近光燈照射高度調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)匹配方法

于華舟，涂 鍵，李角勝

（江西昌河汽車(chē)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

0 引 言

近光燈作為汽車(chē)夜間在城市行駛時(shí)的光照設(shè)備，為用戶(hù)提供前方道路障礙的實(shí)時(shí)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(cè)會(huì)車(chē)車(chē)輛駕駛員的駕駛視線，其照射高度應(yīng)滿(mǎn)足實(shí)際需要。為保證照射效果不受載荷變化的影響，車(chē)輛需增加調(diào)光開(kāi)關(guān)對(duì)前照燈的照射高度進(jìn)行適時(shí)的調(diào)節(jié)。目前，調(diào)光開(kāi)關(guān)采用了計(jì)算匹配或平臺(tái)借用的方式；但因缺少實(shí)車(chē)配重試驗(yàn)驗(yàn)證，均存在理論與實(shí)際產(chǎn)生誤差的問(wèn)題，甚至有可能無(wú)法滿(mǎn)足法規(guī)要求。本文將理論與實(shí)際相結(jié)合，介紹3種基于配重試驗(yàn)的調(diào)光開(kāi)關(guān)匹配方法。

1 照射高度要求

汽車(chē)近光燈的燈光在實(shí)際設(shè)計(jì)和使用時(shí)，其照射位置相對(duì)于基準(zhǔn)中心高度會(huì)向下傾斜一定的角度，稱(chēng)之為傾斜度，通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。傾斜度是綜合了法規(guī)要求、燈光性能、駕駛視野和制動(dòng)安全距離等因素匹配設(shè)計(jì)的結(jié)果；近光燈在初始傾斜度位置時(shí)的照射效果最佳。按照GB 47 85—2007《汽車(chē)及掛車(chē)外部照明和光信號(hào)裝置的安裝規(guī)定》，傾斜度計(jì)算式為[1]

式中：a為傾斜度，用百分?jǐn)?shù)表示；h1為在垂直屏幕上測(cè)量上述特性點(diǎn)的離地高度，mm，該垂直屏幕與車(chē)輛縱向?qū)ΨQ(chēng)平面垂直，且位于車(chē)前L距離處；h2為基準(zhǔn)中心的離地高度，mm，該基準(zhǔn)中心是h1特性點(diǎn)的標(biāo)稱(chēng)原點(diǎn)；L為屏幕到基準(zhǔn)中心的距離，mm。

如圖1所示，負(fù)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(chē)輛在出廠時(shí)均會(huì)經(jīng)過(guò)調(diào)光處理，將近光燈光照位置調(diào)整到初始傾斜度的位置；但在用戶(hù)使用過(guò)程中，由于車(chē)輛載荷會(huì)根據(jù)載質(zhì)量的不同發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致光軸中心和近光明暗截止線高度發(fā)生相應(yīng)的改變。一般來(lái)說(shuō)，車(chē)輛滿(mǎn)載時(shí)，燈光照射位置將向下移動(dòng)，使駕駛員在夜間的駕駛視野降低，影響行車(chē)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(diào)節(jié)裝置來(lái)應(yīng)對(duì)不同載荷條件下的車(chē)輛，使車(chē)輛在各種載荷下均能滿(mǎn)足近光燈的傾斜度位于初始值位置，確保近光燈達(dá)到最佳照射效果。

2 高度調(diào)節(jié)原理

為實(shí)現(xiàn)近光燈光束的高度調(diào)節(jié)，可通過(guò)在近光燈反射鏡后面裝備一個(gè)帶有調(diào)光球頭的調(diào)光電機(jī)，調(diào)光球頭連接了反射鏡的下部，當(dāng)調(diào)光球頭在進(jìn)行伸長(zhǎng)或縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)反射鏡發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2所示，當(dāng)調(diào)光球頭向箭頭方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射鏡下方跟隨電機(jī)同步向箭頭方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了反射鏡下部向內(nèi)側(cè)縮進(jìn)，上部向外側(cè)伸出，表現(xiàn)出來(lái)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為反射鏡整體做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的燈光照射高度會(huì)降低；反之，反射鏡做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，燈光照射高度調(diào)高。

圖2 調(diào)光原理示意圖

通過(guò)圖2可以看出，調(diào)光高度最終由調(diào)光電機(jī)球頭所處的位置決定，調(diào)光電機(jī)球頭的行程位置由調(diào)光電機(jī)的特性決定。調(diào)光電機(jī)會(huì)對(duì)調(diào)光開(kāi)關(guān)輸入的控制電壓進(jìn)行采樣，將采樣電壓值與電源電壓值進(jìn)行對(duì)比確定其球頭的行程位置。

