1、fawa1汽车前照灯的光学设计学位论文 毕 业 设 计（论 文）FAW-A1汽车前照灯光学设计年级专业2009级机械工程及自动化学号姓名指导教师评 阅 人二一三年六月中国 常州摘要由于汽车的造型很大程度上是取决于前照灯，而且，前照灯的照明质量对于行车的安全也是至关重要的，所以，在本文以FAW-A1汽车前照灯的设计制造为研究背景，介绍了FAW-A1汽车前照灯的设计和制造的主要模块，主要包括：外观分析设计，结构分析设计，光学分析和反射镜设计，前照灯振动分析和前照灯模流分析。同时，在对FAW-A1前照灯整体设计的基础上，重点对前照灯的光学设计进行了研究和学习。设计主要满足了汽车前照灯在光学方面的行业
2、标准。也在满足各项要求的同时，力争使设计成本低廉，品质优良，外观优美融于车身。依据论文内容，主要工作如下：第一，了解任务书的内容，明确设计任务；阅读大量与车灯前照灯相关的资料和文献；翻译与车灯相关的英文文献。第二，通过和工程师的沟通以及搜集学习汽车前照灯的相关信息，明确各自的设计任务，列出设计任务安排和进度表，通过与结构设计和震动分析的组员讨论，得出相对合理的方案简图。第三，依据法规的要求，认真对比选择，筛选性价比比较高的前照灯光源，并依据光源设计出合理的前照灯反射器，能够与结构设计的组员相配合。第四，通过公司的软件，将数据模拟出前照灯光源照射出来的光强分布，合理的调整光源与反射器的角度，使之
3、与法规相符合，检验与完善前照灯的光学设计。撰写毕业设计论文，同时总结出本设计中的改进和不足之处，展望未来该车型前照灯设计的趋势和值得努力的方向。最后，给出毕业设计的心得体会。关键词：FAW-A1前照灯设计 光学设计 光源的选择对比 反射器设计Abstract As car modeling is largely depends on the headlamps, and headlamps lighting quality is important for traffic safety, therefore, in this article to auto works - A1 as the
4、research background, design and manufacturing of automobile headlamps FAW-A1 car headlamps are introduced the main module design and manufacturing, mainly include: appearance analysis and design, structure analysis and design, analysis and reflection optical lens design, analysis and headlamps headl
5、amps vibration mold flow analysis. At the same time, in which A1 headlamps, on the basis of the overall design, focus on the optical design of headlamp has carried on the research and study. Designed to satisfy the vehicle headlamps in the optics industry standards. Also to meet the requirements at
6、the same time, strive to make the design cost is low, good quality, beautiful appearance into body.Based on the thesis, the main work is as follows:First, understand the contents of the specification, design task; Reading a lot of useful information related with headlights headlamps and literature;
