昼间行驶灯集成在前照灯内的设计方法与应用

麻美妮，郭小龙

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

昼间行驶灯集成在前照灯内的设计方法与应用

麻美妮，郭小龙

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先阐明了车辆配置昼间行驶灯的目的和意义，对汽车昼间行驶灯与前照灯集成的设计方法做了详尽的描述。重点讨论了前照灯集成昼间行驶灯的一般设计流程及在开发过程中所需关注的法规要求及设计要点，通过结合一款车型的研发过程，对集成在前照灯内的昼间行驶灯研发的一般规律做了深入的论述。

昼间行驶灯；光源模组；散热；配光

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-06-07

1、引言

1.1 目的和意义

昼间行驶灯是车辆在白天行驶时，使得车辆更为易见的一种面向前方的灯具。昼间行驶灯是一种新型的信号灯具，当车辆发动机工作时昼间行驶灯自动点亮。它的功效不是为了使驾驶员能看清路面，而是很大程度的提高其他道路使用者对机动车的可见度，提高车辆安全性。尤其是近年来雾霾天气严重，更需要昼间行驶灯这个功能了，在雾霾严重的时候，200米开外看不清楚的情况下，有无昼间行驶灯的效果相差甚远。

当汽车启动时昼间行驶灯自动开启，在夜间或光线较暗环境下行驶时开启小灯，昼间行驶灯自动熄灭。固然，加装了昼间行驶灯使汽车看起来更酷、更炫，但其最大功效，不是在于美观，而是提供车辆的被辨识性。据统计，开启昼间行驶灯可降低12.4%的车辆意外，同时也可降低26.4%的车祸死亡机率。

昼间行驶灯目前流行趋势是运用 LED光导灯高科技光源，其炫酷的外观对整车的造型起到很大的提升作用，因此将昼间行驶灯集成在前照灯内能给车辆造型带来很大的可塑空间，此组合方式已越来越受各大主机厂欢迎。

1.2 昼间行驶灯集成在前照灯内的分类

1.2.1 前照灯的功能布局

常见的汽车前照灯系统通常由远光灯、近光灯、前位灯、前转向灯及昼间行驶灯等功能灯具组成, 其中远光灯及近光灯作为灯具重要的照明灯具是前照灯的主体部分，位置灯、转向灯及昼间行驶灯是关乎车辆安全的信号灯，本文中重点阐述昼间行驶灯集成在前照灯内的设计方法。如图1所示，昼间行驶灯与前位置灯共用一个位置，它们采用LED的高亮及低亮来区分昼间行驶灯与前位置灯。

图1

1.2.2 集成在前照灯内的昼间行驶灯的划分

（1）昼间行驶灯按光源划分，可分为卤素光源和 LED光源

卤素光源即传统的车规级灯泡，其造型及功能单一给车灯的造型带来的局限性很大。虽然拥有价格便宜的优势，但随着科技的进步及消费者对车辆美观要求的提高，昼间行驶灯采用卤素光源的方式已被市场淘汰，目前市面上的昼间行驶灯基本上都采用LED光源。

LED的内在特征决定了它是最理想的替代传统的卤素灯泡的光源，其特点如下：a.体积小，LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它体积轻巧。b.耗电量低，一般来说 LED的工作电压是 2-3.6V，工作电流在0.02-0.03A，耗电量不超过0.1W。c.使用寿命长，在额定的电流电压下，LED寿命可达到2万小时以上（具体视使用环境而定）。d.高亮度、低热量，LED属于冷光源。使用冷发光技术，发热量远低于普通卤素灯泡。E.环保，LED是由无毒的材料制成，可再次回收利用。但LED也有其对应的缺点，目前LED价格较普通灯泡高很多，会增加整车成本，且其对高温比较敏感，环境温度越高越容易产生光衰。受价格的影响，全LED大灯在国内还汽车市场还未得到普遍应用，但是LED昼间行驶灯已基本上变成车辆标准配置。

（2）昼间行驶灯以发光形式划分，可分为侧发光、直发光和光导式三种发光形式

目前市场上常见的昼间行驶灯分为LED颗粒式与LED光导式两种大类型，LED颗粒式又可分为直射式发光和侧发光两种。LED颗粒式昼间行驶灯由于其使用的LED光源较多，因此在成本上也较光导式昼间行驶灯贵。光导式昼间行驶灯其点亮效果更均匀柔和，其造型更加多样化。图2是一种侧发光的LED布置形式，由于LED光源本身的出光角度仅 120°，直射性布置对光源的利用率较低，侧发光式能最大限度的利用LED光能。图3是直发光式LED布置，图4是一种LED光导式昼间行驶灯结构，光导式LED可采用单侧或多侧入光。

