汽车车灯同步转向装置设计.docx
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汽车车灯同步转向装置设计
汽车车灯同步转向装置设计
摘要
随着公路的提速,汽车车高速行驶的安全问题也越来越被重视。
传统的汽车大灯照明采用固定方式,其光束会延弯道切线方向射出,形成弯道内侧照明盲区,汽车驾驶员无法观察到安全距离范围内的所有情况,存在较大的安全隐患。
因此,对汽车大灯的照明方式进行改进是非常必要的。
本论文针对国内汽车车大灯固定式照明现状,参考了一些相关的专利发明技术与实际汽车应用,提出了基于汽车运行图的机车大灯智能转向控制系统,使大灯控制系统在汽车进入弯道前的某个适当时机,提前控制大灯自动换向,保证大灯进入弯道时刚好转到需要的角度,从而使大灯光束始终照射在前方轨道的中心位置。
关键词：
汽车大灯同步转向控制系统
Autolampsynchronoussteeringdeviceresearch
Abstract
Thepotentialsafetyhazardinthehigh一speedproeessoftrainswasproposedandpaidmoreandmoreattention,withthedevelopmentandtheaccelerationoftrainsysteminrecentyears.Thetraditionalfixedmethodofthetrainheadlamp15stationarymodel.Thelightwillbeamalongthetangentlineoftheraileurve,anditwillbringaboutaspeeialblindareaintheinsidefieldofeurve.Thepotentialdangerexsitsinthehighspeedeireumstancesbeeausethedriverean’tearefullyobserveeveryeventinthesafetyarea.Soitisveryessentialtoimprovethelightingmannerofthevehielebeam.
Thistopieaimsatdometieeurrentsituationoffixedilluminationoftrainheadlamp.Refertosomerelatedpatentteehnology,anintelligentsteeringcontrolsystemofheadlampwhiehbasedonthetrainroutemapwasputforward.Aeeordingtotheeomputercentrally·controlledsystemandadvantageofcomputerinformatization,theeontrolsystemoftrainheadlampeontrolsautomatiereversebeforeasiutabletimewhentraincomesintothebend.Makesurethatwhentraineomesintothebend,trainheadlampturntotherequiredangle.Andmakethebeamoftrainheadlampirradiatethecentraloffronttraekallthetime.
Keywords:
AutomotiveheadlightSynchronoussteeringControlsystem
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题背景及意义1
1.2国内外研究现状和发展趋势1
1.3本文研究内容2
2汽车车灯同步转向装置的应用3
