简单分析汽车大灯的设计与开发

 

 

汽车的大灯代表了车的精气神，今天一起来看看汽车大灯的设计与开发

 

 

1.定义

 

汽车大灯又称汽车前照灯，汽车LED日行灯等，它作为汽车的眼睛不仅影响着一位车主的外在形象，而且和夜间驾驶或恶劣天气时的安全驾驶密切相关。

 

 

2.汽车大灯的组成、发展以及类型

 

 

3.汽车大灯设计开发流程

 

 

4.汽车车灯照明原理

 

1. 反光镜

 

定义：通常采用抛物面反射镜。抛物面由抛物线作为母线绕轴线转动180°组成，剖面图见图。

 

 

因下部反射光将照射到高处，给司机带来严重眩晕，为克服炫光现象,H4灯将遮光罩置于近光灯丝下方，使得近光灯光线不落反射镜下部，以免下部反射光射向司机眼睛。

 

远近光灯的切换原理：

 

F是反射镜的一个焦点，在该点光源经过反射镜后光线沿水平射出。

 

S为反射镜的又一个焦点，当点光源通过反射镜时，光沿着斜角度射出并聚焦到光路之外一点。

 

2. 配光镜

 

配光镜也叫散光玻璃，由透光玻璃压合而成，由许多块专用棱镜与透镜组合而成，为汽车灯具三大件之一。它的功能是把反射镜反射出来的平行光束折射出来，使车前路面及线路均能得到很好的均匀光照。

 

柱面透镜（凹圆柱面或者凸圆柱面等）将光向左或向右分散为一个角度。双曲面（轮胎）透镜。让光线向左或向右，向上或向下扩散一角度。楔棱镜，使光线向下、向上或斜向偏折一个角度。

 

 

5.LED汽车大灯的设计

 

现采用白色LED作汽车前照灯光源，使其优越性得以充分发挥。这一新系统比常用卤钨灯亮，几乎相当于HID头灯。但鉴于LED光源所具有的独特优势，如质量轻，安装深度低，耗能少，使用寿命长，无环境污染等等，这些光源确实比较适合用作新一代汽车前照灯系统光源。此外，白色LED 的使用还可以使整个车的设计变得更加灵活。现在我们正在进行白光LED 汽车前照灯的研发工作，以充分展示它们的优越性。

 

 

1. 白光LED的现状

 

1、白光LED的原理

 

白光LED 有几种不同的工作原理：

 

A. “蓝光LED + $荧光粉”型是是白光LED 发展的最高水平,它最有可能被用在第一代LED 汽车前照灯系统中。

 

B. “紫外线LED加红、绿、蓝荧光粉”型由于显色指数较高，最具有用作通常照明系统用灯的潜力，但是用作前照灯系统也要研究怎样克服紫外光在塑料中的老化。

 

C. “红、绿、蓝三芯片”型具有改变发光颜色的特性，但是由于难以克服其使用时的颜色变化，至今仍无法用于前照灯系统，这种色彩的变化可能源于三种芯片在温度特性上的差异或者源于不同LED在损耗退化速度上存在差异。

 

2、光通量

 

光通量是人眼能够感受到的辐射功率与一定频段内辐射能量与一定频段内单位时间相对视见率之积。它在2005、2006年时光效可达60lmPW,最大功率估计可达1~5W,所以一颗LED光通输出估计能达60~300lm。下面介绍近年来LED在光效方面的进展。

 

3、亮度

 

目前LED最大亮度为4cdPmm2,该值远低于卤钨灯20~25cdPmm2,与HID前照灯相比更低10倍以上。所以，要想设计一款适合大小的汽车前照灯，就需要将单颗LED输出亮度提升至目前2~3倍。

 

使用荧光粉的LED 的出射亮度不仅仅决定于芯片的尺寸,同时还决定于与芯片作为一个整体的包含荧光粉的发光表面的外观尺寸。

 

同为1×1mm芯片，可发射30lm光通量，但亮度可在01*cdPmm2间改变，这要看荧光粉涂敷方式和组件封装方法而定。所以在汽车前照灯LED中所使用的荧光粉一定要尽可能地涂细，以免使光源系统表面积增加。

 

4、寿命

 

用于汽车前照灯,LED 的寿命必须超过HID 光源的3 000h ,若进一步考虑到替换LED 光源的过程难度更大,LED 的寿命要求能够超过10000h。

 

2. 汽车前照灯的实际应用

 

1、光学系统

 

