基于LED的汽车前大灯模块化设计方法研究

基于LED的汽车前大灯模块化设计方法研究

朱晓军

（贵州航天风华实业有限公司贵州遵义563319）

摘要：为了提高LED光源在汽车前照明系统中的应用水平，提出一种基于LED的汽车前大灯模块化设计方法。将前大灯照明系统分为近光系统和远光系统这两个独立的模块进行分开设计，并详细阐述了各自的设计方法，最后利用Lucidshape软件进行了仿真，仿真结果令人满意。为LED光源在汽车前大灯中的设计应用提供了重要参考。

关键词：LED；汽车前大灯；模块化

1概述

随着经济的持续发展，人们的生活水平不断提高，汽车也逐渐走进千家万户，成为很多家庭必不可缺的“大件”。汽车前大灯是汽车最重要的部件之一，它不但能够为司机提供夜间照明，同时也对汽车整体的外观起到重要影响。LED（LightEmittingDiode）是发光二极管光源，又被人们称为第四代光源，具有寿命长、体积小、发光效率高等优点，因此，LED光源成为照明领域中的一个应用趋势。LED光源自身的技术优势也为汽车前大灯的设计提供了便利，将LED应用在汽车前大灯中，也已成为汽车前大灯未来发展的必然趋势，不但满足了汽车前大灯在设计上的迭代需求，同时也满足了人们对汽车前大灯外观造型与安全性能的需求。但是由于LED光源，尤其是应用在汽车照明系统的较大功率的LED光源，在光源结构和光学特性方面与传统光源有着很大的不同，因此，传统的汽车前大灯设计方法难以应用到LED照明系统的设计。因此，如何设计基于LED的汽车前大灯照明系统，已经成为汽车照明设计领域的一个研究特点，受到了越来越多专家和学者的关注。

2汽车前大灯近光系统的模块化设计

由于LED光源具有体积小、结构简单等优势，因此，能够直接将传统的光源直接进行替换，从而降低了配件更换成本。汽车的近光系统，主要包括光学模块和散热模块，其中，光学模块是设计的重点。Lucidshape是一款功能强大的3D设计软件，主要用于照明系统及光学系统的计算机辅助设计。因此，本文利用Lucidshape进行LED光学系统的结构设计。由于LED发光呈180度，只要三条椭圆曲线就能确定反射器的参数，并得到精确地椭圆曲面型光源反射器[3]。将LED光源发出的光反射到挡板则能确定每条椭圆曲线的两个焦点位置。为了使光型变的更加精确，可将曲面上的三条椭圆曲线平均划分为三部分，观察每个部分的曲面通过透镜的位置，若此位置能够投射到符合要求的光型处，则将此位置设置为椭圆的第二个焦点。

光源的中心聚光区域位于椭圆曲面中坐标轴附近的反射面，而光源的水平扩散区域位于椭圆曲面中坐标轴远端的反射面，这两个反射面是形成LED光源基本光型的重要组成结构，基本光型表现为长条状的曲面投影。投影由原点向远离原点的地方投射，投影的形状也从半圆形聚光光斑变为长条状弧形光斑。光型的左右轮廓曲线是呈轴对称分布的，但由于在挡板上存在着15度或者45度的夹角，使得挡板自身不具备对称性，因此，最后得到的光型也呈非对称结构。

近光系统模块化设计的原则是，首先在靠近LED光源位置的反射器上获得满足需求的近光光型，然后使光线在远离LED光源位置的反射器上尽可能的接近热点区域，从而满足设计需求。

