整車(chē)狀態(tài)下的近光明暗截止線(xiàn)照準(zhǔn)方法研究

栗晉杰，趙 準(zhǔn)

(中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300000)

引言

汽車(chē)近光明暗截止線(xiàn)，即光束投射到配光屏幕上，目視感覺(jué)到的明暗顯著變化的分界線(xiàn)。明暗截止線(xiàn)的位置和梯度是近光光學(xué)性能的重要考核項(xiàng)之一。近光燈明暗截止線(xiàn)的位置特別是垂直位置的高低意味著近光燈在路面上照射距離的遠(yuǎn)近程度，近光明暗截止線(xiàn)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致對(duì)對(duì)面車(chē)輛駕駛員和行人造成眩目，增加交通事故隱患，而近光明暗截止線(xiàn)過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致近光燈照射距離過(guò)短，無(wú)法給駕駛員提供安全的照明條件[1]。綜上，明暗截止線(xiàn)的位置對(duì)行車(chē)安全及駕駛體驗(yàn)都非常重要。在整車(chē)狀態(tài)下，精確地測(cè)量近光明暗截止線(xiàn)的位置和梯度，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展光學(xué)性能測(cè)試是非常有意義且必要的。

1 近光明暗截止線(xiàn)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求

目前，對(duì)近光明暗截止線(xiàn)位置的要求，涉及零部件光學(xué)性能測(cè)試以及整車(chē)安裝和車(chē)輛運(yùn)行條件兩個(gè)層面。根據(jù)《汽車(chē)用LED前照燈》(GB 25991—2010)[2]，如圖1所示，近光燈照準(zhǔn)采用目視的方法進(jìn)行，在垂直方向，明暗截止線(xiàn)的水平部分應(yīng)位于25 m的配光屏幕上h-h以下25 cm處，即下傾度為1%。而在水平方向，明暗截止線(xiàn)的轉(zhuǎn)折處應(yīng)位于v-v線(xiàn)上。

圖1 前照燈配光性能測(cè)試點(diǎn)及區(qū)域Fig.1 Test points and areas of headlamp photometric performance

GB 25991—2010還規(guī)定，當(dāng)截止線(xiàn)模糊或調(diào)整后無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)試要求時(shí)，還應(yīng)開(kāi)展明暗截止線(xiàn)銳度和線(xiàn)性度的質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)價(jià)，之后采用儀器照準(zhǔn)的方法對(duì)其進(jìn)行垂直和水平調(diào)整。

《汽車(chē)及掛車(chē)外部照明和光信號(hào)裝置的安裝規(guī)定》(GB 4785—2019)[3]中規(guī)定，在駕駛座上一名人員的空載車(chē)條件下，近光明暗截止線(xiàn)垂直方向的初始下傾度的確定，取決于近光燈在基準(zhǔn)軸線(xiàn)方向上視表面下邊緣的安裝高度h，以安裝高度h≤1 m為例，對(duì)處于空載狀況下的靜止車(chē)輛，其近光明暗截止線(xiàn)的垂直向傾斜度應(yīng)保持在以下限值內(nèi)，同時(shí)初始照準(zhǔn)也在以下范圍內(nèi)：

1)限值：-0.5% ～-2.5%；

2)初始照準(zhǔn)：-1.0% ～-1.5%。

《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》(GB 7258—2017)中規(guī)定，對(duì)近光基準(zhǔn)中心高度小于或等于1 m 的機(jī)動(dòng)車(chē)，在空載狀態(tài)下汽車(chē)前照燈近光光束照射在距離10 m 的屏幕上，近光光束明暗截止線(xiàn)轉(zhuǎn)角或中點(diǎn)的垂直方向位置應(yīng)不高于近光光束透光面中心所在水平面以下50 mm 的直線(xiàn)，且不低于近光光束透光面中心所在水平面以下300 mm 的直線(xiàn)。前照燈近光光束明暗截止線(xiàn)轉(zhuǎn)角或中點(diǎn)的水平方向位置，與近光光束透光面中心所在處置面相比，向左偏移應(yīng)小于或等于170 mm，向右偏移應(yīng)小于或等于350 mm[4]。

上述三個(gè)法規(guī)對(duì)近光明暗截止線(xiàn)位置均做了相關(guān)定義，但側(cè)重點(diǎn)卻各不相同。GB 25991—2010側(cè)重于光學(xué)性能即后續(xù)配光性能的測(cè)試，不論初始截止線(xiàn)位置的設(shè)計(jì)值如何規(guī)定，測(cè)試均在下傾度1%的位置進(jìn)行測(cè)量；GB 4785—2019側(cè)重于對(duì)不同類(lèi)型車(chē)輛截止線(xiàn)位置初始位置的設(shè)計(jì)要求；GB 7258—2017則側(cè)重于對(duì)量產(chǎn)車(chē)輛近光明暗截止線(xiàn)位置的制造和出廠(chǎng)檢驗(yàn)要求。