7、Translation English literature related to light.Second, through the communication and engineers, and related information collecting learning automobile headlamps, clear their respective design task, design task arrangement and schedule listed, with the structure design and vibration analysis of grou
8、p discussion, draw a relatively reasonable plan diagram.Third, according to regulatory requirements, serious contrast selection, screening of high cost performance of lamps, and according to the light source to design reasonable headlamp reflector, can be made to match the structure design of the te
9、am members.Fourth, through the companys software, the data simulate the lamps light intensity distribution, reasonable adjust the Angle of light source and reflector, and consistent with laws and regulations, inspection and improve the optical design of headlamp. Writing graduation design paper, at
10、the same time, summarized the improvement and deficiency in the design, looking forward to the future of the car headlamp design trends and worth the effort direction. Finally, the experience of graduation design is given.Key words: FAW-A1; Headlamps designed; Optical design; The choice of light sou
11、rce; The design of the reflector第1章 绪论1.1 选题背景1.1.1 前照灯与行车安全汽车是现代社会中不可或缺的交通和运输工具，它给我们的生活带来了便利，也带来了问题。其中最突出的就是安全问题，尤其是夜间的安全。全世界每年发生的汽车交通事故不计其数。汽车的安全性，是汽车运行中一个极为重要的性能。汽车灯具担负着照明和信号两种功能，是重要的安全部件。汽车的照明质量直接影响着行车安全。尽管夜间路上的行人比白天少，事故数据显示，不包括驾驶者在内的事故数目仍以夜间为多：导致行人致命伤害的事故有60发生在夜间。世界汽车安全事故统计资料表明：夜间发生交通事故的概率是白天的三
12、倍，照明状况不良时的事故率又是照明状况良好时的三倍。1可见汽车灯具对于汽车的安全至关重要。汽车灯具按其作用可分为两大类：照明装置(照明灯)和光信号装置(信号灯)。照明灯的功能，是在黑暗环境中照亮汽车行驶前方路面。信号灯则是向其它道路使用者表明本车的存在，以及本车将要转向某一方向或正在制动减速等等，以引起其它道路使用者对本车的特别关注。在各种汽车灯具中，前照灯的重要性尤为突出。前照灯是汽车在夜间或雨天、雾天行驶时，用来照明道路、辨认前方障碍物的汽车照明装置。前照灯就好比汽车的双眼，是汽车最主要的外部照明灯具，它的主要功能是确保驾驶者对前方场景有良好的视认性，而同时又不能给迎面来车的驾驶者造成眩光
13、。因此对于前照灯的空间光强分布，业内有着十分精确的标准。前照灯近光的光分布完全不对称，中间是一个高光强区，主要照亮汽车正前方的路面；光束在水平方向有所扩散，兼顾整个路面及路边的情况：在前照灯灯光所产生的明区与暗区之间有一条清晰的截止线(分界线)。正是由于前照灯的重要性和复杂性，前照灯的设计一直是汽车工业关注的重点之一。1.1.2 前照灯的发展历程前照灯是要求最高、结构最复杂、设计和制造难度最大的车灯。它的发展变化也代表了车灯的整体演变。从早期乙炔气前照灯发展到当今的自由面反射镜气体放电前照灯，差不多经历了120年，其演变过程如下2,3:1、煤油灯，最初的前照灯是简单安装在汽车前部的煤油灯。由于
