乘用车位置灯和近光灯配光设计的讨论

2021-06-28刘洋杨红桥张涛

汽车零部件 2021年6期

刘洋，杨红桥，张涛

(1.华晨汽车工程研究院电器部，辽宁沈阳 110141；2.北华大学机械工程学院，吉林吉林 132021;3.辽宁广播电视大学汽车工程学院，辽宁沈阳 110161)

0 引言

通常情况下，前组合灯具包含远光灯、近光灯、前位置灯和前转向灯等功能。各功能的相互排列、组合，因光源规格多样、衬框造型千差万别、部件拆分各异、表面处理工艺又因厂家而不同，形成了层出不穷的灯具造型。在整车项目中，造型输入是前组合灯具开发设计的开端。其输入策略经过工程可行性校核后，针对其详细的结构布置及尺寸要求，需要几轮的调整及修正，最终形成工程可行、造型美观的灯具方案。

随着自由曲面加工及计算机辅助设计能力的不断提升，在反射式的组合灯具设计中，反射镜不仅要实现光线反射，还应确保反射后的出射光线扩散一定的角度，在满足功能灯具不同可视角规定的同时，还应满足各规定点的照度要求[1]。特别对于近光灯，因其存在光型的要求，左右两侧的灯具结构是不对称的，设计中必须考虑满足其明暗截止线的特殊要求。所以，在反射镜式组合灯具的整体造型布置中，为尽量避免对近光灯的光型及配光产生影响，位置灯多集成在远光区域。但文中讨论的恰恰是位置灯安装在近光区域时，配光设计中诸多要素的调整。

1 前组合灯具造型方案可行性分析

1.1 造型方案描述

如图1所示，灯具造型采用了双反射式，包括近光灯和远光灯，近光灯光源为H7。在图中的空间内，近光灯的配光性能可以满足ECE法规要求。但造型输入、位置灯布置在近光反射镜的右上方，两个功能共用同一反射单元。

图1 造型的输入效果图

1.2 位置灯及近光灯模拟

位置灯的光源选用了W5W，加入反射镜、衬框、光源等所有数据进行模拟，配光报告如图2所示[1]。

图2 位置灯配光报告

等照度曲线如图3所示。

图3 位置灯的等照度曲线

图中黑色矩形标识内，内侧45°方向几乎没有光线输出，而外侧80°方向输出不足。同时，位置灯与近光灯共用反射单元，并固定在近光灯反射镜的内侧，其安装孔破坏了该区域的反射面。

从图4和图5近光灯的配光报告和等照度曲线中看到，其明暗截止线不满足法规的要求。所以，这个造型方案，不但位置灯无法满足法规，即使原本合格的近光灯也受到位置灯布置方案的影响，配光由合格变成不合格。

图4 近光灯的配光报告

图5 近光灯的等照度曲线

2 设计要素分析

2.1 位置灯的安装位置

安装位置灯的反射镜区域，在25 m测试屏上，对应的照明区域是近光灯的明暗截止线，左侧灯具是水平线，右侧灯具是15°线部分[5]。如图4所示，考虑其对于近光灯明暗截止线及某些区域照度的影响，在取得造型同意的前提下，修改位置灯泡W5W的安装位置，如图6所示。在CATIA里，将调整后的3D数据调入LUCIDSHAPE里，设置模拟数据，结果如图7所示。黑色框线区域(外侧80°和内侧45°)，光线分布不均匀，光强也并不充足。

图6 位置灯的修改

2.2 配光花纹的设计

根据费马原理，光从空间一点传播到另一点是沿着光程为极值的路径传播的。具体地说就是把光传播的实际路径与其邻近的其他路径相比较，光的实际路径的光程为极小、极大或者稳定值。根据费马原理可以导出几何光学的三条基本定律:直线传播定律、反射定律、折射定律。光在均匀介质里沿直线传播，即直线传播定律。在两种介质界面时，将发生反射和折射，即反射定律和折射定律6。因此，可以简单地认为，光束是由无数条光线构成的，而光线就是直线。在车灯光学设计中，光线数量越多，计算就越精确。如图8所示，光线在传播过程中，如果遇到不同的介质，如玻璃、水等透明介质时，在分界面上发生反射和折射3。反射光线遵循反射定律，折射光线遵循折射定律，公式如下：

