探討商用車前組合燈的設計方法

汪 暉

（東風汽車有限公司商用車技術中心，湖北 武漢 430056）

汽車燈具設計跨造型、機械、電氣等多方面學科知識，需要了解光學、模具、機械性能、電氣設計等相關內容。設計一個性能優異的前照燈，特別是一款共用同一個燈罩、具有多種功能的前組合燈，對汽車設計人員來說是一個極大的挑戰。

目前，通用化的前組合燈包含遠光燈、近光燈、位置燈、轉向燈，這不僅是處于成本考慮，而且也是由于位置燈及轉向燈所需空間較小，其設計相對于遠、近光燈來說，容易實現配光要求。因此，本文重點針對遠、近光組合的前組合燈的設計方法進行分析和討論。

1 設計思路

前組合燈的造型不僅與車體的造型緊密相關，而且也影響到車輛的經濟性和動力性。

前組合燈的設計在轎車和商用車兩種類型車上的方法是不同的。轎車前組合燈的設計可選擇方案比商用車的設計方案要多些: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，上萬元的前組合燈也不少見，而商用車的前組合燈最高也不超過三百元；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動機艙內，而商用車的前組合燈大多是布置在保險杠上，后部有轉向機構，空間的限制約束著前組合燈的設計方案；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，商用車前組合燈設計要求更高。

2 商用車前組合燈的設計方案

前組合燈一般布置在保險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，由于高低位置的視覺差距，造成駕駛員常有照射路程不夠遠的感覺。

2.1 長度設計

中、重型商用車駕駛室的寬度一般在2m或2m以上，根據GB 4785《汽車和掛車外部照明燈及信號燈技術條件》要求，前照燈布置在駕駛室靠外側。如果燈具的寬度不夠，那么在駕駛室的正中央處將會有暗區，造成不安全因素。因此，設計初期應盡可能將燈具的長度加長。

2.2 層次設計

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，顯出大氣，突出車型的高貴。但在商用車上，由于車體機構體積較大，特別是轉向機構的布置，致使留給前照燈的空間有限，因此，在商用車上的前照燈設計應考慮橫向排列。

2.3 燈具的集成度

從制造成本考慮，將法規要求的前轉向燈、前位置燈與前照燈集成在一起，共用同一個透光鏡。這樣的好處是不僅成本節省，而且對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。

常見前組合燈的功能燈布置方式見表1。

2.4 光源的選擇

對電源為24V系統，可采用的燈具光源有傳統光源和LED光源。

2.4.1 傳統光源

傳統光源可參照GB 15766《道路機動車輛燈泡尺寸、光電性能要求》。對于近、遠光燈，可選擇的光源見表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為鹵素燈泡，目前R2白熾燈泡已基本不采用。

傳統光源還包括氙氣燈，具體型號見表4。

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

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，也不包括標準燈頭，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 遠光燈可選擇光源

表4 疝氣燈型號

3 燈具設計

3.1 確定燈光組結構

燈光組是由配光鏡、反光鏡和燈泡組成的。燈光組的結構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散，以達到希望的配光效果。在配光鏡上的各棱鏡是一個一個地計算出來的聚光鏡單元，通過它們的組合設計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該是透明度高，能夠形成正確配光單元的高品質的材料。因為汽車前照燈配光鏡總是受到外部環境的影響，所以要求它長期受到日曬不老化、不變色，并具有一定的強度和耐擦傷性、耐腐蝕性和耐候性等。

為了滿足上述要求，過去前照燈配光鏡都是用高純度的無機玻璃制成，現在已大量采用不飽和聚酯熱塑性有機材料制成。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層。這種有機材料配光鏡的特點是設計自由度大，成型工藝也不像無機玻璃配光鏡成型那樣受到制約，對異型前照燈配光鏡的設計和制造都有利。

用這種有機玻璃制成的配光鏡可大幅度地減輕質量，大量生產的配光鏡有機材料比重約是無機玻璃的50%，配光鏡的厚度也減薄了50%左右，相同設計的配光鏡質量約減輕到1／3～1／4。尺寸越大的配光鏡，這種優越性就越明顯。

GSM模塊是整個系統設計的又一個核心組成。是用戶和家居聯系的紐帶。GSM短信模塊由無線模塊SIM900A硬件、二極管、瓷片電容三部分組成，主要用于系統的通信方面。

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涂敷一層鋁反光膜，為了防止鋁膜受熱后揮發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。經實際測試表明: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偏右側的照度值可增加一倍。同時也大大增加了前照燈的照明寬度，這對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面的照度，這對汽車行駛彎路或轉彎行駛時是非常有利的。但焦距小的反光鏡需將前照燈總成做得很深，這會給整車布置帶來一定的困難，并且也給反光鏡的生產增加了難度。