調(diào)光電機(jī)的選用應(yīng)結(jié)合調(diào)節(jié)范圍及燈具結(jié)構(gòu)條件，根據(jù)調(diào)節(jié)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(jìn)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(guān)系曲線，在不同的輸入電壓下，調(diào)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(jī)的極限工作位置，實(shí)線部分所圍成的區(qū)域?yàn)榭珊侠砝脜^(qū)。設(shè)置合理工作區(qū)域的目的是為了避免發(fā)生過(guò)調(diào)而導(dǎo)致調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)卡死、脫落，或發(fā)生反射鏡與其他部件干涉而引起光線變形的現(xiàn)象。

圖3 調(diào)光電機(jī)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(nèi)側(cè)縮進(jìn)；輸入的控制電壓越低，球頭桿越向外側(cè)頂出。當(dāng)球頭桿縮進(jìn)或頂出時(shí)，近光燈的光束是調(diào)高還是調(diào)低，需要綜合調(diào)光電機(jī)的布置位置來(lái)確定。當(dāng)調(diào)光電機(jī)布置在反射鏡下部時(shí)，調(diào)光電機(jī)越縮進(jìn)，近光光束則越低，當(dāng)調(diào)光電機(jī)布置在反射鏡上部時(shí)，調(diào)光電機(jī)越縮進(jìn)，近光光束則越高；反之亦然。

調(diào)光電機(jī)的電壓行程特性可表示為

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

因輸入的電源電壓存在波動(dòng)，在電路設(shè)計(jì)上，應(yīng)使調(diào)光開(kāi)關(guān)與調(diào)光電機(jī)的輸入工作電壓為同一電源，使調(diào)光電機(jī)的采樣電壓與電源電壓比值維持恒定，保證夜間行車(chē)時(shí)近光光線的穩(wěn)定性，同時(shí)也提高了調(diào)光電機(jī)的使用壽命，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 調(diào)光開(kāi)關(guān)與調(diào)光電機(jī)線路原理圖

3 調(diào)光開(kāi)關(guān)匹配方法

調(diào)光開(kāi)關(guān)的匹配過(guò)程通過(guò)實(shí)車(chē)配重試驗(yàn)進(jìn)行，確定在不同的配重負(fù)載情況下近光光束的傾斜度，并將各負(fù)載狀態(tài)的傾斜度與初始傾斜度進(jìn)行差異對(duì)比，用以確定各負(fù)載狀態(tài)下所需調(diào)節(jié)的角度值，并通過(guò)此角度值換算出調(diào)光電機(jī)所需輸入的控制電壓百分比，最終計(jì)算出調(diào)光開(kāi)關(guān)各分壓電阻的阻值大小。在進(jìn)行配重試驗(yàn)時(shí)，駕駛員和乘員體重均應(yīng)按75 kg/人進(jìn)行配備，后備廂質(zhì)量應(yīng)使汽車(chē)達(dá)到最大允許總質(zhì)量。另外，車(chē)輛離墻面或屏幕的距離L最少為10 m，距離越大，在進(jìn)行光軸中心和拐點(diǎn)離地高度測(cè)量時(shí)會(huì)越精準(zhǔn)。

調(diào)光開(kāi)關(guān)的擋位分配方法有3種：姿態(tài)分配法、平均分配法和限值分配法。

1）姿態(tài)分配法

姿態(tài)分配法能較好地實(shí)現(xiàn)近光光束在5種常見(jiàn)負(fù)載的整車(chē)姿態(tài)下，均能被調(diào)節(jié)到初始傾斜度位置，使近光燈達(dá)到最佳的照射效果。在進(jìn)行配重試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)燈具上標(biāo)識(shí)的初始傾斜度和測(cè)量的光軸中心高度，通過(guò)式（1）計(jì)算出各種負(fù)載狀態(tài)下的拐點(diǎn)離地高度理論值。然后利用直流變壓器給調(diào)光電機(jī)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(fā)生變化。當(dāng)光線的拐點(diǎn)高度正好為計(jì)算出的理論值時(shí)，記錄此時(shí)的輸入電壓Ub。為使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，左側(cè)和右側(cè)均需單獨(dú)測(cè)量，最終的電壓值為左、右兩側(cè)測(cè)量值的平均值，見(jiàn)表1。在進(jìn)行匹配前，應(yīng)先測(cè)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(diào)節(jié)過(guò)程中，其值不能超過(guò)調(diào)光電機(jī)極限位置所對(duì)應(yīng)的電壓值。