2.1东风雪铁龙——凯旋3
2.2凯美瑞4
2.3新天籁4
2.4华晨宝马5
2.5新君越5
2.6途观6
3汽车车灯同步转向工作原理7
3.1汽车车灯同步转向装置构想7
3.2汽车车灯同步转向装置工作原理7
3.3钢丝拉索式车灯转向机构的主要特点7
3.4设计原理装配图8
3.5实现过程8
3.6材料选择9
4总结和展望11
4.1论文的主要工作与总结11
4.2进一步的工作展望11
参考文献12
谢辞13
1绪论
1.1课题背景及意义
车灯作为汽车功能的重要构成部分和车身外型的点睛之笔，其最基本的作用——安全，却常常被一些有车族忽视。
其实，车灯使用正确与否直接影响到有车族的行车安全，而大灯和安全尤其有着密切的联系。
据统计，60％的车祸都是因为视线不清造成的，因此，许多高档豪华车和欧洲车都把自动大灯作为一项重要且基本的主动安全配置。
灯光是驾驶员向外界传递的主要信息，也是夜间行车的重要保证，车灯出现故障或者灯光效能差会影响行车的安全，国内外很多车事故是与车灯有关。
由其是在夜间开车转弯时出现事故的情况由其多。
因为一般传统的汽车大灯都是直射的，车子晚上过弯的时候，根本无法照射到内侧，也就是我们常说的照明“盲区”，转向时静态大灯限制了驾驶者的视野，因此常常会产生"黑洞"。
如果没有及时发现弯道内侧的行人情况，很容易发生危险事故。
那么要解决驾驶员的视角盲区，就要求能使灯光能够照到转弯内侧部份。
而显然灯光是直身的不可能转弯，所以我们只有让灯旋转一些角度。
那么使灯与车轮同步旋转相同角度的话，也就能使灯始终与汽车行驶方向一致了。
这样就很好的解决了驾驶夜间转弯时出现的视用盲区了。
大灯只是车辆的一个部件，但往往在这种细节之处的改进可以让消费者得到更贴心的关爱。
见微知著，前大灯体现出的人性化科技内涵，是其整车开发思路的一个缩影。
所以解决这种给驾驶员带来安全隐患是我们设计的主要目的。
1.2国内外研究现状和发展趋势
目前，在汽车前照灯的标准方面存在2种不同的标准：
欧洲标准和美国标准，两者主要在近光配光上有较大的差别。
欧洲标准特别注重对眩光的控制，因此在其配光上存在15°的截止线。
并且照度也比较低。
而在美国，道路大多比较宽阔，因眩光没什么特别的要求，只要前照灯能够照得更远更亮就可以了。
但随着经济全球化进程的加快，人们迫切要求消除这两种标准之间的差别，建立一个统一的国际标准。
一种方法就是将两种标准中合理的部分综合起来，形成一个双方都能接受的标准，这就是所谓的国际协调。
另外一种方法就是建立一个包括多种功能的前照灯系统，它能根据不同的路况、天气而采用不同的照明方式，这就是AFS系统。
联合国欧洲经济委员会ECENo。
48／01法规中规定近光灯不应随转向角度而转动。
但随着AFS系统的成熟和广泛应用，欧盟委员会于2005年提交一项议案，建议允许欧盟25个成员国境内的汽车使用先进的AFS汽车前照灯，该议案在得到欧洲议会和欧盟理事会的批准后已经生效。
而在随后欧盟委员会颁布的ECENo。
48／02法规中，关于近光灯不应随转向角度而转动这一规定已经取消，AFS系统的使用得到了认可。
原来欧盟境内的汽车若想安装AFS~1照灯系统，需要极为复杂的审批程序。
新规定生效后，欧盟的相关审批程序大大简化。
我国国标GB4785-1984《汽车及挂车外部照明和信号装置的数量、位置和光色》的规定是参照联合国欧洲经济委员会ECENo。
48／01法规制定的。
按国情删去及修改部分内容外，其主要技术要求与ECENo。
48／01~规等效。
同样，国$~GB4785-1984也有对近光灯不应随转向角度而转动的规定。
但随着ECENo。
48／02法规的修改，国标也将进行适当的修改，允许AFS系统的使用。
对夜间行车的安全性产生了飞跃性的提高，同时大大提升了行车照明的舒适性，这在日本和欧洲的汽车制造商中已经成为共识。