图2 侧发光式昼间行驶灯

图3 直发光式昼间行驶灯

图4 LED光导式昼间行驶灯

1.3 昼间行驶灯的相关法规

近年来很多国家都制定了有关昼间行驶灯的相关标准以保证生产安装的昼间行驶灯能够真正起到保障安全的功效。为了增加道路安全性，欧盟2008年通过新法规，强制新车安装昼间行驶灯，其中轿车和小型货车从2011年2月7日起开始实行，卡车和巴士在2012年8月开始实行。我国也于2010年1月1日起开始实施2009 年3月6日发布的国家标准《汽车昼间行驶灯配光性能》。表1主要列举了欧洲共同体和经济委员会（ECE、EEC）和美国国家安全标准（FMVSS）及我国对昼间行驶灯的法规要求。

表1 各国对昼间行驶灯的要求

2、昼间行驶灯集成在前照灯内设计要点

2.1 设计原则与设计流程

2.1.1 昼间行驶灯设计原则

昼间行驶灯的设计一般要遵照以下原则：

（1）法规特性

汽车昼间行驶灯属于汽车强标件，必须满足一系列相关法规要求。

a) ECE R48 关于照明和信号装置安装认证的统一规定；

b) GB 4599-2007 汽车用灯丝灯泡前照灯；

c) GB 4785-2007 汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定。

d) GB 23255-2009 汽车昼间行驶灯配光性能

（2）功能特性

当日间行车视线环境较差时，需提供信号让道路的其他使用者尽早地发现自己，提高行车安全性及方便性。

a) 昼间行驶灯照明效果必须达到足够的亮度值；

b) 昼间行驶灯照明效果必须保证适当的照明宽度；

2.1.2 昼间行驶灯设计流程

昼间行驶灯的设计一般应遵守以下全部或部分的流程：

(1)造型设计阶段

a) 造型可行性分析(含典型断面设计)

b) 制作典型断面

c) 灯具布置分析

d) 造型CAS面发放(制作物理模型1)

(2)结构设计阶段

a) 工程可行性分析(含主断面设计)

b) 昼间行驶灯布置安装（含定位等相关安装设计）

c) 昼间行驶灯耐热性分析

d) 昼间行驶灯配光模拟分析

e) 昼间行驶灯防水及防雾设计

f) 零件描述（描述各零件尺寸、重量、工装及工艺流程等）

g) 2D 图/ 3D 数模

2.2 设计参数确定及选料

2.2.1 参数确定

以下全部或部分参数将是前照灯设计所必需的：

a) 总布置参数：满载质量、R点、整车空载地平线、整车满载地平线；

b) 自身参数：长、宽、高、材料的流动性、成型性；

c) 相关分组输入：前照灯功能定义、电气输入、安装钣金、边界条件、造型数据。

2.2.2 前照灯主体材料选择

表2 前照灯材料

前照灯一般要求应当可以在-30℃～+80℃的环境下正常使用，然而当灯具工作时，其内部受光源发光照射，温度可达100摄氏度以上，目前前照灯所使用的比较常用的材料为PP、PBT、PC、BMC等，详细材料表见表2。

（1）灯体材料（PP）

聚丙稀（PP）是最轻的塑料之一，密度0.9～0.91 g/cm3，其屈服、拉伸、压缩强度和硬度均优于低压聚乙烯，有很突出的刚性，高温（90℃）抗应力松弛性能良好，耐热性能较好，可在100℃以上使用，如无外力150℃也不变形，除浓硫酸、浓硝酸外，在许多介质中很稳定，低分子量的脂肪烃、芳香烃、氯化烃，对它有软化和溶胀作用。PP收缩率大，一般为1.8%～2.5%，不过收缩的方向均匀性好。低温呈脆性，耐磨性不高。应用于汽车前照灯灯体，多加入滑石粉、玻璃纤维等以改善其新能，选材时须结合实际需要添加。

