商用車前照燈近光照明效果改進(jìn)

朱炳耀

(柳州城市職業(yè)學(xué)院，廣西 柳州 545000)

0 前言

商用車前照燈是商用車中的一個(gè)重要部件，它對(duì)商用車的安全起著非常重要的作用。車燈是一種重要的設(shè)備，可以在夜晚或能見度較差的環(huán)境中為駕駛員提供道路照明，并作為交通指示器，發(fā)出警報(bào)并進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。前照燈由光源、反射器、配光器3部分構(gòu)成，根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為可拆卸式、半封閉式、封閉式。封閉式前照燈由反射鏡、配光鏡、燈絲組成，并在里面填充一種惰性氣體。封閉式前照燈結(jié)構(gòu)已被廣泛用于輕型商用車及其他交通工具中。

1 商用車前照近光照明概述

商用車車燈的安裝方法有2種：一種是在車體的正面兩側(cè)，采用雙光源燈管，燈管由2根燈絲組成，分別是遠(yuǎn)光燈和近光燈，每一盞車燈都具有近光和遠(yuǎn)光2種功能，并獨(dú)立控制；另一種是將2盞車燈分別裝在車體的左右，1對(duì)近光燈在外側(cè)對(duì)稱，1對(duì)遠(yuǎn)光燈在內(nèi)側(cè)對(duì)稱，如東風(fēng)EQ1208車型。目前，商用車使用的是組合式車燈，即將近光雙燈和遠(yuǎn)光單燈組合成一個(gè)整體，分別位于商用車的左右兩邊，如圖1所示。在夜晚行駛時(shí)，為了使駕駛員很好地了解前面的路況，以及在與其他車輛會(huì)車時(shí)避免發(fā)生安全事故，要求車燈的照明亮度高、照明方向合適、強(qiáng)度低、光束角度大。因此，在車輛出廠前應(yīng)反復(fù)地檢查和調(diào)試車燈，以保證車燈的配光、強(qiáng)度、光束角度等技術(shù)參數(shù)達(dá)到要求，保證車燈在一定的范圍內(nèi)對(duì)前方的路面進(jìn)行均勻照射，同時(shí)不會(huì)讓過往的駕駛員產(chǎn)生眩暈，從而保障行駛的安全。

圖1 商用車前照燈安裝形式

2 商用車投射式前照燈近光照明系統(tǒng)分析

以現(xiàn)有的商用車前照燈近光照明系統(tǒng)為基礎(chǔ)，該系統(tǒng)使用鹵素?zé)襞軭11，其光通量為13 501 lm，色溫為3 360 K。該多橢圓形鏡具有15 mm和70 mm的第1焦距和第2焦距，擋板為左舵聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(ECE) 15°擋板，該透鏡是具有35 mm半徑、44 mm焦距、K5膜和1.523折射率的非球面透鏡。

2.1 變形非球面透鏡設(shè)計(jì)

在商用車投射式前照燈近光照明系統(tǒng)中，透鏡起到了收束的作用。采用薄球面透鏡可以進(jìn)行聚光，但是由于前照燈的長(zhǎng)度限制，因此鏡頭的焦距不能過長(zhǎng)。厚球面透鏡的焦距很短，但是它的球面像差很大，因此必須采用具有不同曲率半徑的非球面透鏡。在設(shè)計(jì)前照燈時(shí)，一般采用單非球面透鏡。單一的鏡頭并不擅長(zhǎng)矯正色差，而在商用車前照燈的近光燈模式中，色差不可避免。這是由于透鏡的折射率隨波長(zhǎng)的變化而變化，因此當(dāng)光線穿過透鏡時(shí)，其折射角也會(huì)發(fā)生變化。