在國(guó)際層面，歐洲的明暗截止線(xiàn)法規(guī)相關(guān)要求與國(guó)標(biāo)基本一致，而美國(guó)由于其管理規(guī)定和產(chǎn)品的特殊要求，與國(guó)內(nèi)差異較大，不具備參考性。因此在進(jìn)行整車(chē)級(jí)別的燈光性能測(cè)試時(shí)，既要參考光學(xué)性能測(cè)試方法要求，也要兼顧不同車(chē)型的初始截止線(xiàn)位置設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)為了更精確地開(kāi)展測(cè)量還有必要研究在整車(chē)狀態(tài)下使用目視和儀器照準(zhǔn)兩種方法的一致性和準(zhǔn)確性。

2 近光明暗截止線(xiàn)目視照準(zhǔn)

GB 25991—2010規(guī)定，在進(jìn)行近光配光測(cè)試時(shí)，可以通過(guò)目視來(lái)進(jìn)行明暗截止線(xiàn)的照準(zhǔn)，照準(zhǔn)與否，以目視檢驗(yàn)v-v線(xiàn)兩側(cè)各5°(219 cm)范圍內(nèi)的明暗截止線(xiàn)為準(zhǔn)。按上述照準(zhǔn)后，若近光不滿(mǎn)足要求，則允許明暗截止線(xiàn)在水平方向左右各1°(44 cm)，垂直方向不超過(guò)h-h線(xiàn)的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

該方法雖然規(guī)定了目視照準(zhǔn)的相關(guān)要求，但是由于目視照準(zhǔn)具有一定的主觀(guān)性，且允許調(diào)節(jié)范圍也較大，可能會(huì)造成盡管配光測(cè)試滿(mǎn)足法規(guī)要求，但是配光數(shù)值差異較大的結(jié)果。

在整車(chē)狀態(tài)下，分別選取兩位具備相關(guān)測(cè)試資質(zhì)的人員進(jìn)行明暗截止線(xiàn)的目視照準(zhǔn)并完成光學(xué)性能的相關(guān)測(cè)試。圖2的測(cè)試結(jié)果表明，兩位測(cè)試人員目視照準(zhǔn)的明暗截止線(xiàn)高度差為0.22°。將測(cè)試結(jié)果折算為路面照度后可以得出，近光的照射距離相差18.6 m。這也驗(yàn)證了目視照準(zhǔn)具備一定的主觀(guān)性，對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較大，不利于整車(chē)狀態(tài)下汽車(chē)明暗截止線(xiàn)的調(diào)整以及整個(gè)光學(xué)性能的測(cè)試及評(píng)估。

圖2 不同人員目視照準(zhǔn)下明暗截止線(xiàn)位置對(duì)比Fig.2 Position comparison of cut-off lines under visual aiming of different personnel

3 近光明暗截止線(xiàn)儀器照準(zhǔn)

CNCAP 2021版照明安全測(cè)試規(guī)程中對(duì)整車(chē)狀態(tài)下明暗截止線(xiàn)的儀器照準(zhǔn)都做出了相關(guān)規(guī)定[5]，在進(jìn)行近光明暗截止線(xiàn)的儀器照準(zhǔn)時(shí)，需要對(duì)明暗截止線(xiàn)的梯度進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)梯度的最大值確定明暗截止線(xiàn)的位置，如式(1)所示：

G=logEβ-logEβ+0.01

(1)

其中，G為梯度值，β為垂直的角度位置，E為該角度位置下的光強(qiáng)。

如圖3所示為明暗截止線(xiàn)投射在照準(zhǔn)屏幕上的形狀，向左呈平直的“扁平部分”，向右呈向上的“肘肩型部分”[6]。

圖3 前照燈明暗截止線(xiàn)位置Fig.3 Headlamp cut-off position

在進(jìn)行儀器照準(zhǔn)時(shí)，首先進(jìn)行明暗截止線(xiàn)垂直位置的調(diào)整，如圖3所示，使用照度計(jì)從B線(xiàn)(GB 4785—2019 中定義的初始照準(zhǔn)位置)以下向上移動(dòng)，垂直掃描穿過(guò)位于v-v線(xiàn)左邊2.5°的截止線(xiàn)水平，B 線(xiàn)為制造商定義的近光燈初始照準(zhǔn)位置。采用式(1)確定梯度最大值的位置，通過(guò)整車(chē)上的燈具調(diào)節(jié)螺栓將最大梯度值位置調(diào)節(jié)至B線(xiàn)。