（2）配光镜材料（PC）

PC也叫聚碳酸脂（英文名Polycarbonate）常用缩写PC，是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型。其中由于脂肪族和脂肪族-芳香族聚碳酸酯的机械性能较低，从而限制了其在工程塑料方面的应用。目前仅有芳香族聚碳酸酯获的了工业化生产。由于聚碳酸酯结构上的特殊性，现已成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料。

密度：1.20－1.22 g/cm 线膨胀率：3.8×10 cm/cm°C 热变形温度：135°C 低温-45度 聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，阻燃BI级，在普通使用温度内都有良好的机械性能。同性能接近聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚碳酸酯的耐冲击性能好，折射率高，加工性能好，不需要添加剂就具有UL94 V-0级阻燃性能。但是聚甲基丙烯酸甲酯相对聚碳酸酯价格较低，并可通过本体聚合的方法生产大型的器件。随着聚碳酸酯生产规模的日益扩大，聚碳酸酯同聚甲基丙烯酸甲酯之间的价格差异在日益缩小。 不耐强酸，不耐强碱,改性可以耐酸耐碱 聚碳酸酯的耐磨性差。一些用于易磨损用途的聚碳酸酯器件需要对表面进行特殊处理。

（3）反射镜材料（BMC）

团状模塑料(BMC) 是一种热固性塑料，其中混合了各种惰性填料、纤维增强材料、催化剂、稳定剂和颜料，形成一种用于压塑或注塑的胶粘“油灰状”复合材料。根据不同的最终应用领域，配制的复合材料可精确控制尺寸，阻燃性和抗电痕性良好，具有很高的介电强度、耐腐蚀性和耐污性，机械性能卓越，收缩性低且色泽稳定。团状模塑料 (BMC) 的流动特性和绝缘及阻燃性极好，对于细节和尺寸要求精确的各种应用非常适用。

3、一款集成昼间行驶灯的前照灯设计

3.1 集成昼间行驶灯的前照灯设计步骤及设计计算

3.1.1 造型工程可行性分析

（1）造型可行性分析：效果图的可行性分析→CAS的可行性分析→B面的可行性分析→灯具内部细节定义→A面造型可行性分析→造型冻结。

图5 效果图可行性分析

图6 外CAS可行性分析

图7 灯具内部细节定义

图8 A面造型可行性分析

图9 造型冻结

图9为经过造型可行性分析得出最终冻结版效果图，该前照灯集成昼间行驶灯，昼间行驶灯采用1颗功率为6W的LED并选用光导作为发光材料。

（2）制作典型断面

图10 灯具光源中心点Z向断面图

通过制作典型断面来确认造型的可行性，主要对前照灯内反射镜布置、发光面大小、内部布置等方面进行分析，判定是否具备工程可实施性，从而对确认昼间行驶灯应以哪种布置方式集成在前照灯内。进行最终可行性确认，得出可行性效果数据。

图11 灯具光源中心点Y向断面图

3.1.2 昼间行驶灯结构散热设计及固定结构

（1）昼间行驶灯集成在前照灯内，由于远近光工作时发光的热量很高，LED光导昼间行驶灯在高温环境下工作需要有完善的散热装置及耐热性，保证自身正常工作。由于热量向上传播，前照灯内远近光正上方的温度可以达到 100℃，LED正常的工作温度为不大于90℃。所以此结构将昼间行驶灯光导布置于远近光正下方如图12，发光体LED布置在远近光侧边，并配备整套散热装置，满足外观造型好看的同时，更好的实现昼间行驶灯功能。

（2）昼间行驶灯采用光导发光形式，若昼间行驶灯长度大于400mm，光导材料就容易变形难安装；抑或在光导点亮时出现辆斑或光型不均匀等问题，影响光型效果。本文所采用的安装结构，有效解决了光导的固定变形及避免暗斑等问题。

图12 昼间行驶灯在前照灯中的位置

3.1.3 散热原理说明

（1）本文提出一种LED综合散热及模组的布置方式来实现前照灯与LED昼间行驶灯的组合，将金属散热装置及在灯体上加透气孔的综合形式实现。散热原理具体为：首先将光源LED装在铝基板金属散热片上，铝基板再与铝支架通过螺钉固定，并在在铝基板与铝支架之间增加导热硅胶片加速热量的传递，使铝支架与基板均能起到散热作用（如图13），整个散热装置组装完成后再整体安装在前照灯装饰框上（如图14），最后通过在灯体上开3个散热孔（图15），实现灯内与灯外空气的流通与散热。

