響行車安全。為了保證駕駛員的夜間駕駛視野，需要增加燈光高度調節裝置來應對不同載荷條件下的車輛，使車輛在各種載荷下均能滿足近光燈的傾斜度位于初始值位置，確保近光燈達到最佳照射效果。

2 高度調節原理

為實現近光燈光束的高度調節，可通過在近光燈反射鏡后面裝備一個帶有調光球頭的調光電機，調光球頭連接了反射鏡的下部，當調光球頭在進行伸長或縮短運動時，驅動反射鏡發生一定角度的轉動。如圖2所示，當調光球頭向箭頭方向運動時，反射鏡下方跟隨電機同步向箭頭方向運動，從而實現了反射鏡下部向內側縮進，上部向外側伸出，表現出來的運動趨勢為反射鏡整體做順時針轉動，此時的燈光照射高度會降低；反之，反射鏡做逆時針轉動，燈光照射高度調高。

圖2 調光原理示意圖

通過圖2可以看出，調光高度最終由調光電機球頭所處的位置決定，調光電機球頭的行程位置由調光電機的特性決定。調光電機會對調光開關輸入的控制電壓進行采樣，將采樣電壓值與電源電壓值進行對比確定其球頭的行程位置。

調光電機的選用應結合調節范圍及燈具結構條件，根據調節范圍、密封性、電磁兼容、走線方式、成本、工作噪聲、精度和速度等方面的性能進行綜合考慮[2]。其特性曲線為行程與輸入控制電壓之間的關系曲線，在不同的輸入電壓下，調光球頭的行程不一樣，特性曲線如圖3所示。

虛線部分為電機的極限工作位置，實線部分所圍成的區域為可合理利用區。設置合理工作區域的目的是為了避免發生過調而導致調節機構卡死、脫落，或發生反射鏡與其他部件干涉而引起光線變形的現象。

圖3 調光電機特性曲線圖

從圖3中可以看出，輸入的控制電壓越高，球頭桿越往內側縮進；輸入的控制電壓越低，球頭桿越向外側頂出。當球頭桿縮進或頂出時，近光燈的光束是調高還是調低，需要綜合調光電機的布置位置來確定。當調光電機布置在反射鏡下部時，調光電機越縮進，近光光束則越低，當調光電機布置在反射鏡上部時，調光電機越縮進，近光光束則越高；反之亦然。

調光電機的電壓行程特性可表示為

式中：l為調光電機的行程；k為特性曲線的斜率；Ub為調光電機的輸入電壓；lmax為調光電機的最大行程值。

因輸入的電源電壓存在波動，在電路設計上，應使調光開關與調光電機的輸入工作電壓為同一電源，使調光電機的采樣電壓與電源電壓比值維持恒定，保證夜間行車時近光光線的穩定性，同時也提高了調光電機的使用壽命，電路設計如圖4所示。

圖4 調光開關與調光電機線路原理圖

3 調光開關匹配方法

調光開關的匹配過程通過實車配重試驗進行，確定在不同的配重負載情況下近光光束的傾斜度，并將各負載狀態的傾斜度與初始傾斜度進行差異對比，用以確定各負載狀態下所需調節的角度值，并通過此角度值換算出調光電機所需輸入的控制電壓百分比，最終計算出調光開關各分壓電阻的阻值大小。在進行配重試驗時，駕駛員和乘員體重均應按75 kg/人進行配備，后備廂質量應使汽車達到最大允許總質量。另外，車輛離墻面或屏幕的距離L最少為10 m，距離越大，在進行光軸中心和拐點離地高度測量時會越精準。

調光開關的擋位分配方法有3種：姿態分配法、平均分配法和限值分配法。

1）姿態分配法

姿態分配法能較好地實現近光光束在5種常見負載的整車姿態下，均能被調節到初始傾斜度位置，使近光燈達到最佳的照射效果。在進行配重試驗時，應根據燈具上標識的初始傾斜度和測量的光軸中心高度，通過式（1）計算出各種負載狀態下的拐點離地高度理論值。然后利用直流變壓器給調光電機控制端輸入不同的電壓值，燈光高度將隨輸入的不同電壓值而發生變化。當光線的拐點高度正好為計算出的理論值時，記錄此時的輸入電壓Ub。為使測量結果準確，左側和右側均需單獨測量，最終的電壓值為左、右兩側測量值的平均值，見表1。在進行匹配前，應先測量蓄電池兩端的電壓Uc，Ub/Uc的比值即為分壓百分比。在輸入電壓Ub調節過程中，其值不能超過調光電機極限位置所對應的電壓值。