对于AFS前照灯系统的研究在国外已经取得了很大进展，日趋成熟。
日本、欧洲等国的知名汽车制造商都纷纷推出自己的AFS系统，在其高档轿车中标配AFS系统的同时，将AFS系统在中档甚至中低档轿车车型中作为选配列出，比如奥迪A8，宝马5系，梅塞德斯CLS、E系、M系，9kz~B6，雷克~RX330，丰田皇冠等。
在国外AFS系统已经得到广泛应用，国内在这方面的研究还比较少，加之引进的AFS系统大多为生产商本国道路状况考虑，且国内的道路状况也与日本和欧洲有较大不同，有自己的道路特点和地形地貌，因此AFS系统并不能发挥最大的作用，对AFS系统在国内的应用带来了阻力。
国内上海小糸已经对天津丰田锐志AFS前照灯完成了国产化开发工作，用于新款丰田佳美AFS前照灯系统业已完成，但其主要是以技术引进为主，自主研发AFS系统应用于实车批量生产的还没有出现。
虽然AFS系统已经投入使用，而且效果良好，但致力于行车安全的专家们并未满足于已经取得的成绩。
以德国海拉公司为首的汽车灯具巨头们正在考虑如何让车灯在多种复杂的道路状况下为道路使用者提供更好的照明。
一种多功能可变智能灯光系统（VARILIS）的新技术即将诞生，除了上述随动转弯功能之外，它将根据车速在不同范围产生不同的光型，如乡村灯光、城市灯光、高速灯光、远光等。
传统的双氙气前照灯中，遮光罩在远光和近光2个位置动作，动作时间为毫秒级，电磁阀拉动机械装置使遮光罩上下移动，从而使射灯系统分别发出远光和近光。
在VARILIS系统中，光源和透镜之间不是双氙气前照灯中的遮光罩，而是一个可旋转的柱体，该柱体表面有很多不同的形状，它转到不同的角度意味着不同的光型。
为了有效确定应该使用哪种照明状态并根据需要转换，由智能控制器处理各类传感器信号，例如光线传感器、日光传感器、速度传感器、转角传感器等。
随着科技的发展，AFS系统的光源也将不断改进。
目前AFS系统大多使用高强度气体放电灯（HID，HighIntensityDischargeLamp）来取代卤钨灯。
随着LED模块亮度的大幅度提高，开发自适应前照灯系统的公司包括Hella、Valeo~11Visteon等已经开始采用LED作为前照灯的光源。
在美国，SAE标准组织已经批准将LED作为前照灯主要照明功能器件，欧洲可能2008年由欧洲经济委员会（ECE）批准相应的标准。
1.3本文研究内容
有关统计资料表明,汽车夜间行车发生的交通事故约占事故总数的50％。
究其原因,一是夜间行车会车时惯用的前照灯照明度太强使驾驶员目眩；二是传统的固定在车身上的转向灯照归度又不足，不能适应地形复杂的山区公路的要求。
据此，提出了车灯能随车轮一起转动的“车灯转向机构”的设想。
该机构的基本原理是将汽车转向器上转向臂轴的旋转运动,传递到可以绕其转轴转动的车灯上,使其随车轮同步转向。
汽车夜间照明对交通安全具有重要作用。
近年来,世界各国汽车公司和研发机构对车灯的研究投入了大量的人力和财力。
汽车自适应前大灯系统（AdaptiveFront-lightSystem,AFS）由于能根据各种行车环境来调节车灯的照射角度,亮度和色度,因而正日益引起广泛的关注。
本论文针对国内汽车车大灯固定式照明现状,参考了一些相关的专利发明技术与实际汽车应用,提出了基于汽车运行图的机车大灯智能转向控制系统,使大灯控制系统在汽车进入弯道前的某个适当时机,提前控制大灯自动换向,保证大灯进入弯道时刚好转到需要的角度,从而使大灯光束始终照射在前方轨道的中心位置。
2汽车车灯同步转向装置应用研究
基于消费者对汽车安全的愈加关注以及大灯制造成本的下降等因素，随动转向大灯将成为今年汽车流行的元素之一。
一般传统的汽车大灯都是直射的，车子晚上过弯的时候，根本无法照射到内侧，也就是我们常说的照明“盲区”，如果没有及时发现弯道内侧的行人情况，很容易发生危险事故。
