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(yuǎn)近;近光截止線太高容易使對(duì)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(yuǎn)的距離;因此，近光明暗截止線的高度穩(wěn)定對(duì)于行車安全和駕駛體驗(yàn)都非常重要。

前照燈除了自身光源發(fā)熱外，大多還位于溫度較高發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi);再加上發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和車輛的顛簸，前照燈基本是工作在高溫和振動(dòng)的環(huán)境中的;這樣的環(huán)境往往會(huì)使明暗截止線在經(jīng)歷一段時(shí)間后偏離初始設(shè)定的合適的高度。在前照燈的開發(fā)中，我們通過振動(dòng)和高溫試驗(yàn)來檢驗(yàn)燈具抵抗這種環(huán)境的能力;大眾集團(tuán)對(duì)于截止線偏移的要求是，經(jīng)過溫度或振動(dòng)試驗(yàn)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(yīng)該達(dá)到的技術(shù)要求，同時(shí)也是燈具開發(fā)的難點(diǎn)。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(diǎn)

明暗截止線在10m墻上偏移的直接原因是從投射鏡組發(fā)出的近光光束的下傾角度發(fā)生改變;作為一個(gè)成熟應(yīng)用的模塊，假設(shè)投射鏡組內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(xiàn)將跟投射鏡組有關(guān)的燈內(nèi)零件單獨(dú)摘列出來，如圖2;圖3描述了各個(gè)相關(guān)零件之間的聯(lián)接關(guān)系;

圖2 投射鏡組及其相關(guān)零件

圖3 投射鏡組及其相關(guān)零件聯(lián)結(jié)關(guān)系

假設(shè)試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)試屏幕試驗(yàn)前后都完好無損，如果試驗(yàn)后明暗截止線在10m屏幕上的高度發(fā)生了變化，那么可以推斷，圖3所列零件中至少有下面兩個(gè)條件之一出現(xiàn):(1)至少有一個(gè)零件的幾何形狀或尺寸發(fā)生了變化;(2)至少有兩個(gè)零件之間的相對(duì)位置關(guān)系發(fā)生了變化。如果所有這些零件及其位置關(guān)系都沒有變化，截止線在試驗(yàn)后就不可能會(huì)發(fā)生偏移。經(jīng)過分析，我們認(rèn)為試驗(yàn)后可能導(dǎo)致零件形狀和及其位置關(guān)系發(fā)生變化的原因可以分為以下幾類。

1)機(jī)械松動(dòng)。

a)從圖3可以看出，從投射鏡組到試驗(yàn)臺(tái)(或車身)共經(jīng)歷了11處相互聯(lián)結(jié)的配合結(jié)構(gòu)，每一處配合結(jié)構(gòu)，尤其是 (2)、 (3)、 (5)、 (6)、(7)等可以相互運(yùn)動(dòng)的聯(lián)結(jié)，試驗(yàn)后其間隙和配合松緊程度都可能發(fā)生變化?？梢酝ㄟ^對(duì)比測(cè)量試驗(yàn)前后間隙和松緊程度的變化找出具體是哪一組配合關(guān)系發(fā)生了變化。需要注意的是，試驗(yàn)前后的配合情況有時(shí)具有隨機(jī)性，因而需要多測(cè)量一些樣本才能得出可靠的結(jié)論，下文提到的試驗(yàn)也是如此。

b)間隙和松緊程度在試驗(yàn)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(yàn)后可能產(chǎn)生的變化越大，體現(xiàn)在10m屏幕上就是截止線的偏移;在滿足功能的前提下，應(yīng)盡量減小各個(gè)零件之間的配合間隙;開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，零件本身尺寸的偏差是造成配合情況不能達(dá)到要求的非常普遍的原因;確保零件本身的尺寸符合設(shè)計(jì)要求本是解決此問題最基礎(chǔ)的工作，但由于目前國內(nèi)零部件供應(yīng)商在生產(chǎn)工藝和質(zhì)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(gè)球頭套、2個(gè)調(diào)光馬達(dá)支架和燈體都是塑料件，這些零件在高溫和力的作用下發(fā)生變形常常難以避免。

b)首先可以通過三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等對(duì)比測(cè)量試驗(yàn)前后相關(guān)零件的形狀和尺寸，以確定具體是哪些零件在哪些部位發(fā)生了變形。

c)零件結(jié)構(gòu)不合理也容易導(dǎo)致在高溫和受力時(shí)產(chǎn)生變形。變形部位之所以變形，大部分是因?yàn)樽冃尾课坏膹?qiáng)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(duì)變形部分精確地計(jì)算所受的力以及所需的強(qiáng)度和剛度，但做到以下幾點(diǎn)基本可以消除這樣的隱患:(1)避免較長的懸臂受力結(jié)構(gòu);(2)以保守的原則對(duì)可能薄弱的部位進(jìn)行加強(qiáng);(3)以保守的原則增加輔助支撐或輔助受力點(diǎn)。

d)零件材料的類型、生產(chǎn)廠家、牌號(hào)、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(rèn)某一個(gè)零件在試驗(yàn)后發(fā)生了變形，可以通過這些不同組合因素的交叉試驗(yàn)來確定具體是什么因素導(dǎo)致了零件的變形，進(jìn)而制定相應(yīng)措施。