2）平均分配法

車輛在實際使用時，除5種常見負載之外，還存在其他負載情況，使用平均分配法，可以使調光開關滿足實際的使用需求。對汽車常用的5種負載狀態進行近光光束光軸中心和明暗截止線（或光束投影的拐點處）的離地高度測量，見表1，并依次計算出各負載狀態下的左、右兩側近光光束的下傾角，其正切值為傾斜度。找出下傾角差值最大的2個值，將其差值作為所需的調光角度范圍限值θ。在確定調光角度范圍限值θ后，可將其平均分為n擋，每擋需要調節的角度值為θ/n，每擋的調節角度所對應的電壓信號百分比需要根據調光機構參數和調光電機特性圖進行計算。從圖2中可以看出，調光調節角度θ的正切值正好等于調光電機球頭桿的行程距離與調光機構2個支點距離的比值

式中：θ為調光角度值；l為電機球頭桿工作行程；H為調光機構支點間距。

表1 常見負載狀態下的高度測量表

3）限值分配法

限值分配法是不對調光開關的擋位進行細分，而是將調光開關設計為只有0擋和1擋2個限值調光位置，在0擋和1擋之間可實現近光光束高度的無級調節。通過平均分配法的方式計算出調光角度范圍限值θ后，直接將θ角度作為調節1擋，將調光電機的初始出廠位置作為0擋。

在完成調光開關控制電壓的百分比計算之后，最后進行開關的匹配設計，調光開關的內部電路原理圖如圖5所示。3腳接電源輸入，4腳接調光電機控制端，2腳接地，1腳為背光工作電源，R1～R5為調光匹配電阻，其阻值大小及開關擋位影響4腳的采樣電壓值，R0為限流電阻，保證開關電路的電流在10 mA左右，R6為背光電路電阻，不影響調光。

圖5 調光開關內部電路原理圖

根據圖5，調光開關可實現4擋信號電壓百分比，分別為：

（1）第0擋電壓百分比為：R1/(R1+R2+R3+R4+R5），其百分比值為調光電機的出廠初始位置；

（2）第1擋電壓百分比為：（R1+R2)/(R1+R2+R3+R4+R5）；

（3）第2擋電壓百分比為：(R1+R2+R3)/(R1+R2+R3+R4+R5）；

（4）第3擋電壓百分比為：(R1+R2+R3+R4)/(R1+R2+R3+R4+R5)。

4 軟件測試

使用電路圖軟件對電路中各電阻的阻值進行設計和驗證，最終計算出調光開關各調光電阻R1～R5的阻值，通過開關的限流要求，計算出限流電阻R0的阻值。以無級調光開關距離為例，當需要設計一個能實現采樣電壓百分比為20%～50%的開關時，該調光開關的0擋應能使調光電機回到初始位置，即采樣的電壓百分比為20%，而1擋位置的采樣電壓應能使調光電機實現近光光束調節到最低位置。使用Multisim軟件，對調光開關內部調光電路各阻值的匹配結果進行模擬測試，測試結果如圖6和圖7所示。圖6為滑動變阻為0%時，采樣電壓為2.4 V，占比20%；圖7為滑動變阻為100%時，采樣電壓為6 V，占比為50%，滿足設計需求。

圖6 采樣電壓2.4 V

圖7 采樣電壓6 V

5 總 結

圍繞近光光束照射的高度要求，并結合近光燈的調光實現原理，以實車配重試驗為基礎，介紹了3種調光開關匹配設計方法，為車型項目的新燈具開發提供了切實可行的匹配方法，可根據燈具的實際開發需求和環境，選擇其中一種作為開關匹配的設計和測試方法，最后通過軟件對調光開關進行仿真測試，確定調光開關內部各電阻阻值。