目前，這種設計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小的曲面單元燈光反射方向來達到配光性能要求，而配光鏡變成了透明燈罩，不再承擔配光功能。反光鏡將光源發出的光通量反射到燈具照明的方向，將燈泡向空間發出的照射到反光鏡上的光通量，從開口部分集中照射出來，以增大照明方向的燈光強度。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合橢圓面反光鏡前照燈系統。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計算機輔助設計計算求得的。光源經過它反射后，不用配光鏡就能達到法規要求的光形，像屏可以精確控制配光性能中所要求的明暗截止線，再經過高精度的物鏡折射，最終獲得高清晰度的光形，很好地達到法規要求的配光性能。

3.1.4 LED汽車燈具

LED汽車燈具是另一種特殊的汽車燈具，在電氣設計時，應考慮燈具要使用LED特性、數量、燈具的安裝地點，以及電氣安全、恒流驅動、抗擾度和EMI，選擇或設計合適的LED驅動電源。

LED驅動電源參數應考慮與內部元器件工作溫度相關的測溫點與溫度、驅動方式 （恒壓型、恒流型或恒壓恒流混合型）、功率因數、輸出電流和輸出電壓的穩定性、單一功率負載或功率范圍負載、能效等級等。如果LED燈具是獨立式安裝，則其外殼防護等級、浪涌等特性要求也是重要參數。

驅動電源與LED模組的電氣連接也是LED燈具電氣系統的重要組成部分，應充分考慮這些電氣連接的安全性，包括應采用標準的連接件、充分絕緣、防觸電保護等。

LED汽車燈具必須滿足電磁兼容特性，PCB設計初期應考慮到材料的選擇、工序的設計等影響因素。

LED光源應用于汽車前照燈需要解決以下幾個問題。

3.1.4.1 亮度輸出

前照燈的亮度要求為:近光900lm，遠光1000lm。

估算為整體亮度2000lm，約為40只1 W的LED在25℃時的總光源輸出。這類LED當環境溫度升至50℃時，效率會降至80%。為提高功率，需要更多數量的LED，這不僅會引起成本增加，也會使LED的故障率增加。

3.1.4.2 散熱問題

傳統光源產生的熱量雖然遠遠高于LED，但不會因高溫而降低其光輸出，但LED光輸出卻會因LED的結溫升高而下降。因此，散熱問題在LED前照燈設計中非常重要。為防止LED過熱而燒毀，需要加裝散熱片。由于前照燈需用很多個LED，加設散熱片后體積會過于龐大，難以集成到燈具中。

LED的工作溫度必須保持在50℃以下。對于LED散熱問題的解決方案為:在一個燈具中使用數目較多的LED發光元件，讓單元件的發熱量較小，再把它們布置在較大的空間內使其易于散熱。

LED燈具的散熱方式除了采用大空間的被動散熱方式外，還可以采用主動散熱方式，即在燈具中增加風扇和通風管道，對于一些高檔車型，通常會采取主動散熱和被動散熱相結合的方式進行設計，以達到更好的散熱效果，提高LED燈具的使用壽命。

3.1.4.3 光學設計

利用LED作為光源設計燈具，需要將傳統的柱光源變為面光源。為得到需要的流明輸出，LED需要較大的封裝面積，致使光學設計難度增大。在目前的一些概念車上，都以模塊化設計取代現有的單一燈室設計，利用多組光源達到傳統燈具的照明水平，從而減小了光學設計難度，并增加了車體造型設計感。

LED汽車燈具的配光設計應充分利用各單個LED光源的光通量，提高整個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；配光鏡式燈具已逐漸淘汰。

3.2 法規要求

汽車前照燈在設計時要考慮到法規要求，相關法規為:GB 4785汽車和掛車外部照明和信號裝置的安裝規定，GB 4599汽車用燈絲燈泡前照燈，GB 7258機動車運行安全技術條件，GB／T 10485道路機動車輛-外部照明和光信號裝置-環境耐久性。

3.3 前照燈調節裝置

在前照燈裝車后，應對燈具的照明方向進行調整。在燈具設計中，要求燈光在水平方向和垂直方向有2°～4°的調整量。調節機構應連接可靠，在汽車行駛中不得引起松動，以免引起車輛在行駛過程中的燈光跳動和燈光方向的改變。燈光調節應方便，在燈光調節中不能造成反光鏡的變形，以免造成燈具光分布的改變。

國標要求新車型的燈光調節裝置必須采用電動控制，因此駕駛室內需設計可調節的控制開關，通常設計的燈光調節裝置結合了電動調節和手動調節兩種方式。

3.4 線束組件設計

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

3.5 附加裝置

附加裝置一般設計在燈殼上，如用于固定外接線束的支架、線束的固定槽等。

4 結束語

汽車前組合燈設計對汽車整體造型有著關鍵主導作用。隨著汽車市場的繁榮和汽車新技術的發展，前組合燈的設計應用也將會逐步發展和提高，對于汽車燈具設計師來說，需要挑戰的難度也將越來越大，未來的前組合燈設計將是一個無比開闊的藝術舞臺。