图8 光线的传播

i1=i2

(1)

n21=n2/n1=sini1/sini2

(2)

式中:n21为第二种介质对第一种介质的相对折射率;n1,n2为介质对于真空的折射率，又称为该介质的绝对折射率，简称折射率。

光，本质上是电磁波，是一种能量[6]。作为位置灯的光源，W5W，光通量是50 lm。也就是说，针对实现位置灯的配光性能，可以使用的光的总能量是50 lm。如果把光线理解成带着能量的直线，可以用于配光的只有50 lm这一束直线。使用光源有限的光输出，保证位置灯整个的配光区域，如图2所示，上下15°，左(内)侧45°，右(外)侧80°的矩形分布范围内，每个测试点满足标准的需求。而对于其外侧80°和内侧45°照度不足的光分布情况，根据能量守恒定律，不可能存在额外的光能来补充它们的不足。只能利用光源现有的光线，通过反射和折射的方式，控制一部分光线来补偿缺失的区域，同时还要保证原有的区域合格。

2.2.1 反射镜区域花纹的设计

对于80°方向的补足光线需要调整的角度比较大，再观察灯具反射镜的结构，如图9所示，发现近光反射镜侧壁为镀铝的光板面。W5W调整到新的位置后，其输出的光线在该反射面将发生镜面反射，光线追踪如图10所示。该区域反射光的形成是由灯具造型结构所致，不在反射镜的设计范围内，但其存在又确实影响配光性能，所以必须考虑它的结构形式。由光线追踪可知，该部分的反射光线在25 m屏上的对应区域是外侧可视角方向。但通过上述模拟，该部分的反射光并未到达80°的区域。如果利用这部分反射光用于补充80°角区域，即不影响反射镜曲面的主体设计，也不会对近光的配光性能存在太大的影响。按照现在的对应关系，需要对该区域的反射光再修正一个角度，才可以反射到需要的区域。根据上述的反射原理，在入射光线不变的情况下，如果修改侧壁反射面的倾斜度，出射光线的方向就会自然发生改变，原理如图11所示。如果对反射面进行圆弧处理，如图12所示，依然根据反射定律，出射光线不仅会被改变方向还会发生角度的扩散。

图9 近光反射镜侧壁

图10 侧壁反射光的光线追踪

图11 反射面倾斜图12 光线的扩散

在图7的仿真结果中，针对外侧80°方向光线不均匀的问题，如果反射光线在改变出射角度的前提下，还有角度的扩散，更利于光线的均匀分布。根据公式(1)，假设反射光线是在现有基础上偏15°。由于入射光线不变，相当于入射光线与原反射光线夹角减小了15°，那么两条角分线的夹角应为7.5°。根据调整后的角分线可以求出在该入射点切平面，即新的反射面，如图13所示的实线l。

图13 反射光的调整

每间隔1.5 mm使用上述方法求得一个小的棱镜反射面。之后把这些棱镜通过圆弧过渡。在CATIA里，宏命令可以对于该类循环操作进行编程处理，程序如下，制作侧壁花纹，如图14所示。把数据调入到LUCIDSHAPE里，模拟结果如图15所示。从配光结果可以看到，光线已经被扩散开，只是有些区域并不理想。此次模拟并没有加外面罩数据，其材料为PC，料厚为2.5～ 3.0 mm。光线通过其内表面和外表面时，会发生两次折射。由于其弧面设计，对入射光线也有散射的作用，考虑其对80°方向光线的影响，暂时先保持侧壁花纹的现有状态不动，待全部数据调整完成后再统一模拟。