為此，在提高商用車投射式前照燈近光照明系統(tǒng)的綜合效益和造價(jià)的前提下，采用調(diào)整透鏡表面形狀的方法，對(duì)截止線周圍的色差進(jìn)行抑制，并在一定的制造、安裝誤差條件下，使截止線周圍的色彩不受影響。一般采用非球面透鏡，以軸為中心，以頂點(diǎn)為坐標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)公式為：

(1)

式中：為透鏡曲面的曲率半徑；為透鏡曲率；2為的不同階系數(shù)；為圓錐系數(shù)。

將透鏡分成2個(gè)部分，以減小截止線附近的色差，使得鏡頭的上、下兩部分的焦距不同，并將上部分焦距設(shè)定得比下半部短。常規(guī)的非球面透鏡的焦平面右邊是紅光，藍(lán)光是里面的，而該鏡頭的最優(yōu)焦平面位置是向前移動(dòng)的，在原來的焦距位置的左邊和右邊都是藍(lán)光，紅光也是如此，所以它的焦點(diǎn)不會(huì)受到太大的影響，如圖2(a)所示。這種方法不僅可以保證近光燈無上行光，而且可以在不影響截止線清晰度的情況下，有效抑制截止線周圍的色差，如圖2(b)所示。這種面型能確保鏡頭的上、下2個(gè)面盡管有不同的焦點(diǎn)，卻能相互結(jié)合，從而確保了鏡頭的制造能按一次熱壓成形完成。

圖2 不同非球面透鏡光線對(duì)比

在實(shí)際生產(chǎn)中，測(cè)量車燈近光燈的關(guān)斷線是在10幅配光屏的截止線上各劃1條34 mm和17 mm的平行直線，在試驗(yàn)中，截止線以上的色差帶處于平行的區(qū)域，表明該透鏡滿足設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)中，變形非球面透鏡的優(yōu)越性被反映出來，通過對(duì)試樣進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)截止線處有紅色區(qū)的可能性較小，本文不再詳細(xì)說明。

2.2 非球面透鏡表面微結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

在實(shí)際生產(chǎn)中，除截止線處的色差以外，在明暗截止線處的亮度梯度控制也是一個(gè)很典型的問題。配光規(guī)范中所說的近光類型，必須有一個(gè)清楚的明暗界限，而在配光規(guī)范中，則要求邊界處的亮度斜率一定，即分界線不能太模糊，也不能太明顯。在配光規(guī)范常用的4個(gè)測(cè)量點(diǎn)中，左側(cè)的2.5°是最苛刻的。ECE的近光配光標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定照度為0.13～0.40 lx，我國(guó)目前還沒有對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，最大照度應(yīng)小于0.7 lx。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，對(duì)透鏡進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)均勻處理，從而使截止線變軟，梯度減小。顯微組織的功能是使光線在穿過透鏡表面時(shí)發(fā)生不同方向的折光，從而達(dá)到較好的配光效果。微結(jié)構(gòu)的具體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 微結(jié)構(gòu)具體架構(gòu)示意圖

從物理試驗(yàn)結(jié)果可知，在透鏡的左邊2.5°的平均斜率為0.576，在透鏡的表面添加微結(jié)構(gòu)后，平均斜率為0.383。比較梯度試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，與光學(xué)板透鏡比較，表面添加微結(jié)構(gòu)的透鏡軟化了亮度和亮度的界限，從而使左邊2.5°的梯度與ECE標(biāo)準(zhǔn)基本一致。盡管試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果均證實(shí)了微結(jié)構(gòu)對(duì)截止線的影響，但兩者間的差別仍然很大：一方面，由于仿真數(shù)據(jù)受到軟硬件環(huán)境的制約，為了檢驗(yàn)微結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，僅對(duì)半個(gè)透鏡的表面進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)的處理，而未對(duì)整個(gè)透鏡進(jìn)行處理，因此，測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果的差別主要是由于顯微組織的加工誤差和加工精度；另一方面，磨具在使用中會(huì)產(chǎn)生磨損，很容易造成實(shí)測(cè)值和仿真值之間的偏差。在大批量生產(chǎn)時(shí)，可以對(duì)微細(xì)組織尺寸、排列形式進(jìn)一步調(diào)整，并對(duì)其進(jìn)行局部修正。

