汽车前照灯明暗截止线偏移问题探讨

郑志军 胡永亮

(上海大众汽车有限公司，上海 200335)

1 问题

汽车前照灯近光明暗截止线的高低意味着近光在路面上照射距离的远近;近光截止线太高容易使对面的来车或行人感到炫目，太低则照得太近，使驾驶员无法看到车前较远的距离;因此，近光明暗截止线的高度稳定对于行车安全和驾驶体验都非常重要。

前照灯除了自身光源发热外，大多还位于温度较高发动机舱内;再加上发动机的振动和车辆的颠簸，前照灯基本是工作在高温和振动的环境中的;这样的环境往往会使明暗截止线在经历一段时间后偏离初始设定的合适的高度。在前照灯的开发中，我们通过振动和高温试验来检验灯具抵抗这种环境的能力;大众集团对于截止线偏移的要求是，经过温度或振动试验后，截止线的高度最多允许下降0.2%［1］，即在 10m屏幕上的偏移量不得超过20mm，这是前照灯应该达到的技术要求，同时也是灯具开发的难点。本文将以上海大众新帕萨特的氙灯为例，阐述截止线偏移问题常见的原因、分析方法和综合解决方案。

2 分析

新帕萨特氙灯如图1。

图1 新帕萨特氙灯及其固定点

明暗截止线在10m墙上偏移的直接原因是从投射镜组发出的近光光束的下倾角度发生改变;作为一个成熟应用的模块，假设投射镜组内部结构稳定，那么，光束方向改变的唯一原因就是投射镜组本身俯仰角度的变化;为了便于分析，现将跟投射镜组有关的灯内零件单独摘列出来，如图2;图3描述了各个相关零件之间的联接关系;

图2 投射镜组及其相关零件

图3 投射镜组及其相关零件联结关系

假设试验台和测试屏幕试验前后都完好无损，如果试验后明暗截止线在10m屏幕上的高度发生了变化，那么可以推断，图3所列零件中至少有下面两个条件之一出现:(1)至少有一个零件的几何形状或尺寸发生了变化;(2)至少有两个零件之间的相对位置关系发生了变化。如果所有这些零件及其位置关系都没有变化，截止线在试验后就不可能会发生偏移。经过分析，我们认为试验后可能导致零件形状和及其位置关系发生变化的原因可以分为以下几类。

1)机械松动。

a)从图3可以看出，从投射镜组到试验台(或车身)共经历了11处相互联结的配合结构，每一处配合结构，尤其是 (2)、 (3)、 (5)、 (6)、(7)等可以相互运动的联结，试验后其间隙和配合松紧程度都可能发生变化。可以通过对比测量试验前后间隙和松紧程度的变化找出具体是哪一组配合关系发生了变化。需要注意的是，试验前后的配合情况有时具有随机性，因而需要多测量一些样本才能得出可靠的结论，下文提到的试验也是如此。

b)间隙和松紧程度在试验后的改变程度在很大程度上取决于零件的初始配合间隙;初始间隙越大，试验后可能产生的变化越大，体现在10m屏幕上就是截止线的偏移;在满足功能的前提下，应尽量减小各个零件之间的配合间隙;开发过程中发现，零件本身尺寸的偏差是造成配合情况不能达到要求的非常普遍的原因;确保零件本身的尺寸符合设计要求本是解决此问题最基础的工作，但由于目前国内零部件供应商在生产工艺和质量管理方面的水平参差不齐，这往往也成为最难确保的工作。

2)零件变形。

a)图3所列的零件中，投射镜组支架、3个球头套、2个调光马达支架和灯体都是塑料件，这些零件在高温和力的作用下发生变形常常难以避免。

b)首先可以通过三坐标测量机等对比测量试验前后相关零件的形状和尺寸，以确定具体是哪些零件在哪些部位发生了变形。

c)零件结构不合理也容易导致在高温和受力时产生变形。变形部位之所以变形，大部分是因为变形部位的强度和刚度不足以抵抗其所受到的力。虽然理论上常常难以对变形部分精确地计算所受的力以及所需的强度和刚度，但做到以下几点基本可以消除这样的隐患:(1)避免较长的悬臂受力结构;(2)以保守的原则对可能薄弱的部位进行加强;(3)以保守的原则增加辅助支撑或辅助受力点。

d)零件材料的类型、生产厂家、牌号、注塑工艺和热处理工艺可能影响材料变形的程度。如果确认某一个零件在试验后发生了变形，可以通过这些不同组合因素的交叉试验来确定具体是什么因素导致了零件的变形，进而制定相应措施。