14、煤油灯发光强度太低，不能满足照亮前方足够远路面的要求。后来利用1779年克鲁平发明的带片式抛物面反光条（反射器的雏形），将煤油灯的光通量反射汇聚于一狭窄立体角内，成为具有高强度光束的聚光式前照灯。2、乙炔灯，1905年，开始使用乙炔做车灯光源。乙炔由装置在汽车脚踏板或车架上的轻便型乙炔发生器利用碳化钙和水反应而产生。行车时车体的颠簸和晃动是这个化学反应的“催化剂”，因此汽车停止后，反应渐弱，照明也就渐弱消失。乙炔作为早期车灯的稳定光源，一直使用到1925年前后。3、电光源车灯，1913年发明了螺旋钨丝做发光体的充气（惰性气体）白炽灯泡，其发光功率达到了1518lm/W。当年的凯迪拉克（Cadi
15、llac）汽车的前照灯就使用了这种灯泡座光源，这标志着汽车电气时代的开始。在这之后，乙炔前照灯就逐渐被电光源前照灯所取代。4、对称光前照灯，具备有高轮廓亮度充气灯泡的前照灯，为解决在两车相遇时因前照灯的强光造成驾驶员炫目而导致发生交通事故和撞车的严重问题，出现了双光灯芯前照灯，但也没有完全解决汽车车灯的配光问题。5、非对称近光前照灯，双光灯芯前照灯系统属于对称近光系统，近光光型的左右两侧完全相同，因而左、右两侧行驶皆适用。为解决在会车过程中，前照灯既不产生炫目，又能保证对道路具有良好的照明，1932年美国发明了不对称前照灯，它是以基准轴为中心，将光束一分为二，靠近来车一侧的落地距离短(即光束压
16、低，从而防炫)，而另一侧光束的落地距离长(即光束抬高，从而增加视见)。 6、封闭式前照灯，1940年之后，美国研制的封闭式前照灯，将光源、反射器和配光镜做成封闭的一体。7、卤钨前照灯，第一批装有卤钨灯泡的汽车前照灯是由法国“斯贝”公司在1964年生产的，其灯丝允许工作温度较普通白炽灯泡高，光效增加约50%，寿命也增加一倍。卤素灯，就是在灯泡内渗入少量的的惰性气碘，从灯丝蒸发出来的钨原子与碘原子相遇反应，生成碘化钨化合物，当碘化钨化合物一接触白热化的灯丝(温度超过1450)，又会分解还原为钨和碘，钨又重新归队回到灯丝中去，碘则重新进入气体中。如此循环不已，灯丝几乎不会烧断，灯泡也不会发黑，所以它
17、要比传统的白炽前照灯寿命更长，亮度更大。8、自由曲面前照灯，在整个电光源的发展过程中，前照灯基本上采用抛物面反射器。反射器将光源发出的光以近似平行于光轴的方向射出，经配光镜的重新分配，形成满足要求的光型，自由曲面前照灯的反射器曲面不再是规则的抛物面，从其上反射的光型即为满足要求的光型，不再需要配光镜进行配光。9、投影型前照灯，投影型前照灯是德国海拉（Hella) 公司于1984年推出的新一代前照灯。由光源、反射器、挡板、凸透镜和配光镜组成。这种车灯要求精确的装配，可获得准确而清晰的明暗截止线。10、高强度气体放电HID前照灯，HID具有寿命较长、光照度强、色温高等优点，因其能提供更宽更亮的光型
18、及更广的照射范围成为又一代前照灯光源。11、LED汽车前照灯，LED光源因其耗能低、寿命长、抗震动、响应速度快、设计自由度大、环保节能等传统光源无法比拟的优点成为汽车前照灯的新一代绿色光源，不仅能够降低能量消耗，延长使用寿命，而且可以减少安全车距，减少交通事故。LED灯能够使得汽车灯具的造型布置和风格设计具有空前的灵活性而适于车型的个性化，且LED的光输出功率密码已能够与HID灯具匹敌。随着技术的发展、成本的下降、光效的提升，LED光源将成为未来车辆照明的发展趋势。12、光纤前照灯，光纤前照灯是根据光的全反射原理，利用光学纤维来实现光的传导而开发出的最新一代汽车灯具。它由光源、反射器、光纤和输
19、出组件等部分组成。综上所述，随着照明光源技术的进步，汽车前照灯工经历了四代光源的演变，分别是白炽灯、卤素灯、HID、LED光源。1.1.3研究现状A 国内研究现状国内目前几乎不具备独立设计前照灯的能力，进行汽车照明相关的单位也比较少，且主要是一些高校。其中非比较突出的是负担大学光源与照明工程系及电光源研究所的一批老师和研究生，他们进行了较多的研究并取得了一定的成果，复旦大学的研究所涉及的内容包括AFS前照灯系统、计算机辅助前照灯设计、前照灯光型模拟及汽车光源的计算机建模等方面。此外，清华大学、上海交通大学、上海理工大学、哈尔滨工业大学等高校也进行了一些相关的研究。如北京理工大学的照明光学系统C