2）平均分配法

車(chē)輛在實(shí)際使用時(shí)，除5種常見(jiàn)負(fù)載之外，還存在其他負(fù)載情況，使用平均分配法，可以使調(diào)光開(kāi)關(guān)滿(mǎn)足實(shí)際的使用需求。對(duì)汽車(chē)常用的5種負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行近光光束光軸中心和明暗截止線（或光束投影的拐點(diǎn)處）的離地高度測(cè)量，見(jiàn)表1，并依次計(jì)算出各負(fù)載狀態(tài)下的左、右兩側(cè)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(gè)值，將其差值作為所需的調(diào)光角度范圍限值θ。在確定調(diào)光角度范圍限值θ后，可將其平均分為n擋，每擋需要調(diào)節(jié)的角度值為θ/n，每擋的調(diào)節(jié)角度所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)百分比需要根據(jù)調(diào)光機(jī)構(gòu)參數(shù)和調(diào)光電機(jī)特性圖進(jìn)行計(jì)算。從圖2中可以看出，調(diào)光調(diào)節(jié)角度θ的正切值正好等于調(diào)光電機(jī)球頭桿的行程距離與調(diào)光機(jī)構(gòu)2個(gè)支點(diǎn)距離的比值

式中：θ為調(diào)光角度值；l為電機(jī)球頭桿工作行程；H為調(diào)光機(jī)構(gòu)支點(diǎn)間距。

表1 常見(jiàn)負(fù)載狀態(tài)下的高度測(cè)量表

3）限值分配法

限值分配法是不對(duì)調(diào)光開(kāi)關(guān)的擋位進(jìn)行細(xì)分，而是將調(diào)光開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為只有0擋和1擋2個(gè)限值調(diào)光位置，在0擋和1擋之間可實(shí)現(xiàn)近光光束高度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。通過(guò)平均分配法的方式計(jì)算出調(diào)光角度范圍限值θ后，直接將θ角度作為調(diào)節(jié)1擋，將調(diào)光電機(jī)的初始出廠位置作為0擋。

在完成調(diào)光開(kāi)關(guān)控制電壓的百分比計(jì)算之后，最后進(jìn)行開(kāi)關(guān)的匹配設(shè)計(jì)，調(diào)光開(kāi)關(guān)的內(nèi)部電路原理圖如圖5所示。3腳接電源輸入，4腳接調(diào)光電機(jī)控制端，2腳接地，1腳為背光工作電源，R1～R5為調(diào)光匹配電阻，其阻值大小及開(kāi)關(guān)擋位影響4腳的采樣電壓值，R0為限流電阻，保證開(kāi)關(guān)電路的電流在10 mA左右，R6為背光電路電阻，不影響調(diào)光。

圖5 調(diào)光開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路原理圖

根據(jù)圖5，調(diào)光開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)4擋信號(hào)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(diào)光電機(jī)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(cè)試

使用電路圖軟件對(duì)電路中各電阻的阻值進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，最終計(jì)算出調(diào)光開(kāi)關(guān)各調(diào)光電阻R1～R5的阻值，通過(guò)開(kāi)關(guān)的限流要求，計(jì)算出限流電阻R0的阻值。以無(wú)級(jí)調(diào)光開(kāi)關(guān)距離為例，當(dāng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)采樣電壓百分比為20%～50%的開(kāi)關(guān)時(shí)，該調(diào)光開(kāi)關(guān)的0擋應(yīng)能使調(diào)光電機(jī)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(yīng)能使調(diào)光電機(jī)實(shí)現(xiàn)近光光束調(diào)節(jié)到最低位置。使用Multisim軟件，對(duì)調(diào)光開(kāi)關(guān)內(nèi)部調(diào)光電路各阻值的匹配結(jié)果進(jìn)行模擬測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6為滑動(dòng)變阻為0%時(shí)，采樣電壓為2.4 V，占比20%；圖7為滑動(dòng)變阻為100%時(shí)，采樣電壓為6 V，占比為50%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖6 采樣電壓2.4 V

圖7 采樣電壓6 V

5 總 結(jié)

圍繞近光光束照射的高度要求，并結(jié)合近光燈的調(diào)光實(shí)現(xiàn)原理，以實(shí)車(chē)配重試驗(yàn)為基礎(chǔ)，介紹了3種調(diào)光開(kāi)關(guān)匹配設(shè)計(jì)方法，為車(chē)型項(xiàng)目的新燈具開(kāi)發(fā)提供了切實(shí)可行的匹配方法，可根據(jù)燈具的實(shí)際開(kāi)發(fā)需求和環(huán)境，選擇其中一種作為開(kāi)關(guān)匹配的設(shè)計(jì)和測(cè)試方法，最后通過(guò)軟件對(duì)調(diào)光開(kāi)關(guān)進(jìn)行仿真測(cè)試，確定調(diào)光開(kāi)關(guān)內(nèi)部各電阻阻值。