探討商用車前組合燈的設(shè)計(jì)方法

汪 暉

（東風(fēng)汽車有限公司商用車技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

汽車燈具設(shè)計(jì)跨造型、機(jī)械、電氣等多方面學(xué)科知識(shí)，需要了解光學(xué)、模具、機(jī)械性能、電氣設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容。設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)異的前照燈，特別是一款共用同一個(gè)燈罩、具有多種功能的前組合燈，對(duì)汽車設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

目前，通用化的前組合燈包含遠(yuǎn)光燈、近光燈、位置燈、轉(zhuǎn)向燈，這不僅是處于成本考慮，而且也是由于位置燈及轉(zhuǎn)向燈所需空間較小，其設(shè)計(jì)相對(duì)于遠(yuǎn)、近光燈來(lái)說(shuō)，容易實(shí)現(xiàn)配光要求。因此，本文重點(diǎn)針對(duì)遠(yuǎn)、近光組合的前組合燈的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析和討論。

1 設(shè)計(jì)思路

前組合燈的造型不僅與車體的造型緊密相關(guān)，而且也影響到車輛的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

前組合燈的設(shè)計(jì)在轎車和商用車兩種類型車上的方法是不同的。轎車前組合燈的設(shè)計(jì)可選擇方案比商用車的設(shè)計(jì)方案要多些:首先是取決于成本，一般轎車上的前組合燈成本較高，少則一二百元，多則幾千元，如果是高檔汽車，上萬(wàn)元的前組合燈也不少見(jiàn)，而商用車的前組合燈最高也不超過(guò)三百元；其次是考慮汽車光源的可用范圍，12V制式的汽車光源比24V制式的品種多；第三是考慮前組合燈的安裝位置，轎車的前組合燈安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，而商用車的前組合燈大多是布置在保險(xiǎn)杠上，后部有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，空間的限制約束著前組合燈的設(shè)計(jì)方案；最后是使用路況，商用車的使用路況比轎車的苛刻，前組合燈的安裝位置在前車輪的前部，行車中易受到甩濺的泥水等。所以比較起來(lái)，商用車前組合燈設(shè)計(jì)要求更高。

2 商用車前組合燈的設(shè)計(jì)方案

前組合燈一般布置在保險(xiǎn)杠上或駕駛室前臉上，由于在車輛整體高度偏下位置，而駕駛員的視線位置又較高，因此夜間行車時(shí)，由于高低位置的視覺(jué)差距，造成駕駛員常有照射路程不夠遠(yuǎn)的感覺(jué)。

2.1 長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

中、重型商用車駕駛室的寬度一般在2m或2m以上，根據(jù)GB 4785《汽車和掛車外部照明燈及信號(hào)燈技術(shù)條件》要求，前照燈布置在駕駛室靠外側(cè)。如果燈具的寬度不夠，那么在駕駛室的正中央處將會(huì)有暗區(qū)，造成不安全因素。因此，設(shè)計(jì)初期應(yīng)盡可能將燈具的長(zhǎng)度加長(zhǎng)。

2.2 層次設(shè)計(jì)

為使造型新穎，前照燈的布置排列多為縱向，在中、高檔轎車上比較常見(jiàn)，顯出大氣，突出車型的高貴。但在商用車上，由于車體機(jī)構(gòu)體積較大，特別是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的布置，致使留給前照燈的空間有限，因此，在商用車上的前照燈設(shè)計(jì)應(yīng)考慮橫向排列。

2.3 燈具的集成度

從制造成本考慮，將法規(guī)要求的前轉(zhuǎn)向燈、前位置燈與前照燈集成在一起，共用同一個(gè)透光鏡。這樣的好處是不僅成本節(jié)省，而且對(duì)燈具的空間位置也有了改善。圖1為奔馳Atego 1017L前組合燈總成，重汽A7前組合燈總成如圖2所示，一汽J6前組合燈總成如圖3所示。

常見(jiàn)前組合燈的功能燈布置方式見(jiàn)表1。

2.4 光源的選擇

對(duì)電源為24V系統(tǒng)，可采用的燈具光源有傳統(tǒng)光源和LED光源。

2.4.1 傳統(tǒng)光源

傳統(tǒng)光源可參照GB 15766《道路機(jī)動(dòng)車輛燈泡尺寸、光電性能要求》。對(duì)于近、遠(yuǎn)光燈，可選擇的光源見(jiàn)表2、表3。