一套LED 前照灯系统毫无疑问需要多个LED 光源,因为单个LED 不能提供足够的光通量。与此同时，常用卤钨灯,HID光源等，其出射光都会照射到除了基底以外所有方向上，普通现用大功率LED出射光由于受结构限制会照射半个球。从而使采用LED前照灯光学系统有别于普通前照灯系统。但两种前照灯系统对它们的出射光要求相同，所以基本可采用常用方法来设计采用LED前照灯。

 

 

2、光学系统组成成分的精确尺寸定位

 

LED 光源和光学系统做得更小，光学元件的相对位置就要求更加精确。以直接投射光学系统为例，如下图为直接投射光学系统中LED 放置位置的影响示意图，该图显示了透镜和LED 的相对位置对出射光束的光轴方向的影响。LED前照灯系统中含有大量光源，对宽光束分布远光束系统来说，透镜与LED之间的相对位置影响将不是一个问题。且近光束具有很锐利的截止面，为实现各LED单元发光光轴指向一致，需要前照灯系统各构成部件间相对位置准确。

 

 

3、LED 的亮度和头灯的尺寸

 

光源的亮度在汽车前照灯系统中，近光束灯要求达到2 000～30 000cd 的光强度,而远光束灯至少要求达到50 000cd 的光强。光源某一方向上光强度决定于光源发光部分这一方向上亮度大小，换言之决定于光源内部众多小发光体亮度之和。这里的小发光体是指构成光源的大量LED,光源LED亮度需考虑光被各光学部件反射及传输过程中衰减情况。在典型前照灯系统里，光线在各光学元件上，包括外透镜上的总衰减约为25%~40%。根据物理学的观点来看，光学元件是不可能放大光源的亮度，因而对光源的亮度的要求就决定了前照灯表面面积的下限。下图为光源的亮度与汽车前照灯的最小表面面积的关系图。

 

 

4、LED 的最大工作温度和热处理

 

P-N结作为发光和发热同时进行的元件，其温度（Tj）不应超过LED全部工况下的绝对额定值（Tjmax）,Tjmax现在约为120°C。

 

LED灯散热器采用铝及黑色明矾石，为达到灯具自然风冷目的，呈鱼鳍状伸出灯外。

 

 

6.LED大灯光束试验

 

1. 近光束

 

为论证LED前照灯系统是否可能，制作了有反射器灯具样品可产生近光，其光线分布达到美国标准。如下图所示为其光线分布。36lm光通量及1 600cd最大光强可由采用两个LED与38mm×94mm反射镜组合而成，所应用的每LED功率1W、亮度4cdPmm2、光通量30lm、芯片尺寸1mm×1mm。下图是近光带反射器灯具样品光线分布情况。

 

 

2. 远光束

 

我们进一步试验，使用带反射器的远光灯具样品。如图显示了它的光分布情况。3 600cd 的最大光强是使用1 个LED 配合一个半径为30mm 的半圆形反光镜得到，它所应用到的每一个LED功率5W、亮度约4cdPmm2、光通量95lm、芯片大小2mm×2mm。为使最大亮度大于50 000cd,需采用14个等单元，各单元反射面投影面积为28126cm2,所以14个单元总投影面积为395164cm2。有了这种投射面积，前照灯系统体积大，不能真正使用。为制作出实际样品,LED亮度应提高至少三倍。下图是远光带反射器灯具样品光线分布情况。

 

 

7.汽车灯光调节器

 

1. 定义

 

当汽车前大灯受到后备箱负重，长期振动，高低路况的作用，并可能导致照射方向与标准方向发生偏差时，灯光调节器作用是调整前灯照射方向从偏差处回到标准处，以提高照明效果。

 

 

2. 调节方式

 

手动：手动方式主要由大灯调节电机和手动开关组成，灯光调节电机在前部车灯处，控制部分在驾驶室，仪表盘上有一手动开关，靠驾驶员根据自己需要进行调节。

 

自动：自动式包括灯光调节电机，控制器及2个水平传感器，水平传感器安装于车体的前端与后端，主要用于探测汽车底盘与地面之间的距离，将高度差值通过电信号传输到控制器中，控制器进行比较计算之后再去控制灯光调节电机来完成灯光自动调节功能。

 

 

8.结语

 

车辆运行时，前照灯性能的好坏极大地影响着司机安全驾驶，照明不足影响视线，过亮则给正在运行的车辆司机带来刺眼。

 

 

虽然汽车前照灯在整车中体积不大，但在汽车的安全性能中有着非常重要的地位。