图14 侧壁花

图15 加花纹后位置灯的等照度曲线

花纹的程序如下：

Language="VBSCRIPT"

Sub CATMain()

for i=1 to 80

Set partDocument1=CATIA.ActiveDocument

Set part1=partDocument1.Part

Set hybridShapeFactory1=part1.HybridShapeFactory

Set bodies1=part1.Bodies

Set body1=bodies1.Item("pattern")

Set hybridShapes1=body1.HybridShapes

Set hybridShapeExtract1=hybridShapes1.Item("split line")

Set reference1=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeExtract1)

Set orderedGeometricalSets1=body1.OrderedGeometricalSets

Set orderedGeometricalSet1=orderedGeometricalSets1.Item("points assemble")

Set hybridShapes2=orderedGeometricalSet1.HybridShapes

Set hybridShapePointOnCurve1=hybridShapes2.Item("Point."&

cstr(i))

Set reference2=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapePointOnCurve1)

Set hybridShapePlaneNormal1=hybridShapeFactory1.

AddNewPlaneNormal(reference1,reference2)

body1.InsertHybridShape hybridShapePlaneNormal1

part1.InWorkObject=hybridShapePlaneNormal1

part1.Update

Set reference3=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeExtract1)

Set hybridShapePointOnCurve2=hybridShapes2.Item("Point."&

cstr(i+1))

Set reference4=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapePointOnCurve2)

Set hybridShapePlaneNormal2=hybridShapeFactory1.

AddNewPlaneNormal(reference3,reference4)

body1.InsertHybridShape hybridShapePlaneNormal2

part1.InWorkObject=hybridShapePlaneNormal2

part1.Update

Set reference5=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapePlaneNormal1)

Set parameters1=part1.Parameters

Set hybridShapeSurfaceExplicit1=parameters1.Item("support sur")

Set reference6=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeSurfaceExplicit1)

Set hybridShapeIntersection1=hybridShapeFactory1.

AddNewIntersection(reference5,reference6)

hybridShapeIntersection1.PointType=0

body1.InsertHybridShape hybridShapeIntersection1

part1.InWorkObject=hybridShapeIntersection1

part1.Update

Set reference7=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeSurfaceExplicit1)

Set reference8=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapePlaneNormal2)

Set hybridShapeIntersection2=hybridShapeFactory1.

AddNewIntersection(reference7,reference8)

hybridShapeIntersection2.PointType=0

body1.InsertHybridShape hybridShapeIntersection2

part1.InWorkObject=hybridShapeIntersection2

part1.Update

Set reference9=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeIntersection1)

Set hybridShapeSweepCircle1=hybridShapeFactory1.

AddNewSweepCircle(reference9)

Set reference10=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeIntersection2)

hybridShapeSweepCircle1.SecondGuideCrv=reference10

hybridShapeSweepCircle1.Mode=3

hybridShapeSweepCircle1.SmoothActivity=False

hybridShapeSweepCircle1.GuideDeviationActivity=False

hybridShapeSweepCircle1.SetRadius 1,1.500000

hybridShapeSweepCircle1.ChoiceNo=2

hybridShapeSweepCircle1.SetbackValue=0.020000

hybridShapeSweepCircle1.FillTwistedAreas=1

body1.InsertHybridShape hybridShapeSweepCircle1

part1.InWorkObject=hybridShapeSweepCircle1

part1.Update

End Sub

2.2.2 外面罩区域花纹的设计

根据折射定律，光线在两种媒体的界面传播时会发生折射。当经过反射镜反射的光束到达面罩的内表面时，就会发生折射。根据折射原理，如图16所示。如果折射光线经过棱镜表面，出射光线会被平移。为了追踪光线的路径，在LUCIDSHAPE里，对于平板面与棱镜面进行光线对比，如图17和图18所示,屏幕上光斑确实发生了平移。