其中，R2燈泡為白熾燈泡，H1、H2、H3、H4、H7、 HB3、 HB4、 HS1、 H8、 H9、 HIR1、 HIR2、H11為鹵素?zé)襞荩壳癛2白熾燈泡已基本不采用。

傳統(tǒng)光源還包括氙氣燈，具體型號(hào)見(jiàn)表4。

其中，D1S、D2S、D1R、D2R為有汞型氣體放電燈，D3S、D4S、D3R、D4R為無(wú)汞型氣體放電燈。

2.4.2 LED光源

LED燈具中，光源可以是LED陣列、LED模塊或LED燈，具體定義如下。

1）LED陣列既不包括電源，也不包括標(biāo)準(zhǔn)燈頭，也不能與分支電路直接連接。如圖4所示。

2）LED模塊不含有電源，不能與分支電路直接連接。如圖5所示。

3）非整體式LED燈需要通過(guò)燈具中的燈座才能與分支電路連接。如圖6所示。

表2 近光燈可選擇光源

表3 遠(yuǎn)光燈可選擇光源

表4 疝氣燈型號(hào)

3 燈具設(shè)計(jì)

3.1 確定燈光組結(jié)構(gòu)

燈光組是由配光鏡、反光鏡和燈泡組成的。燈光組的結(jié)構(gòu)可分為配光鏡配光式前照燈、多反射面配光式前照燈、投影式前照燈等。

3.1.1 配光鏡配光式前照燈

配光鏡是將反光鏡反射后的光束向所需要的方向聚光或擴(kuò)散，以達(dá)到希望的配光效果。在配光鏡上的各棱鏡是一個(gè)一個(gè)地計(jì)算出來(lái)的聚光鏡單元，通過(guò)它們的組合設(shè)計(jì)最終得到所要求的照度值和光形。

前照燈配光鏡所用的材料應(yīng)該是透明度高，能夠形成正確配光單元的高品質(zhì)的材料。因?yàn)槠嚽罢諢襞涔忡R總是受到外部環(huán)境的影響，所以要求它長(zhǎng)期受到日曬不老化、不變色，并具有一定的強(qiáng)度和耐擦傷性、耐腐蝕性和耐候性等。

為了滿足上述要求，過(guò)去前照燈配光鏡都是用高純度的無(wú)機(jī)玻璃制成，現(xiàn)在已大量采用不飽和聚酯熱塑性有機(jī)材料制成。為了增加其表面的耐磨性，在配光鏡的外表面需涂敷硅酯類保護(hù)層。這種有機(jī)材料配光鏡的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)自由度大，成型工藝也不像無(wú)機(jī)玻璃配光鏡成型那樣受到制約，對(duì)異型前照燈配光鏡的設(shè)計(jì)和制造都有利。

用這種有機(jī)玻璃制成的配光鏡可大幅度地減輕質(zhì)量，大量生產(chǎn)的配光鏡有機(jī)材料比重約是無(wú)機(jī)玻璃的50%，配光鏡的厚度也減薄了50%左右，相同設(shè)計(jì)的配光鏡質(zhì)量約減輕到1／3～1／4。尺寸越大的配光鏡，這種優(yōu)越性就越明顯。

GSM模塊是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的又一個(gè)核心組成。是用戶和家居聯(lián)系的紐帶。GSM短信模塊由無(wú)線模塊SIM900A硬件、二極管、瓷片電容三部分組成，主要用于系統(tǒng)的通信方面。

這種配光鏡配光式前照燈的反光鏡一般使用薄鋼板沖壓或熱固性塑料注塑制成，并在其工作表面蒸發(fā)涂敷一層鋁反光膜，為了防止鋁膜受熱后揮發(fā)和增加其表面抗劃傷硬度，還需在鋁膜表面涂敷一層二氧化硅保護(hù)膜。

