汽車前照燈雙功能模組光學性能的優(yōu)化設計

摘要：對汽車前照燈的近光和遠光光學性能進行了優(yōu)化設計。該設計主要針對的是近光功能的明暗截止線以及遠光功能打開時兩部分光線拼接的過渡區(qū)域均勻性的優(yōu)化。明暗截止線不清晰以及拼接區(qū)域過渡不平緩的主要原因是擋光片本身的厚度，擋光片的沖壓工藝精度較低，以及組成兩部分光線的零件的尺寸公差較大且具有不穩(wěn)定性，因此從減小擋光片厚度，改變擋光片的工藝和減少尺寸鏈的環(huán)節(jié)入手，減小兩部分光線之間的間隙，進而提高截止線的清晰度以及減少過渡區(qū)域的光強突變，按照該方案優(yōu)化結(jié)構(gòu)后進行理論分析，以及光學仿真模擬驗證，最后得出有效結(jié)論。

關鍵詞：汽車前照燈;遠光;近光;LED;雙功能模組;明暗截止線;光學性能

中圖分類號：U461 收稿日期：2022-07-11

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.021

1 前言

伴隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對于車的需求和預期不斷提高，在滿足基本的運輸交通功能以外，越來越多的人開始重視汽車的外觀、舒適性和安全性。車燈作為汽車的眼睛，對整個汽車的造型和安全性都有著至關重要的作用。車燈是汽車行駛的重要保障，為汽車安全行駛提供良好的照明以及信號功能，車燈設計的好壞將直接影響整車的美觀以及安全性能。遠光和近光功能作為車燈乃至整車的重要功能性設計，保證汽車在夜間能夠安全行駛。

伴隨著LED照明技術的不斷發(fā)展，其成本也越來越低，因此大多數(shù)主機廠傾向于選擇LED作為車燈光源?，F(xiàn)在國外大部分的高檔品牌車型都采用LED光源[1]，國內(nèi)相較于國外對于LED的研究與發(fā)展來說起步較晚，國家相關部委多次在五年發(fā)展規(guī)劃中提及要加大對LED照明技術發(fā)展的支持力度[2]。在20世紀初，大眾高爾夫車型成為國內(nèi)首位采用全LED的量產(chǎn)車型[3-4]。

起初LED的應用主要集中在信號燈領域，因為信號燈對于亮度的需求遠遠低于遠光和近光功能，近年來，隨著企業(yè)對發(fā)光二極管技術的快速提升和推廣普及，單顆LED的功率和光通量得到了大幅度的提高[5-6]。在汽車前照燈遠光和近光功能上的應用也隨之越來越廣泛，相較于采用兩個或者多個單功能的模組組成遠光和近光功能，集遠光和近光于一體的雙功能的模組，因使用的LED顆數(shù)大大減少，整個模組占用體積更小，重量更輕，結(jié)構(gòu)設計更簡單穩(wěn)定，成本大大降低，越來越多地被投入使用和推廣。

雙功能模組一般包含兩個光學模塊，一個光學模塊負責近光功能，以及遠光功能中與近光重合的部分;另一個光學模塊負責遠光功能中與近光不重合的部分。為防止眩目，近光截止線的位置、形狀等要求極高，一般會采用單獨的零件-金屬擋光片遮擋住不需要的光線，在車前形成準確的明暗截止線來滿足近光法規(guī)要求和客戶的光學性能要求，擋光片與近光模塊的相對位置的精度會直接影響截止線的準確度和清晰度。

當啟用近光功能時，近光模塊開啟，遠光模塊關閉，啟用遠光功能時，近光模塊和遠光模塊同時打開，擋光片會將兩部分光線分隔開，擋光片本身的厚度以及與兩個近光模塊的實際裝配間隙會導致兩部分光線交匯的區(qū)域存在縫隙，照度突然降低，車前會形成一定寬度的暗區(qū)，裝配間隙在公差范圍內(nèi)較大值時就會導致更寬的暗區(qū)。因此為了縮小暗區(qū)的寬度以及滿足近光前照燈截止線清晰度越來越高的主觀要求，需要對雙功能模組進行設計優(yōu)化和改進。

2 前照燈設計規(guī)范

按前照燈的國標規(guī)定[3]，前照燈近光應具有足夠的照明并不產(chǎn)生眩目，在配光屏幕上近光應產(chǎn)生明顯的明暗截止線，遠光應具有良好的照明，配光性能應在距離前照燈基準中心前25 m的垂直平面配光屏幕上測量，各測試點、區(qū)的位置如圖1所示。

在配光屏幕上，近光應產(chǎn)生明顯的明暗截止線，其水平部分位于v-v線左側(cè)，右側(cè)為HV-H2-H3線或HV-H1-H2-H4線。不允許有多條明暗截止線目視可見。并且在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ區(qū)內(nèi)，應無影響良好可見度的橫向照度變化。