3 商用車發(fā)光二極管(LED)投射式近光燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)光二極管(LED)光源選擇與模擬分析

在選用發(fā)光二極管(LED)光源時(shí)，應(yīng)充分考慮其散熱、色溫、電壓、電流等因素，因此參照《汽車用LED前照燈》(GB 25991—2010)選用LED光源。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：LED的目標(biāo)光通量超過10 001 lm，LED光源的光、電參數(shù)穩(wěn)定，電路參數(shù)穩(wěn)定，芯片功率大，熱阻低，色溫為2 500～6 000 K，適合-40～125 ℃。

3.2 設(shè)計(jì)流程

投射式LED車燈的近光系統(tǒng)與普通的鹵素?zé)襞蒈嚐舻慕庀到y(tǒng)是一樣的，其中最重要的是反射鏡的設(shè)計(jì)。采用Lucidshape的PCS模組，通過控制左、右、上3條自由曲線，對(duì)反射形狀進(jìn)行控制，并將各曲線分成幾個(gè)圓弧，通過設(shè)定參數(shù)可以任意控制每個(gè)圓弧的光漫射角。反射體的第1焦距和第2焦距分別為37 m和77 m；自由曲線被分成2個(gè)部分，分別對(duì)所述靶光型的邊緣和中央進(jìn)行控制；折流板的形狀為ECE 15°，透鏡為非球面透鏡。

對(duì)于近光燈系統(tǒng)的透鏡，由于LED近光燈的配光標(biāo)準(zhǔn)在截止線之上增加了8個(gè)測(cè)量點(diǎn)的照明要求，但是在仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)的8個(gè)測(cè)點(diǎn)處，光源的亮度很低，無法達(dá)到要求。為此，在鏡頭的底部采用階梯狀結(jié)構(gòu)，其目的是在分界線之上產(chǎn)生一定的光線，從而使8個(gè)測(cè)點(diǎn)的亮度符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

通過光場(chǎng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)的檢測(cè)，各個(gè)光斑的亮度與仿真值比較接近，大多數(shù)光斑的相對(duì)亮度在70%以上，滿足了ECE標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于LED近光源的照明要求。雖然所設(shè)計(jì)的LED近光燈系統(tǒng)基本達(dá)到了規(guī)范的要求，但是還存在著一定的缺陷。LED近光燈與普通的鹵素?zé)襞荼容^，并無明顯優(yōu)勢(shì)。與普通的鹵素?zé)襞菹啾?，目?biāo)光照表面的總光通量和能量利用率提高并不明顯；與鹵素?zé)襞?、氙氣燈泡等近光燈系統(tǒng)相比，近光燈在各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的亮度提升并不顯著。本文僅對(duì)LED近光燈的光學(xué)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，而未對(duì)驅(qū)動(dòng)組件和局部散熱進(jìn)行詳細(xì)分析。在今后的工藝設(shè)計(jì)中，增加相關(guān)模組，如隔板等結(jié)構(gòu)材料的替換，也會(huì)對(duì)各個(gè)測(cè)試試驗(yàn)的亮度造成一定的影響。

4 結(jié)語

未來，LED投射式車燈會(huì)成為主流。LED作為一種半導(dǎo)體光源，LED車燈采用的是塑料鏡頭，由于其價(jià)格低廉，因此會(huì)逐漸替代玻璃鏡頭。在車燈的設(shè)計(jì)中，必須充分考慮到車燈的使用壽命。當(dāng)車燈壽命延長(zhǎng)后，車燈的光源、后視鏡等零件的設(shè)計(jì)使用壽命也要相應(yīng)的延長(zhǎng)，以確保在車輛使用周期內(nèi)車燈始終保持最佳的使用效果。