為了改善汽車前照燈近光的照明效果，目前多采用加大反光鏡尺寸，特別是反光鏡的橫向尺寸。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明:如果汽車前照燈反光鏡的橫向尺寸由130mm增大到260mm，汽車前方50m偏右側(cè)的照度值可增加一倍。同時(shí)也大大增加了前照燈的照明寬度，這對(duì)汽車夜間行駛的安全性極為重要。

同樣橫向尺寸的反光鏡，由于焦點(diǎn)位置不同，反光鏡的效果也不同。焦距尺寸小的反光鏡做成的前照燈可以提高地面和側(cè)面的照度，這對(duì)汽車行駛彎路或轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)是非常有利的。但焦距小的反光鏡需將前照燈總成做得很深，這會(huì)給整車布置帶來(lái)一定的困難，并且也給反光鏡的生產(chǎn)增加了難度。

目前，這種設(shè)計(jì)方式的前照燈已很少使用。

3.1.2 多反射面配光式前照燈

多反射面配光式前照燈，其配光是由改變反光鏡上各個(gè)小的曲面單元燈光反射方向來(lái)達(dá)到配光性能要求，而配光鏡變成了透明燈罩，不再承擔(dān)配光功能。反光鏡將光源發(fā)出的光通量反射到燈具照明的方向，將燈泡向空間發(fā)出的照射到反光鏡上的光通量，從開(kāi)口部分集中照射出來(lái)，以增大照明方向的燈光強(qiáng)度。多反射面配光式前照燈如圖7所示。

3.1.3 投影式前照燈

投影式前照燈也稱為復(fù)合橢圓面反光鏡前照燈系統(tǒng)。它主要由多橢圓面反光鏡、像屏、物鏡及光源組成。多橢圓面反光鏡是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算求得的。光源經(jīng)過(guò)它反射后，不用配光鏡就能達(dá)到法規(guī)要求的光形，像屏可以精確控制配光性能中所要求的明暗截止線，再經(jīng)過(guò)高精度的物鏡折射，最終獲得高清晰度的光形，很好地達(dá)到法規(guī)要求的配光性能。

3.1.4 LED汽車燈具

LED汽車燈具是另一種特殊的汽車燈具，在電氣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮燈具要使用LED特性、數(shù)量、燈具的安裝地點(diǎn)，以及電氣安全、恒流驅(qū)動(dòng)、抗擾度和EMI，選擇或設(shè)計(jì)合適的LED驅(qū)動(dòng)電源。

LED驅(qū)動(dòng)電源參數(shù)應(yīng)考慮與內(nèi)部元器件工作溫度相關(guān)的測(cè)溫點(diǎn)與溫度、驅(qū)動(dòng)方式 （恒壓型、恒流型或恒壓恒流混合型）、功率因數(shù)、輸出電流和輸出電壓的穩(wěn)定性、單一功率負(fù)載或功率范圍負(fù)載、能效等級(jí)等。如果LED燈具是獨(dú)立式安裝，則其外殼防護(hù)等級(jí)、浪涌等特性要求也是重要參數(shù)。

驅(qū)動(dòng)電源與LED模組的電氣連接也是LED燈具電氣系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)充分考慮這些電氣連接的安全性，包括應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的連接件、充分絕緣、防觸電保護(hù)等。

LED汽車燈具必須滿足電磁兼容特性，PCB設(shè)計(jì)初期應(yīng)考慮到材料的選擇、工序的設(shè)計(jì)等影響因素。

LED光源應(yīng)用于汽車前照燈需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題。

3.1.4.1 亮度輸出

前照燈的亮度要求為:近光900lm，遠(yuǎn)光1000lm。

估算為整體亮度2000lm，約為40只1 W的LED在25℃時(shí)的總光源輸出。這類LED當(dāng)環(huán)境溫度升至50℃時(shí)，效率會(huì)降至80%。為提高功率，需要更多數(shù)量的LED，這不僅會(huì)引起成本增加，也會(huì)使LED的故障率增加。

3.1.4.2 散熱問(wèn)題

傳統(tǒng)光源產(chǎn)生的熱量雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LED，但不會(huì)因高溫而降低其光輸出，但LED光輸出卻會(huì)因LED的結(jié)溫升高而下降。因此，散熱問(wèn)題在LED前照燈設(shè)計(jì)中非常重要。為防止LED過(guò)熱而燒毀，需要加裝散熱片。由于前照燈需用很多個(gè)LED，加設(shè)散熱片后體積會(huì)過(guò)于龐大，難以集成到燈具中。