完成近光明暗截止線(xiàn)垂直方向調(diào)整后，采用下列之一的照準(zhǔn)方法進(jìn)行水平調(diào)整，通常方法a可以適用于所有光型，而方法b僅適用于15°光型：

a.系統(tǒng)垂直照準(zhǔn)后，從左5°到右5°，對(duì)位于0.2°D 的水平線(xiàn)進(jìn)行掃描。按式(1)確定最大梯度Gmax，通過(guò)整車(chē)上燈具的調(diào)整螺栓將該位置調(diào)整至圖中的A 線(xiàn)上，即v-v線(xiàn)右側(cè)0.5°。

b.系統(tǒng)垂直照準(zhǔn)后，在v-v線(xiàn)右側(cè)1°、2°和3°處的3條垂直線(xiàn)上，從-2°掃描至+2°。按式(1)確定每條線(xiàn)上的最大梯度G，得到三個(gè)最大梯度G 所在位置點(diǎn)Gmax-1R、 Gmax-2R、Gmax-3R，并用這3個(gè)點(diǎn)擬合成一根直線(xiàn)，該直線(xiàn)與圖中的B線(xiàn)交點(diǎn)作為明暗截止線(xiàn)的拐點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整螺栓將該拐點(diǎn)位置調(diào)整至v-v線(xiàn)上。

為了驗(yàn)證整車(chē)狀態(tài)下近光明暗截止線(xiàn)儀器照準(zhǔn)的一致性，選取兩位具有相關(guān)測(cè)試資質(zhì)的人員對(duì)同一輛整車(chē)進(jìn)行明暗截止線(xiàn)儀器照準(zhǔn)及光學(xué)性能測(cè)試，如圖4所示，不同人員采用儀器照準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果完全一致，結(jié)果重復(fù)性良好，不存在主觀(guān)因素的干擾。

圖4 不同人員機(jī)械照準(zhǔn)下明暗截止線(xiàn)位置對(duì)比Fig.4 Comparison of cut-off positions under different personnel’s mechanical aiming

4 目視和儀器照準(zhǔn)的準(zhǔn)確性比對(duì)

ECE法規(guī)和新的國(guó)標(biāo)草案中均對(duì)目視照準(zhǔn)和儀器照準(zhǔn)做出了如下規(guī)定：當(dāng)目視照準(zhǔn)不合格或因截止線(xiàn)清晰度不夠無(wú)法進(jìn)行目視照準(zhǔn)時(shí)應(yīng)采用儀器照準(zhǔn)的方法。

為了對(duì)比目視照準(zhǔn)和儀器照準(zhǔn)法的準(zhǔn)確性，選取同一名具備資質(zhì)的操作人員進(jìn)行目視測(cè)試比對(duì)，通過(guò)同一人員對(duì)同一前照燈下傾角為1%的測(cè)試車(chē)輛進(jìn)行十次的目視照準(zhǔn)測(cè)試，結(jié)果如圖5所示，照準(zhǔn)結(jié)果與理論截止線(xiàn)-0.57°位置的誤差在±0.05°的范圍。

儀器照準(zhǔn)法的準(zhǔn)確性取決于設(shè)備的穩(wěn)定性及軟件計(jì)算精度，上述章節(jié)已驗(yàn)證了設(shè)備穩(wěn)定性不存在偏差。但實(shí)際上，不同的掃描步長(zhǎng)則會(huì)影響最終的測(cè)試結(jié)果。當(dāng)掃描步長(zhǎng)為0.1°及0.05°狀態(tài)下，每次掃描的梯度值均會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)步長(zhǎng)調(diào)整至0.01°時(shí)，梯度位置不再變化。通過(guò)同一人員對(duì)同一前照燈下傾角為1%的測(cè)試車(chē)輛進(jìn)行十次的儀器照準(zhǔn)測(cè)試，掃描步長(zhǎng)選擇0.01°，結(jié)果如圖6所示，照準(zhǔn)結(jié)果最終均穩(wěn)定在-0.57°的位置。

圖6 近光燈明暗截止線(xiàn)機(jī)械照準(zhǔn)準(zhǔn)確性驗(yàn)證Fig.6 Verification of mechanical aiming accuracy of cut-off line of low beam