图13 散热装置示意图

图14 散热装置在前照灯内固定示意图

图15 昼间行驶灯处灯体散热孔

（1）散热模拟分析

表3

表4 热模拟汇总表

其中LED灯珠结温=LED灯珠功率*热阻+LED灯珠安装基板温度。

由表4得出，光导选用的PMMA材料其最大耐温值103℃，而热模拟结果已达到 101℃，明显不能满足使用要求，因此将光导更换为PC材料耐温138℃。耐温及散热装置满足设计要求。

3.1.4 光导固定原理说明

通常LED光导的固定采用两端固定，再通过装饰框灯饰件的遮挡避免安装点的外露。如图16所示，首先光导插入定位销内，限制其Z、Y方向的自由度，再通过螺钉固定其X方向的自由度。光导与周边件的装配关系件断面A-A。但为了避免光导因弯度较大在中间段出现变形影响外观间隙。此发明特意增加了中段卡接结构，具体如下： 光导条上分别有三个卡脚，卡脚1、2、3如图，为了避免光导条点亮时出现亮斑，卡脚1、2必须做在光导条正后方， 装配时先将卡脚3卡入反射条。再逐次卡入卡脚2、卡脚1卡入。完成组装后与散热装置及装饰框用螺钉固定。

图16 光导固定示意图1

图17 光导固定示意图2

图18 昼间行驶灯与前照灯的组合形式

3.1.5 昼间行驶灯配光设计

文中列举的前照灯集成的昼间行驶灯是以光导形式布置在远近光正下方的，受灯内空间影响，靠近格栅一侧灯内空间较小，无法布置LED模组及散热装置，因此该灯选用单向出光方式。

图19 昼间行驶灯在前照灯内所占空间

LED选用KW H3L531.TE型号，光导选用PC材料，牌号为2245，进行灯光点亮模拟如下图：从图中可以看出，光源位置有明显亮斑，此问题可通过延伸装饰框遮挡发光位置来改善。

图20 点亮效果模拟

模拟配光与法规值对比：

下图 21是昼间行驶灯等照度模拟图，从图中可以看出HV点亮度553cd，法规要求在H-V基准轴线上的发光强度应不小于400cd，满足法规。

法规要求每个灯具所发出的各个测量方向的光，投射到图21配光分布上点的发光强度不应低于图21上所示各点的百分比值与400cd的乘积。从图23中法规要求点的检测可以看出，模拟值均大于法规最小值的130%，满足法规要求。

图21 法规配光布局图

图23 法规点模拟值

法规要求最大发光强度不得超过 800cd。从等照度模拟图22中看出，该灯最大发光强度是638cd，满足法规要求。

3.2 零件数模

前照灯灯体为PP,配光镜为PC，装饰框为PBT，昼间行驶灯光导材料选用PC，结构数模如下图23所示。

图23 前照灯数模（基于CATIA创建）

4、结论

本论文通过对昼间行驶灯集成在前照灯内的设计开发原则及流程进行了阐述，并通过对一种集成了昼间行驶灯前照灯的开发应用实践，对昼间行驶灯的设计方法及配光散热设计作了全方位的论述。昼间行驶灯设计之前，首先需确立其功能布置形式，结合造型效果，对其主断面进行详细的设计，并校核其工程可实施性，从而进行下一步结构设计及相关配光、热学模拟分析等性能设计。

昼间行驶灯最终产品应当通过相应的法规认证试验。对于有特殊需求的车型昼间行驶灯，应按照设计任务书执行，昼间行驶灯的设计应当符合适用于其的各类法律法规，并满足设计参数各项的要求。

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[2] 徐佩弦.塑料制品设计指南.化学工业出版社.

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[4] 簧佐贤.现代汽车灯具.长虹出版社 p88-90.

The design procedures and adhibition of the daytime running lamp integrated into the headlamp

Ma Meini, Guo Xiaolong
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper firstly explains the function of the daytime running lamp, and describe the design method in detail. The key point of this paper is the way for daytime running lamp design. This paper discusses the general process of daytime running lamp design and the key design point in daytime running lamp designing. By discussed one style of daytime running lamp design, this paper explain the rules of daytime running lamp design.

daytime running lamp; light source module; radiating; light distribution

U462.1

A

1671-7988 (2017)06-06-07

麻美妮，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.003