LED的工作溫度必須保持在50℃以下。對(duì)于LED散熱問(wèn)題的解決方案為:在一個(gè)燈具中使用數(shù)目較多的LED發(fā)光元件，讓單元件的發(fā)熱量較小，再把它們布置在較大的空間內(nèi)使其易于散熱。

LED燈具的散熱方式除了采用大空間的被動(dòng)散熱方式外，還可以采用主動(dòng)散熱方式，即在燈具中增加風(fēng)扇和通風(fēng)管道，對(duì)于一些高檔車型，通常會(huì)采取主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到更好的散熱效果，提高LED燈具的使用壽命。

3.1.4.3 光學(xué)設(shè)計(jì)

利用LED作為光源設(shè)計(jì)燈具，需要將傳統(tǒng)的柱光源變?yōu)槊婀庠?。為得到需要的流明輸出，LED需要較大的封裝面積，致使光學(xué)設(shè)計(jì)難度增大。在目前的一些概念車上，都以模塊化設(shè)計(jì)取代現(xiàn)有的單一燈室設(shè)計(jì)，利用多組光源達(dá)到傳統(tǒng)燈具的照明水平，從而減小了光學(xué)設(shè)計(jì)難度，并增加了車體造型設(shè)計(jì)感。

LED汽車燈具的配光設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用各單個(gè)LED光源的光通量，提高整個(gè)LED汽車燈光的利用率。

綜述以上4種前照燈燈具，LED燈具由于成本較高，目前僅在高檔轎車上采用，商用車還沒(méi)有考慮；投影式燈具和多反射面燈具在轎車和商用車上較為常見(jiàn)；配光鏡式燈具已逐漸淘汰。

3.2 法規(guī)要求

汽車前照燈在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到法規(guī)要求，相關(guān)法規(guī)為:GB 4785汽車和掛車外部照明和信號(hào)裝置的安裝規(guī)定，GB 4599汽車用燈絲燈泡前照燈，GB 7258機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件，GB／T 10485道路機(jī)動(dòng)車輛-外部照明和光信號(hào)裝置-環(huán)境耐久性。

3.3 前照燈調(diào)節(jié)裝置

在前照燈裝車后，應(yīng)對(duì)燈具的照明方向進(jìn)行調(diào)整。在燈具設(shè)計(jì)中，要求燈光在水平方向和垂直方向有2°～4°的調(diào)整量。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)連接可靠，在汽車行駛中不得引起松動(dòng)，以免引起車輛在行駛過(guò)程中的燈光跳動(dòng)和燈光方向的改變。燈光調(diào)節(jié)應(yīng)方便，在燈光調(diào)節(jié)中不能造成反光鏡的變形，以免造成燈具光分布的改變。

國(guó)標(biāo)要求新車型的燈光調(diào)節(jié)裝置必須采用電動(dòng)控制，因此駕駛室內(nèi)需設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)的控制開(kāi)關(guān)，通常設(shè)計(jì)的燈光調(diào)節(jié)裝置結(jié)合了電動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式。

3.4 線束組件設(shè)計(jì)

根據(jù)要求布置線束，導(dǎo)線應(yīng)滿足QC／T 730《道路車輛用薄壁絕緣低壓電線》要求，所用的插接器應(yīng)與線束端相匹配，插接器應(yīng)具有良好的防水密封功能。

3.5 附加裝置

附加裝置一般設(shè)計(jì)在燈殼上，如用于固定外接線束的支架、線束的固定槽等。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車前組合燈設(shè)計(jì)對(duì)汽車整體造型有著關(guān)鍵主導(dǎo)作用。隨著汽車市場(chǎng)的繁榮和汽車新技術(shù)的發(fā)展，前組合燈的設(shè)計(jì)應(yīng)用也將會(huì)逐步發(fā)展和提高，對(duì)于汽車燈具設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，需要挑戰(zhàn)的難度也將越來(lái)越大，未來(lái)的前組合燈設(shè)計(jì)將是一個(gè)無(wú)比開(kāi)闊的藝術(shù)舞臺(tái)。