20、AD的研究清华大学的汽车前照灯计算机辅助设计研究及上海理工大学的自由曲面汽车车灯的仿真设计和制造研究。相比之下，国内的企业开展的研究却很少，仅上海小糸车灯有限公司、上海汽车照明工程研究中心、湖北汽车灯具厂等有限的几家单位有零星的论文发表。内容涉及前照灯的光学设计及道路照明标准研究等方面，多侧中与实际应用，理论研究的比重较小。江苏丹阳是全国较大的车灯生产基地，过去这里的车灯制造企业主要用国外的设计进行生产，没有自主研发的项目。随着汽车照明技术和造型技术的发展，车灯特别是前车灯的地位日益突出，国内的这些汽车车灯生产企业也开始意识到研究车灯的重要性，正在逐渐开展研究项目。不过就全国来看，对汽车照明研
21、究虽然日益重视，相关的研究还仅仅是处于起步阶段，尚无成功的设计和经验可言。尤其是企业进行研究的较少，这与国外主要由企业进行研究的现象形成了鲜明的对比。B 国外研究现状国外的发展则比我们领先许多。与国内不同，国外的研究大多由企业完成。高校中以美国密歇根大学进行的研究最多，且其研究也多与企业合作。在汽车照明方面研究成果较为突出的，有著名车灯制造商，如北美车灯、德国海拉和日本小糸；著名照明产品制造商，如Valco、Helios和Philips；以及著名汽车制造商，如BMG、Volkswagen、Mercedes Benz等等。特别是北美车灯、德国海拉和日本小糸这些专门设计和生产汽车照明产品的厂商，已
22、经具备开发制造高质量前照灯的能力。他们不仅设计制造了世界顶尖水平的车灯、积累了相当丰富的设计经验，还针对汽车照明的特殊性，开发了专门用于汽车照明系统设计的软件。具体而言，美国密歇根大学的Sivak 在前照灯光型分析、国际汽车照明标准及车灯质量评估方面做了许多研究；波兰华沙大学的Mazur 在汽车照明仿真方面的研究亦较为突出。各企业对汽车照明的研究内容更为广泛，主要的研究方面有：前照灯标准的国际协调、HID光源技术及采用HID的前照灯的设计、自由曲面前照灯的设计、分光系统的设计及优化、AFS系统、车灯光色分析及前照灯内部热流分析等诸多内容。其研究内容无论在深度还是广度上，都远远超过了国内的研究。
23、1.1.4 前照灯设计常用软件1、综合性光学软件TraceProTracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。它是第一套以ACIS solid modeling kernel为基本的光学软件。优点：比起传统的原形方法，TracePro在建立显示系统的原型时，在时间上和成本上要降低3050%。 TracePro作为下一代偏离光线分析软件，需要对光线进行有效和准确地分析。为了达到这些目标，TracePro必须具备以下这些功能：处理复杂几何的能力，以定义和跟踪数百万条光线；图形显示、可视化操作以及提供3D实体模型的数据库；导入和导出主流CAD软件和镜头设计软件
24、的数据格式。 2、用于照明设计的软件KBE-SmartliteKBE-Smartlite 是集成于I-DEAS CAD 系统中的一套照明产品设计软件。它将现有的所有关于照明系统进展的知识和惯例存放于一个中心库中，试图提供照明工程师及设计师所需要的包括工具、设计的支持数据和信息在内的几乎所有知识4,5。3、反射器设计软件ReflectorCAD其功能就是设计分块反射器，它极大的简化了分块反射器的构建和分析，从而缩短从设计到样品所需要的时间。其图形界面使设计简单易行，而近似的反射器输出效果在数秒内就可算出，这样设计中的改动效果立即就可以看到。由于它的功能就是反射器设计，因此车灯的其它部件还得由其它
25、软件来完成。4、CAD软件CATIACATIA 提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块，使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的6。1.2 选题目的及意义若是作一下比较，国内的研究以理论为主，内容较单
26、一，且常有深度不足的感觉，创新之处不多；而国外的研究则重在实际应用，其论文涉及面广且较有深度。这也许正是国内车灯设计力量薄弱的一个重要原因。现代汽车照明技术发展非常迅速，国外的企业及研究机构经过多年的努力，已经具备相当雄厚的研究基础，拥有非常专业的研发人员和完善的研发机构，其发展越来越快。国内由于对这方面长期没有重视，致使研发实力十分薄弱，一直依赖国外的技术，这会导致受制于人的局面，对我国的汽车工业发展十分不利。因此，必须尽快开展汽车照明的自主研究。否则，差距将越来越大。前照灯的种类在很长时间内都比较单一。随着CAD技术和光学技术的发展，出现了许多新型前照灯，如复合反射器前照灯、波浪形反射器前