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

3)零件的支撐點(diǎn)和重心不匹配容易造成零件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而在長時(shí)間高溫試驗(yàn)中產(chǎn)生變形，在振動(dòng)試驗(yàn)中使配合關(guān)系惡化。

圖4簡(jiǎn)化了投射鏡組放在燈體中的結(jié)構(gòu)。從該圖中可以看出，燈內(nèi)投射鏡組的重心在其支撐點(diǎn)的前方，在重力作用下有繞其支撐點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，即讓投射鏡組下傾，這種趨勢(shì)在高溫試驗(yàn)中容易因材料的變形而成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而導(dǎo)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(diǎn)后方，則容易導(dǎo)致10m屏幕上的明暗截止線向上偏移。

圖4 零件的支撐點(diǎn)和重心不匹配問題示意圖

在這個(gè)例子中，兩者對(duì)于截止線偏移的影響正好相反，可以部分消除實(shí)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(guān)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(jìn)而降低了燈具的質(zhì)量。整燈及其內(nèi)部零件的重心及支撐點(diǎn)在燈具生產(chǎn)出來以后一般來說是很難更改的，因此在燈具開發(fā)初期需要規(guī)劃好，使其支撐點(diǎn)和重心保持一致，至少不應(yīng)有明顯的偏差。

4)高度調(diào)光馬達(dá)精度對(duì)于明暗截止線的影響。

根據(jù)國標(biāo)GB4785［2］的要求，所有大燈必須安裝高度調(diào)光馬達(dá)。在新帕薩特大燈中，投射鏡組由三個(gè)球頭結(jié)構(gòu)固定在大燈中，其中一個(gè)球頭連接高度調(diào)光馬達(dá)，如圖5所示。當(dāng)調(diào)光馬達(dá)的球頭按圖示方向前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)投射鏡組繞著另外兩個(gè)球頭連線所形成的軸 (下稱“投射鏡組轉(zhuǎn)動(dòng)軸”)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燈光高度的調(diào)節(jié)。

圖5 調(diào)光馬達(dá)間隙對(duì)明暗截止線偏移的影響

一般來說，馬達(dá)球頭在運(yùn)動(dòng)方向都會(huì)有誤差，或稱為間隙。例如，如果馬達(dá)行程的間隙為±0.05mm，則意味著投射鏡組跟馬達(dá)連接的球頭有最大0.1mm的隨機(jī)竄動(dòng)量。如圖所示，新帕薩特馬達(dá)距轉(zhuǎn)動(dòng)軸70mm，1mm的球頭移動(dòng)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(tuán)標(biāo)準(zhǔn)所要求的上限20mm(0.2%)已經(jīng)很接近了。

如果將投射鏡組轉(zhuǎn)動(dòng)軸距提高到100mm，那么馬達(dá)0.1mm的間隙意味著10mm的截止線偏移。

以上計(jì)算可以說明:(1)馬達(dá)竄動(dòng)量將會(huì)被放大100倍 (假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(yīng)盡量提高馬達(dá)運(yùn)動(dòng)精度;(2)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增加投射鏡組轉(zhuǎn)動(dòng)軸距，建議100mm以上。(3)馬達(dá)竄動(dòng)量占據(jù)了標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(shí)，應(yīng)尤其關(guān)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(duì)于明暗截止線高度在高溫和振動(dòng)試驗(yàn)后發(fā)生偏移的問題，可以通過下面的措施來加以預(yù)防和解決:

(1)設(shè)計(jì)中盡量保證部件重心和支撐點(diǎn)相對(duì)應(yīng);

(2)設(shè)計(jì)中考慮受力薄弱環(huán)節(jié)，預(yù)留加強(qiáng)結(jié)構(gòu);

(3)設(shè)計(jì)中盡量增加投射鏡組轉(zhuǎn)動(dòng)軸距;

(4)設(shè)計(jì)中盡量選用高精度調(diào)光馬達(dá);

(5)選用合適的材料和工藝;

(6)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題后應(yīng)通過較多樣本進(jìn)行對(duì)比測(cè)試以確定問題所在，進(jìn)而采取相應(yīng)對(duì)策。

4 其他

以上分析假設(shè)投射鏡組內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，如果對(duì)此并不確定，那么也可以采取上面同樣的思路對(duì)于投射鏡組進(jìn)行原因分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施，不再贅述。

以上是以功能結(jié)構(gòu)都相對(duì)復(fù)雜的新帕薩特放電前照燈為例做了介紹，對(duì)于其他車型的放電燈和其他類型的燈具，如鹵素?zé)艉透鞣N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(hào)裝置的安裝規(guī)定．