近光系统模块化设计中各个结构的尺寸与设计方法如下：

a.光源反射器

本文设计的光源反射器的长度为42mm，宽度为58mm。将LED光源的位置设置于椭圆曲面的第一个焦点的位置上，将LED光源芯片沿水平方向固定。

b.透镜

由于传统的光源采用的都是球面透镜，球面透镜由于存在单一的曲率难以将平行光精确的聚焦在同一焦点上，容易产生球面像差，从而影响到光源的清晰度。因此，LED光源系统的透镜采用非球面透镜进行设计。非球面透镜在结构上具有不同的曲率，可使平行光透过透镜后聚焦在同一焦点上，因此，照明效果更清晰。本文设计的透镜直径为54mm。

c.遮光板

根据椭圆曲面的性质，以椭圆曲面的后半部分为例，将光源靠近透镜处的焦点定义为第一焦点，将挡板位置的焦点定义为第二焦点，则从LED光源发出的光线都能通过挡板。但在实际应用中发现，若用挡板挡光源，则很难得到满足条件的截止线。因此，可将挡板的形状进行一定的处理，具体的做法是，在挡板上做出一段圆弧，从而得到理想的截止线，取得了理想的照明效果。

3汽车前大灯远光系统的模块化设计

在Lucidshape中打开汽车前大灯远光系统的设计模块，包括灯具的位置、形状、大小、LED光源的位置、光通量等，同时还可以设置观察者视角，从不同的方向观看光斑效果。在进行远光系统的模块化设计的过程中，首先进行初始设置，即将LED光源平行于X轴进行排列，并设置反射器的起始坐标值和其在XY平面上的投影区域、光线投射角度等，然后设置反射器的基本形状、子块数量及尺寸等，这是设计反射器的关键数据，在设计中只有调整这些参数才能获得满足设计要求的光型。

在文中设计的反射器中，反射器的左右两边分别由4个子块构成。子块的参数包括坐标位置、角度、尺寸大小、形状等，要想改变反射器的反射面，只需对相应子块的相关参数进行适当调整即可。

远光系统模块化设计的原则是，首先在靠近LED光源位置的反射器上获得满足需求的远光光型，然后使光线在远离LED光源位置的反射器上尽可能的接近热点区域，从而使中心区域的光强最亮。

远光系统模块的设计方法与近光系统模块的设计方法不同，远光照射标准只需达到ECE标准中的有关要求即可。在进行椭圆形曲面反射器的设计过程中，曲面反射器要设计成对称结构，同时要对曲面中的各个子块进行单独设计，从而获得对称型的远光光型。

曲面反射器分为左右两部分，每个部分各有三排三列共九个子块。在曲面反射器中，按照从左到右的方向，子块的尺寸分别为12mm、12mm、10mm；以坐标轴原点为起点，按照从上到下的方向，子块的模块分别为10mm、12mm、8mm。反射器的边缘的圆形角度为40度。反射器的初始坐标位置为（0，0，2.5），单位为mm。

4LED前大灯模块化照明系统的仿真

由于汽车前大灯的设计效果直接影响到汽车驾驶员的夜间行车体验，因此，需要利用LucidShape软件对设计出的LED前大灯照明系统进行仿真。

仿真结果显示：汽车前大灯的上半部分为远光，光线呈直线水平向前照射，光型的中心区域的光强最高，两边成对称分布，光线分布均匀，明暗过度平缓，符合车辆照亮前方区域的要求；下半部分为近光，光线也基本成水平向前照射，但是由于LED光源的发光面朝下，当汽车开启近光时，迎面车辆的驾驶员没有炫目的感觉。前大灯整体的最大光强为118000cd，即照度为168.8lx，光照效率达到82%，完全符合ECE标准与GB标准。

5结论

经过计算机仿真，本文设计的LED汽车前大灯模块化照明系统的测试结果完全符合相关标准和使用要求，该设计的创新在于，将前大灯照明系统分为两个独立的模块进行分开设计，模块化设计的好处在于简化结构，便于安装、降低配件更换成本等，因此，本文的设计方法具有重要的参考意义。

参考文献：

[1]廖炫，郭震宁，潘诗发等.LED汽车前大灯散热器正交优化设计与分析[J].光子学报，2016，45（11）：68-73.

[2]李姜一欣，邢海英，何云堂等.新型LED汽车前照灯光学系统设计[J].光学技术，2016，42（2）：176-179.

[3]李中杨，曾国英，赵登峰.LED汽车前照灯结构设计[J].机械设计与制造，2018（a01）：140-142.