随动转向大灯或许就是这样应运而生的吧，车主在应付这样的弯道时，随动转向大灯可以不断地进行动态调节，保持与汽车的当前行驶方向一致，以确保驾驶员在任何时刻都拥有最佳的可见度，以此保证夜间的行车安全。
随动控制大灯能够不断对大灯进行动态调节，保持与汽车的当前行驶方向一致，以确保对前方道路提供最佳照明并对驾驶员提供最佳可见度，从而显著增强了黑暗中驾驶的安全性。
这在转向时更具优势。
转向时静态大灯限制了驾驶者的视野，因此常常会产生"黑洞"，而随动控制大灯能够动态跟踪前方路况，像魔杖一样引导驾驶者在弯道上行驶。
随动控制大灯能够不断对大灯进行动态调节，保持与汽车的当前行驶方向一致，以确保对前方道路提供最佳照明并对驾驶员提供最佳可见度，从而显著增强了黑暗中驾驶的安全性。
这在转向时更具优势。
转向时静态大灯限制了驾驶者的视野，因此常常会产生"黑洞"，而随动控制大灯能够动态跟踪前方路况，像魔杖一样引导驾驶者在弯道上行驶。
这种先进的汽车照明装备，从前很少能在国产轿车中见到，只有宝马等高档车型上装有。
不过最近，细心的消费者会在相继上市的几款中高档级别车上惊喜地发现随动转向大灯的身影，这几款车分别是东风雪铁龙的凯旋、广州丰田的凯美瑞和东风日产的新天籁。
2.1东风雪铁龙——凯旋
凯旋的随动转向大灯是雪铁龙C5的优良传统得以保持的结果，它不仅具有随动转向功能，而且还是双氙气大灯。
凯旋的随动转向功能可“上下”、“左右”随动，光束随转向盘转动而转动（转弯时内侧灯可转动15°，外侧灯可转动8°），光束宽度加大，特别在连续弯道上，弯道内侧照明更宽，照明范围更大，可照亮传统车灯照不到的盲区，以便驾驶员及时发现路上的障碍物和行人，提高了驾车的安全性。
再加上双氙气大灯的光线比卤素灯强两倍，可以看清更远处的障碍物。
2.2凯美瑞
灯光是驾驶员向外界传递的主要信息，也是夜间行车的重要保证，车灯出现故障或者灯光效能差会影响行车的安全，一套表现优异的车灯对于主动安全的重要性一点也不亚于ABS、AFS、ALS等先进的汽车照明装备，从前只有在宝马545i等豪华车型上装备。
而新近上市的以“创造中高级轿车全球新标准”为目标开发的凯美瑞装备了这两种旨在提升夜间行车安全的高科技装备。
不少人会为凯美瑞氙气前大灯稳重、大气而又不失时尚的设计而惊叹。
实际上在漂亮的“外衣”之下，凯美瑞前大灯所包含的实用高科技更加值得称道，堪称美学与科技的完美结合。
凯美瑞各型号的前大灯均装备有AFS智能随动系统（AdaptiveFront-LightingSystem）、ALS自动光轴调节系统（AutoLevelingSystem），并且200E之外的4个型号均配有大灯清洗装置。
通常，汽车上安装的普通大灯具有固定的照射范围，当汽车夜间在弯道上转弯时，由于无法调节照明角度，常常会在弯道内侧出现“盲区”，极大地威胁了夜间的行车安全。
AFS智能随动系统有效的解决了这个问题。
以凯美瑞为例，在夜间转弯时，AFS能根据车速以及方向盘转向角度，自动调整两侧大灯的照射范围，消除“盲区”，确保弯道中的高能见度。
如果说AFS控制的是灯光的“左右”调整，那么ALS控制的则是灯光的“上下”调整。
通常，汽车大灯的光轴与车身水平线保持一致。
如果后排负载较大，车身水平线难免会出现上扬，因此大灯的光轴也随之上扬，会对对面车辆的驾者产生干扰。
一般驾者都会对此深恶痛绝，实际上，这也正是导致许多车祸发生的原因。
ALS在后排负载较重导致车身角度上扬时，可自动调整光轴倾角，保持光轴水平，避免光轴上扬对对面来车驾驶人员的干扰。
凯美瑞的随动转向大灯基本上与凯旋上的工作原理相同。
所谓的“上下”随动和“左右”随动分别是AFS前大灯智能随动系统和ALS光轴自动调整系统。
在夜间转弯时，AFS能根据车速以及转向盘转向角度，自动调整近光灯的照射中心，自动指向入弯，确保弯道中的高能见度。
在后排负载较重导致车身角度上扬时，ALS自动调整光轴倾角，避免光轴上扬对对面来车驾驶人员的干扰。