5 整車(chē)狀態(tài)下明暗截止線(xiàn)照準(zhǔn)的影響因素

傳統(tǒng)的零部件燈具測(cè)試是將汽車(chē)燈具固定在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行明暗截止線(xiàn)的照準(zhǔn)與配光測(cè)試，對(duì)明暗截止線(xiàn)的外部干擾因素較少，而整車(chē)狀態(tài)下，車(chē)輛的裝配工藝、環(huán)境溫度、車(chē)輛駕駛員的重量以及整車(chē)狀態(tài)下明暗截止線(xiàn)的下傾角等因素都會(huì)對(duì)明暗截止線(xiàn)的照準(zhǔn)及測(cè)試造成影響。如圖7所示，由于影響整車(chē)狀態(tài)下明暗截止線(xiàn)的因素較多且十分復(fù)雜，本文主要選取其中的裝配誤差及駕駛員重量?jī)蓚€(gè)影響因素進(jìn)行分析舉例，其余因素在此不再贅述。如圖8所示，由于不同車(chē)輛生產(chǎn)裝配工藝的一致性存在差異，整車(chē)狀態(tài)下汽車(chē)燈具的光學(xué)中心會(huì)與設(shè)計(jì)值存在一定偏差，為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量整車(chē)狀態(tài)下燈具的光學(xué)中心位置，通過(guò)圖像處理以及光學(xué)加權(quán)計(jì)算的方式來(lái)確定汽車(chē)前照燈的光學(xué)中心并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記。

圖7 整車(chē)狀態(tài)下明暗截止線(xiàn)位置影響因素Fig.7 Factors influencing the position of cut-off line under the condition of the whole vehicle

獲得汽車(chē)近光燈的光學(xué)中心后，通過(guò)尖端帶有觸覺(jué)探頭的7軸鉸接式機(jī)械臂來(lái)完成光學(xué)中心的位置測(cè)量，如圖9所示。測(cè)量結(jié)束后會(huì)獲得左右燈光學(xué)中心的空間位置坐標(biāo)，通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于車(chē)輛裝配工藝以及安裝一致性影響，燈具實(shí)際的光學(xué)中心位置與理論設(shè)計(jì)值偏差10～20 mm，這將會(huì)造成明暗截止線(xiàn)位置的相應(yīng)變化。

圖9 汽車(chē)前照燈光學(xué)中心空間位置坐標(biāo)Fig.9 Automotive headlight optical center spatial position coordinates

整車(chē)狀態(tài)下駕駛員重量也會(huì)對(duì)車(chē)輛近光的光學(xué)中心位置造成影響，從而影響明暗截止線(xiàn)的位置。如圖10所示為駕駛位放置75 kg的假人后測(cè)得的汽車(chē)光學(xué)中心位置坐標(biāo)，與空載狀態(tài)下相比，左右燈的光學(xué)中心位置下降了3 mm左右，車(chē)輛左右燈的明暗截止線(xiàn)位置也將發(fā)生相應(yīng)的位置變化。

圖10 空載與75 kg配重狀態(tài)下前照燈光學(xué)中心位置對(duì)比Fig.10 Comparison of headlight optical center position under no-load and 75 kg counterweight condition position coordinates

由于整車(chē)狀態(tài)下影響近光明暗截止線(xiàn)的因素較多，在進(jìn)行整車(chē)狀態(tài)下的光學(xué)性能測(cè)量時(shí)，根據(jù)實(shí)車(chē)狀態(tài)來(lái)精確定義明暗截止線(xiàn)的理論位置并進(jìn)行照準(zhǔn)和測(cè)試是有必要的。

6 總結(jié)與展望

本文研究了在整車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行近光明暗截止線(xiàn)照準(zhǔn)和測(cè)試的方法，并對(duì)目視照準(zhǔn)及儀器照準(zhǔn)兩種方法進(jìn)行了一致性與準(zhǔn)確性的研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，目視照準(zhǔn)存在一定主觀(guān)性，儀器照準(zhǔn)法準(zhǔn)確性高、一致性好、受外部因素干擾少，通過(guò)近光明暗截止線(xiàn)的儀器照準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)近光光學(xué)性能的精確測(cè)試及客觀(guān)評(píng)價(jià)。本文還對(duì)整車(chē)狀態(tài)下明暗截止線(xiàn)照準(zhǔn)的影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析并選取其中兩種典型影響因素進(jìn)行了驗(yàn)證。

雖然當(dāng)前的零部件級(jí)近光明暗截止線(xiàn)照準(zhǔn)大多采用目視方法，但隨著車(chē)燈技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)照明安全的不斷重視，全面客觀(guān)評(píng)價(jià)整車(chē)汽車(chē)前照燈光學(xué)性能的技術(shù)條件日趨成熟，通過(guò)儀器在整車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行明暗截止線(xiàn)的照準(zhǔn)及穩(wěn)定性等測(cè)量將日益受到關(guān)注。