例如，新帕萨特氙灯早期灯体的变形对于明暗截止线的偏移有明显影响，通过对比试验，我们确定了如下有效的优化措施:(1)使用苏州旭光生产的PP-T40材料;(2)在部分零件刚度不足的部位增加加强肋;(3)对灯体总成1小时110℃回火。

3)零件的支撑点和重心不匹配容易造成零件内部产生应力，进而在长时间高温试验中产生变形，在振动试验中使配合关系恶化。

图4简化了投射镜组放在灯体中的结构。从该图中可以看出，灯内投射镜组的重心在其支撑点的前方，在重力作用下有绕其支撑点顺时针转动的趋势，即让投射镜组下倾，这种趋势在高温试验中容易因材料的变形而成为现实，进而导致10m屏幕上的明暗截止线向下偏移;同样的道理，氙灯的重心在其支撑点后方，则容易导致10m屏幕上的明暗截止线向上偏移。

图4 零件的支撑点和重心不匹配问题示意图

在这个例子中，两者对于截止线偏移的影响正好相反，可以部分消除实际的截止线偏移。但这种组合的缺陷在于，虽然是相互抵消的关系，但投射镜组和灯体上的零件都因受力不均而变形，零件之间的配合也因此恶化，进而降低了灯具的质量。整灯及其内部零件的重心及支撑点在灯具生产出来以后一般来说是很难更改的，因此在灯具开发初期需要规划好，使其支撑点和重心保持一致，至少不应有明显的偏差。

4)高度调光马达精度对于明暗截止线的影响。

根据国标GB4785［2］的要求，所有大灯必须安装高度调光马达。在新帕萨特大灯中，投射镜组由三个球头结构固定在大灯中，其中一个球头连接高度调光马达，如图5所示。当调光马达的球头按图示方向前后运动时，整个投射镜组绕着另外两个球头连线所形成的轴 (下称“投射镜组转动轴”)转动，进而实现灯光高度的调节。

图5 调光马达间隙对明暗截止线偏移的影响

一般来说，马达球头在运动方向都会有误差，或称为间隙。例如，如果马达行程的间隙为±0.05mm，则意味着投射镜组跟马达连接的球头有最大0.1mm的随机窜动量。如图所示，新帕萨特马达距转动轴70mm，1mm的球头移动量意味着在10mm屏幕上明暗截止线的偏移为14.3mm，这跟大众集团标准所要求的上限20mm(0.2%)已经很接近了。

如果将投射镜组转动轴距提高到100mm，那么马达0.1mm的间隙意味着10mm的截止线偏移。

以上计算可以说明:(1)马达窜动量将会被放大100倍 (假设转动轴距为100mm)或更多而成为明暗截止线在10m屏幕上的偏移量，因此应尽量提高马达运动精度;(2)设计时应尽量增加投射镜组转动轴距，建议100mm以上。(3)马达窜动量占据了标准所允许的20mm的一半或更多，这就要求灯具其他部分的配合要非常精确。(4)这样的计算方法也适用于由其他因素直接或间接引起的投射镜组球头部分在X向 (前后方向)的位置偏差，因此在分析问题时，应尤其关注影响投射镜组球头在X向位置精确度的因素。

3 解决方案

综上所述，对于明暗截止线高度在高温和振动试验后发生偏移的问题，可以通过下面的措施来加以预防和解决:

(1)设计中尽量保证部件重心和支撑点相对应;

(2)设计中考虑受力薄弱环节，预留加强结构;

(3)设计中尽量增加投射镜组转动轴距;

(4)设计中尽量选用高精度调光马达;

(5)选用合适的材料和工艺;

(6)试验中发现问题后应通过较多样本进行对比测试以确定问题所在，进而采取相应对策。

4 其他

以上分析假设投射镜组内部结构稳定，如果对此并不确定，那么也可以采取上面同样的思路对于投射镜组进行原因分析和试验验证，进而采取相应的措施，不再赘述。

以上是以功能结构都相对复杂的新帕萨特放电前照灯为例做了介绍，对于其他车型的放电灯和其他类型的灯具，如卤素灯和各种前雾灯，分析和解决问题的方法也是类似的。

［1］Headlights Europe/USA Functional Requirements．Volkswagen AG．TL909—2005．

［2］GB4785—2007．汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定．