2.3新天籁
新天籁同样安装了双氙气前大灯，在亮度上无可挑剔，自动辅助转向灯（AFS）能够在转向盘转过固定角度的时候自动开启，从而扩大相应方向上的照明范围，扩大驾驶者的视野，增强转向时候的安全性。
不过遗憾的是，新天籁的随动转向大灯没有ALS光轴调整功能，也就是不能够随着汽车前后重心的变化而“上下”随动。
图2-1
2.4华晨宝马
通常汽车的大灯不论亮度如何都有一定的照明范围，当在夜间行驶转弯的时候，会因为行驶角度问题出现一定的“盲区”，这会在一定程度上影响行车的安全，在照明光线固定的情况下，这个盲区是不可避免的，所以“AFS灯光随动转向系统”就应运而生了。
它能够根据行车速度、转向角度等自动调节大灯的偏转，以便能够提前照亮“未到达”的区域，提供全方位的安全照明，确保夜间转弯行车的安全。
要知道宝马一贯以高科技含量著称，在其高配型号中装备随动转向大灯这一技术也就不足为奇了。
国产宝马中，目前拥有这一装备的车型大致有330i和545i。
宝马的双氙气大灯同样具有横向和纵向的调节功能，不但消除了死角，还可避免对迎面驶来的车辆造成威胁。
2.5新君越
有研究表明，夜晚发生交通事故的概率要远远高于白天，究其原因，除去驾驶者在夜晚可能产生的疲劳感等因素以外，很重要的一个原因在于夜晚光线不足带来的视野盲区，使得驾驶者无法预判即将发生的险情，从而导致交通意外的发生。
要解决这样的问题，采用红外线夜视系统是行之有效的方式，但鉴于成本因素，目前只有像宝马7系、奔驰S级这样的超豪华车型才使用该系统。
对于中高级轿车来说，为车辆配备Bi-Xenon随动转向HID大灯，尽可能增加车灯亮度以及照射范围，同样也是保障夜间行车安全行之有效的方法，也是未来中高级车安全性发展的趋势。
本文将以即将上市的新君越所配备的Bi-Xenon随动转向HID大灯为例，为消费者介绍该技术在夜间行车时保障安全的实际应用。
新君越所配备的AFS随动转向氙气大灯，提供内侧7度，外侧15度的转向范围，根据速度、方向盘转角等因素的变化，在各种路况下为驾驶者提供更宽广的照明视野，有助于提升车辆在夜间行驶的安全性。
夜晚驾车最容易引发安全隐患的路况莫过于弯道了，由于普通车辆前大灯在弯道中并不能根据弯道实际的方向调整照射角度，因此在弯道的边缘很容易产生视野的盲区，加上车辆过弯的速度较快等因素，一旦有物体从视野盲区内突然出现，意外就很难避免了。
新君越在遇到这样的情况时，以向左转弯为例，左侧的大灯可以向弯心处最大偏转7度的照射角度，而右侧的大灯则可以最大偏转15度，使得原本处于视野盲区的弯道边缘也能够进入驾驶者的视线中，即使在速度较快的过弯状态下，驾驶者也能提前发现可能存在的安全隐患，采取制动、调整方向等措施，优雅而从容地避开危险，提升夜间行车安全。
2.6途观
随动转向大灯可以在车辆转弯时更好地提供照明，它不仅在地下车库、夜间城区行驶时很实用，而且在郊游时更具价值。
例如在旅行过程中不得不夜间驾驶时，在那些没有路灯的郊区公路上，随动转向将极大的提升夜间行车安全性。
途观不仅大灯本身具备随动转向，而且还特别配备了弯道辅助照明角灯，效果更出色。
这项一般只会出现在豪华SUV上的装备，既体现出途观定位的不一般，同时也显现出上海大众对安全性的重视。
作为上海大众第一款SUV车型，途观的每一项配置和功能都闪耀着科技的光芒，尽显德国制造的诱惑。
凭借先进的高科技配置，途观不仅超越了SUV越野功能的操控性和轿车般的舒适性，而且更在细节处恰到好处呈现出高端都市SUV所特有的精致，给车主带来前所未有的驾乘体验，真正实现“科技畅享未来”的梦想。
经过前面对各种车的介绍，对随车转向大灯有了深刻的认识。
汽车的大灯不论亮度如何都有一定的照明范围，当在夜间行驶转弯的时候，会因为行驶角度问题出现一定的“盲区”，这会在一定程度上影响行车的安全，在照明光线固定的情况下，这个盲区是不可避免的，所以“AFS灯光随动转向系统”就应运而生了。