27、照灯、投影式前照灯及自由曲面反射器前照灯。就目前国际汽车工业的进展来看，自由曲面反射器前照灯是前照灯的发展方向。这种前照灯完全摒弃了传统前照灯的配光镜配光方式，由反射器独立完成配光的任务。它具有光能利用率高、车灯高度低和空气动力学好等优点。目前，欧美、日本等发达国家的汽车已广泛采用自由曲面前照灯，而国内自由曲面前照灯的普及率却相当低，正处于向自由曲面前照灯过渡的时期。但是国内的自由曲面前照灯的独立设计能力却十分薄弱；一些发达国家虽然已经可以开发制造高质量的自由曲面前照灯，但他们严格进行技术垄断，不对外转让技术和软件。所以，现在进行本课题的研究，对我国汽车工业的发展具有重要的意义。第2章 前照灯
28、设计基础及设计过程概述前照灯是一个照明光学系统。照明光学系统是光学的一大分支。与传统的成像光学系统不同，照明光学系统更注重于能量的分配，即被照明面上的照度分布和大小，因而其设计与传统光学系统设计有许多不同之处。前照灯有很多种类型，如抛物面前照灯、复合曲面前照灯、自由曲面前照灯和投影式前照灯等等，这一章主要介绍本论文所研究的自由曲面前照灯。2.1 前照灯系统2.1.1 前照灯的基本结构典型的前照灯主要由光源、反射器和配光镜这三个部件构成，如图2-1所示图2-1 前照灯1一光源、2一反射器、3一配光镜2.1.2 前照灯的工作原理传统的抛物面前照灯的工作原理，是由反射器收集、汇聚光源发出的光，并将其
29、以平行于光轴的方向射出，射出的光经配光镜的偏移和散射，形成满足要求的光带。这里，光型是由反射器和配光镜配合实现的，而且主要取决于配光镜，反射器仅仅是起到汇聚和射出光线的作用。配光镜由许多小透镜和小棱镜单元拼合而成，这些形状不一的小单元，将反射器射出的平行光或偏移、或散射、投射到需要的地方，最终形成满足要求的光型。图2-2 配光镜的偏移(上)和散射(下)自由曲面前照灯与抛物面前照灯的最大不同是将配光镜的功能转移到了反射器上，即光型完全由反射器来实现，配光镜变成光滑透明的透镜，仅仅是起到透过光线的作用。光线在经过配光镜的时候，不在发生偏移和散射。这时的反射器，在反射光线的同是，还要实现以前由配光镜
30、完成的偏移和散射功能。图2-3 自由曲面反射器的偏移（上）和散射（下）2.2 前照灯的主要部件如前述，自由曲面前照灯的配光完全由反射器实现，配光镜只是起透过光线的作用，因此，前照灯的三个主要部件，这里只介绍光源和反射器，对于配光镜不作介绍。2.2.1 光源（一）现状与发展汽车光源是汽车灯具的发光主体，合理的选择光源，对汽车的照明质量起着至关重要的作用。汽车光源在早期是十分简陋的。在使用电光源之前，先后由煤油灯和乙炔灯充当汽车的照明光源。这两种光源的亮度都比较低，照明效果并不尽如人意。直到电光源应用于汽车照明，这种情况在有了明显的改观。最先使用的电光源是白炽灯。白炽灯在汽车上使用了相当长的时间，
31、直到现在，白炽灯和在白炽灯的基础上发展而来的卤钨灯，仍是使用最为广泛的汽车光源。与此同时，也出现了许多新型光源，如高强度气体放电光源，这些新型光源的进展为汽车照明的未来提供了众多可能性2。（二）常用汽车光源简介1、白炽灯白炽灯不但是最早使用的，也是至今仍在广泛使用的汽车电光源。白炽灯利用电流通过螺旋型钨丝时产生的热效应，辐射出可见光和红外线。白炽灯的功率较小，主要用于照度要求不太高的场合，如尾灯、刹车灯和转向灯等。2、卤钨灯由于传统的白炽灯在物理尺寸、发光效率和经济寿命上的缺点，它的应用受到了很多限制。卤钨灯是在白炽灯的基础上发展而来的，它具有寿命较高，功率较大等优点，很适合于车辆前方照明使用
32、。3、高强度放电灯卤钨灯的优点很多，但也存在许多不足之处，如光色偏黄、寿命较短、红外辐射比例较高等等。新型高强度放电灯的发光亮度远远高于卤钨灯，照明距离也远大约40%，而且光色亮白，寿命很长，所有这些性能都明显优于卤钨灯。作为一种新型光源，目前高强度放电灯的价格仍然是比较高的，而且其制作的技术要求也比较高，所用的电路、灯具的设计也比较复杂，因而它在汽车照明中的应用范围还比较小，但是它仍是汽车光源的发展方向，将会在汽车照明场合得到越来越广泛的应用。2.2.2 反射器反射器是汽车前照灯的重要部件，它将光源发出的光聚集发射，大大提高了光的的利用率。随着科技的进步，反射器的类型和功能也在发生着变化。这里只介绍抛物面反射器和自由曲面反射器，其他类型的反射器介绍从略。抛物面反射器抛物面反射器是最传统的反射器，它可以将置于其焦点处的光源发出的光沿平行于光轴方向反射出去。这里反射器仅仅是起到汇聚和射出光线的作用，必须要有遮光罩和呆功能花纹的配光镜配合使用，才能得到满足要求的光型。自由曲面反射器自由曲面反射器是目前最