图16 折射光线的平移

图17 平板面光线的折射

图18 棱镜折射光线的平移

光线经过棱镜的折射后发生了平移,由能量守恒原则可知，原方向的亮度必然会降低，这并不是配光希望看到的现象。文中目标是把光补到不足的区域，同时还需保证整个区域光线的均匀分布。所以，需要尝试花纹变形。如果棱镜做成对称形状，光线会发生如图19的两个对称方向的平移。进一步把对称棱镜的顶端做倒圆处理，光线追踪的结果如图20所示。

图19 对称棱镜折射光线的平移

图20 鱼眼纹的折射光线

光线被均匀地扩散开，光斑很理想，只是光强有所降低。这一点也可以理解，当光线聚集到一个相对小的范围，每个点就会更亮。同样的光束，扩散照射到更大的区域，每个点的光强就会有所降低，这也是能量守恒的必然结果。

针对组合灯具内侧45°方向光线不足的问题，解决方案应该在保证照明区域的光分布均匀的基础上，使部分光斑平移并发生扩散，补充区域光线的不足。基于需求，经过上述3种花纹的对比分析，图20的鱼眼花纹是比较合适的解决方案。为此，在外面罩的内侧，使用CATIA设计该花纹。关于花纹尺寸，如图21所示。

图21 鱼眼纹的尺寸

假如光线需扩散30°，也就是α=15°。花纹的宽度预设是1.5 mm，即L=1.5 mm。那么，可以通过三角函数和折射定律推导出三者的对应关系[3]为：

式中：R为花纹半径;

L为花纹宽度;

α为扩散角;

n为面罩折射率。

赋值α=15°，n=1.586，L=1.5 mm，代入公式后，求得：

R=1.5 mm

使用CATIA的宏命令，在面罩的内表面制作R=1.5 mm、L=1.5 mm的花纹，如图22所示。

图22 灯具外面罩的花纹

2.3 数据仿真

把制作完成的所有数据，包括反射镜、光源、衬框和面罩全部加载到LUCIDSHAPE里，仿真结果如图23所示[1,5]。

图23 外面罩加花纹后的等照度曲线及配光报告

从等照度曲线可以看到，45°和80°的方向光线都得到了充分的扩散和补充。详细比对配光报告里的各点数据，可以看到，位置灯的配光经过一系列的调整后，满足了法规的要求。

2.4 近光灯的仿真

经过上述一系列的理论分析、设计优化和模拟仿真，对影响位置灯配光的设计要素逐一进行了调整和验证，结果证明有效。然而，无论位置灯安装在反射镜的哪个位置，因其都与近光灯共用一个反射单元，位置灯灯泡的安装孔都破坏了近光灯的反射面。对于有下限照度值要求的近光灯的部分测试点来讲，存在减弱的趋势。另外法规规定，近光灯点亮时，位置灯依然是点亮的。两个功能灯具在点亮逻辑上存在重合部分，在配光屏的照明区域也同时存在叠加的区域。对于有上限照度值要求的近光灯的部分测试点来讲，又同时存在增强的可能性。外面罩花纹和侧壁花纹扩散了位置灯光线的可视角，但同时也会使近光灯的光型散射。近光的许多测试点，如B50L/75L/50L,法规对其最大值是有限定的，需要再次进行模拟确保不超出标准的规定。根据ECE法规，近光点亮时，位置灯也是点亮的；按照法规规定，为了保护驾驶人员的安全，防止眩目，Ⅲ区是暗区，其主要的照射区域是各种道路标识、标牌[1-2,4]。其区域内的测试点像B50L/75L/50L一样，最大照度值是受限的，甚至某些点的最小值也有规定。在这个狭小的照度控制区间，点亮状态的位置灯配光对于近光Ⅲ区的8点照度是有影响的[1-2,4]。所以，需要加载所有数据，检验近光的各点照度。仿真结果如图24所示[1，5]，验证结果近光也满足要求。