《CN-CAP管理規(guī)定》整車燈光性能試驗包括近光燈整車性能試驗與遠光燈整車性能試驗，分別對近光燈的直道引導距離、彎道引導距離、左側(cè)行人可見度、路口行人探測寬度、彎道照明寬度、對對向駕駛員的眩光以及對遠光燈的照明范圍、路口行人探測寬度等指標進行測試及評價，其中對于整車燈光性能評分的評分項也與遠近光的均勻性緊密相關，尤其是對于前照燈眩光的罰分項與近光截止線的清晰度緊密相關，遠光功能的照明范圍、路口行人的探測寬度等與遠光照度的均勻性也直接相關。

目前，汽車制造廠也逐步增加和提高了對均勻性評判的客觀測試要求和主管評價要求，例如限制截止線波動的范圍、測試路面不同區(qū)域的照度值、感受路面上燈光的亮度和均勻光線產(chǎn)生的視覺舒適性等。

3 問題描述

如圖2所示，常規(guī)的LED遠近光雙功能模組包含以下光學零件：1模組透鏡、3擋光片、5遠光內(nèi)透鏡、6電路板上的LED和8近光內(nèi)透鏡。

近光功能打開時，下半部分LED點亮，通過8近光內(nèi)透鏡傳導至模組透鏡，擋光片遮擋向上的一部分光線，形成法規(guī)要求的明暗截止線形狀。近光明暗截止線的清晰度由近光內(nèi)透鏡、擋光片、擋光片支架三個零件的加工精度以及相對安裝精度決定。如圖3 所示，目前常規(guī)的遠近光模組光學模擬出的近光截止線存在一定的模糊情況。

遠光功能打開時，上半部分和下半部分LED同時點亮，上半部分LED發(fā)出的光線通過遠光內(nèi)透鏡，模組透鏡傳輸?shù)杰囕v前方，下半部分LED發(fā)出的光線通過近光內(nèi)透鏡，模組透鏡傳輸?shù)杰囕v前方。上下兩部分光線會被擋光片分成兩部分，兩部分光線理論上在擋光片處會存在與擋光片厚度相同的間隙，該間隙隨著光線的傳輸，照在路面上會形成一定寬度缺少光線，即在交匯區(qū)域會有亮度驟降，導致交匯區(qū)域在路面上形成暗區(qū)。交匯區(qū)域的寬度由擋光片的厚度（0.1 mm左右），擋光片的加工誤差以及與兩個內(nèi)透鏡的裝配間隙和公差決定。常規(guī)的擋光片材料為鋁合金，生產(chǎn)工藝為沖壓，沖壓工藝的精度較低。

遠光的模擬結(jié)果如圖4所示，HV線附近的等照度曲線寬度明顯小于上下區(qū)域的寬度。最終在車前路面上會形成明顯的暗區(qū)，而且后續(xù)生產(chǎn)和裝配導致的公差還可能會導致更寬的暗區(qū)問題。按照模組的裝車高度800 mm來假設，暗區(qū)的形成位置會在車前80 m左右，該區(qū)域照亮的寬度會直接影響光學性能，安全指數(shù)以及駕駛員的主觀感受。為減小不良影響，在擋光片的生產(chǎn)過程和裝配過程中，需要提高精度要求，嚴格控制產(chǎn)品質(zhì)量和增加檢測頻率，進而會導致零件良品率的下降和成本的上升，裝配中對公差的嚴格限制會導致生產(chǎn)節(jié)拍的降低和產(chǎn)能的下降。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論分析

從上述問題產(chǎn)生的原因出發(fā)，優(yōu)化的方向應該放在兩個方面：a.減小擋光片的厚度和制造公差;b.減小裝配完成后的間隙。隨著車燈零部件加工工藝的一步步提升，塑料件局部鍍鋁的精度和良品率等都有較大進步，在此基礎上我們提出對內(nèi)透鏡進行局部鍍鋁，鍍鋁面作為擋光片功能使用，明暗截止線的形狀直接在內(nèi)透鏡注塑上實現(xiàn)。集成擋光片功能的近光內(nèi)透鏡實物如圖5所示，局部鍍鋁的內(nèi)透鏡在鍍鋁區(qū)域會將截止線的形狀注塑出來，然后在該區(qū)域進行局部鍍鋁。

擋光片的厚度一般至少為0.1 mm，而鍍鋁層的厚度按照目前的工藝水平，可控制在60～160 nm，單個零件經(jīng)過調(diào)整鋁的用量和鍍鋁時間，可控制在90～100 nm，1 nm為10-6 mm，在數(shù)量層級上，與擋光片的零件厚度相比大大降低;截止線的形狀也由注塑來實現(xiàn)，注塑件的精度對該尺寸的零件可控制在0.02 mm左右，而之前的擋光片由沖壓工藝實現(xiàn)，沖壓工藝的精度對于該零件的尺寸可控制在0.1 mm左右，而且沖壓件的成品在折彎處必然會存在圓角，否則會產(chǎn)生撕裂，近光截止線在HV點和H1點都有明顯的折線需求，沖壓工藝無法實現(xiàn)，最小只能做到R0.2 mm到R0.3 mm，但是對于內(nèi)透鏡的注塑工藝，HV點的折線圓角可接近R0，H1點的折線圓角最小可達到R0.01 mm，對于折線區(qū)域的精確性大大提高。