它能够根据行车速度、转向角度等自动调节大灯的偏转，以便能够提前照亮“未到达”的区域，提供全方位的安全照明，确保夜间转弯行车的安全。
3汽车车灯同步转向控制系统研究
3.1汽车车灯同步转向控制系统简述
汽车车灯同步转向控制系统是用来提高机车运行安全的,在多曲线的山区,由于机车在曲线上,大灯光线就会偏离轨道的中心,机车驾驶员一般采用大俯角、散照射的办法来适应,这样势必过多的损失在直线上对远点的照度。
当光线的强度达不到相应水平时,过远的投射将起不到应有的作用,这时就需要机车大灯智能转向控制系统控制大灯,让其发出的光线准确的对准轨道的中心位置,保证机车驾驶员能够每时每刻都能看清铁轨上的情况,避免安全事故的发生。
另外,机车驾驶员在机车人机系统中起控制和协调的主导作用,机车大灯发出的移动的光线对提高机车驾驶员注意力有一定的积极作用。
该系统的基本工作流程：
首先,控制系统利用串口通讯从上位机获取机车运行的信息数据,然后通过编写的控制程序计算出大灯需要转动的角度、转动的速度,从而控制步进电机启动、停止和加减速等，最后,通过限位开关将大灯的旋转位置信号反馈给控制系统。
3.2系统的整体结构
3.2.1系统硬件构成
灯体动作机构是实现光束控制的主要部件。
通常的随动大灯系统，灯体动作主要依靠软件检测方向盘的动作脉冲来确定。
随动大灯在车辆夜问行驶过程中，灯体机构跟随方向盘的转动而频繁动作。
方向盘快速反复的动作使得机构的响应出现滞后或丢失。
灯体长时间动作形成的累积误差是一个不容忽视的问题。
制造高精密的灯体动作机构和建立定位反馈环路架构是提高系统精度的基础。
采集更多的车辆动态信号加以分析和处理，测算和修正定位偏移，保持系统动态平衡和有效消除系统积累误差是实现大灯光束精确地控制的研究课题。
前大灯总成内的灯体动作机构、灯体位置传感器、双轴传感器、步进电机、定位信号放大滤波电路、A／D转换电路、LIN信号接收单元等硬件与安装在仪表台下控制盒中的MCU单元构成了系统定位反馈环路如图3-1所示。
MCU单元板上安装了电机驱动、方向盘传感器、旋转加速度传感器、LIN传输模块。
车姿、轮速传感器和轴向加速传感器分布在车辆的不同部位。
系统将各路被检测到的信号分别送至MCU。
图3-1工作原理图
（1）灯体位置传感器。
首先，在灯体的旋转盘上安装了位置检测磁体，磁体分别位于转盘的
点上，分别作为灯体旋转的定位和限位信号。
由电机固定机架上的检测线圈拾取信号。
当灯体转盘相对固定架旋转运动时，磁场相对线圈作旋转运动并切割磁力线，则线圈两端的感应电势：
（3-1）
式中：
——为旋转运动的相对角速度；
A——为每匝线圈的截面积；
——为线圈平面的法线方向与磁场方向间的夹角；
——为磁电信号检测器读出微弱的Z轴旋转信号。
另一路安装在灯体底座上的双轴传感器给出灯体x轴信号，作为灯体的水平基准信号。
由于水平基准是关系到法规严格控制的光束截止线的技术指标，因此对信号的静态和动态性能有较高的要求。
二路信号分别被放大并处理为数字信号。
（2）MCU单元和电机驱动芯片。
硬件系统的MCU为英飞凌公司的XC164CM系列l6位单片微处理器。
步进电机驱动选择了美国AMI公司AMI~30623步进电机控制芯片。
该芯片属高集成度芯片，内建了电源模块、控制器、LIN总线收发器和步进电机驱动。
其主要特性有：
最高峰值电流输出达800mA；提供最高达16细分数的步进电机驱动；内建加减速算法；完全兼容LIN1.3规范。
控制操作均通过LIN总线调用其内部函数来完成，所以使用起来十分简便。
3.2.3控制系统工作原理
系统启动时，安装在灯体内的灯体姿态传感器，将Z轴旋转定位、限位信号和双轴加速度的X轴基准位
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