另外，零件之間的裝配間隙至少0.2 mm，而且裝配公差會在0.1 mm范圍內(nèi)浮動，最大間隙會高達0.3 mm，鍍鋁面作為擋光片與內(nèi)透鏡一體，不存在裝配間隙和公差的問題，可認為間隙直接減少為零。優(yōu)化后的遠近光模組剖面如圖6所示，優(yōu)化后的遠近光模組光學部件包含1模組透鏡、3集成擋光片功能的近光內(nèi)透鏡、4遠光內(nèi)透鏡、5電路板上的LED。

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，近光功能打開時，下半部分LED點亮，通過近光內(nèi)透鏡傳導至模組透鏡，近光內(nèi)透鏡上側(cè)的鍍鋁面遮擋向上的一部分光線，鍍鋁面注塑出的形狀遮擋出清晰的明暗截止線形狀。近光明暗截止線的清晰度由集成擋光片功能的近光內(nèi)透鏡的注塑精度以及鍍鋁工藝的精度決定。之前的厚度、裝配間隙以及公差范圍等問題均可認為減少到可忽略的狀態(tài)。截止線的形狀可通過單個零件即局部鍍鋁的內(nèi)透鏡直接影響，公差的范圍由一個復雜的裝配組件縮小到單個零件的制造公差。

遠光功能打開時，上半部分和下半部分LED同時點亮，上半部分LED發(fā)出的光線通過遠光內(nèi)透鏡，模組透鏡傳輸?shù)杰嚽埃掳氩糠諰ED發(fā)出的光線通過近光內(nèi)透鏡，模組透鏡傳輸?shù)狡嚽胺?。上下兩部分光線會被鍍鋁面分成兩部分，鍍鋁層的厚度在90～100 nm范圍內(nèi)，遠遠低于擋光片0.1 mm的厚度。光線之間縫隙的數(shù)量級大大減小，兩個光學模塊之間的間隙基本可忽略不計，最終在路面上形成的暗區(qū)也會達到肉眼難以察覺的水平。

5 模擬驗證

按照以上的假設，理論分析以及數(shù)值計算，優(yōu)化后是否能達到預期的效果，需要進行進一步的光學模擬驗證，將優(yōu)化后的模組近光模擬圖（圖7）與常規(guī)模組遠光模擬圖（圖4）進行對比，可知近光截止線明暗對比非常明顯，截止線的形狀更加清晰光順，與理論分析的結(jié)論一致。局部鍍鋁的內(nèi)透鏡實物顯示，鍍鋁的邊界也清晰光順，并且質(zhì)量較為容易控制。影響截止線清晰度的因素有注塑和鍍鋁兩個環(huán)節(jié)，最終體現(xiàn)在模具的加工精度、局部鍍鋁遮具的加工精度兩個方面，都可在工藝過程中方便檢測，容易優(yōu)化和改進。

在優(yōu)化后的模組遠光模擬圖（圖8）中，在上下兩部分光線交匯的區(qū)域和等照度曲線在截止線區(qū)域，即兩部分光學模塊銜接區(qū)域，沒有向內(nèi)側(cè)急劇凹陷的情況，即表示光學照度沒有急劇減小，寬度與遠光內(nèi)透鏡發(fā)出的光線部分基本一致，與理論分析得出的結(jié)論也完全一致，沒有照度的急劇變化，進而也不會產(chǎn)生可察覺的車前暗區(qū)問題。

從以上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，理論分析以及模擬驗證可以看出，該雙功能模組結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化，通過減少零部件入手來縮短尺寸鏈，制造、裝配等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的公差都與之前相比降低到可忽略的級別。最終該優(yōu)化設計不僅提高了光學性能，通過減小零部件數(shù)量大大降低了成本，減少了能源消耗，加快了模組以及組合前大燈的生產(chǎn)節(jié)拍，進而提高了整燈以及整車的產(chǎn)能。

6 結(jié)語

與常規(guī)設計的汽車前照燈雙功能LED模組相比，擋光片與透鏡一體化的設計，不僅從光學性能、路照效果等方面有較大改善，在成本控制和產(chǎn)能方面也有較大優(yōu)勢，順應了汽車快速發(fā)展且不斷降低成本、提高效率、可持續(xù)發(fā)展的趨勢。因此，本文提出的結(jié)構(gòu)性的創(chuàng)新優(yōu)化設計對汽車前照燈乃至汽車行業(yè)的發(fā)展能起到較為關鍵的作用。

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作者簡介：

王超，男，1987年生，工程師，研究方向為汽車照明系統(tǒng)開發(fā)。

肖俊，男，1988年生，工程師，研究方向為汽車照明系統(tǒng)開發(fā)。