原创 子房先生 车灯研究院
说到灯具的美观，独特性和科技感，模组的应用至关重要，尤其是LED技术发展到今天，模组在整车应用也越来越广泛，尤其在2016年以后，大灯主光源的造型设计中，几乎看不到反射镜方案了。模组有其独特的优势，比如光效更高，空间更加紧凑，造型灵活度高，可平台化等，这些优势使得模组成为了灯具造型设计的主力。不得不说，所有的事物都具有两面性。模组是好，但它也带来了风险：太阳光灼烧问题。太阳光引起的灼烧轻则会对大灯装饰框产生烧蚀，造成装饰框变形甚至融化，引起OEM的投诉。重则会引起整灯融化，影响整车电路，带来安全性问题。据国家市场管理总局消息，某款豪华车型因为太阳光灼烧问题，造成整车召回，给OEM和灯具制造商带来严重经济损失，也影响了该品牌和灯具供应商的名誉，据悉，该灯具厂也是行业内顶尖的供应商之一。既然太阳光的灼烧问题可以带来如此严重的后果，那么我们在开发过程中，必须要重视该问题，力求在灯具的开发阶段，规避该风险。下面我们来深入研究太阳光灼烧的原理，以及常用的解决方案。在解释太阳光聚焦问题之前，我们要对以下几个概念进行引入，方便大家对文章的理解。什么是太阳常数呢？在日地平均距离条件下，地球大气上界垂直于太阳光线的面上所接受的太阳辐射通量密度，称为太阳常数。以S.表示，单位为W/m2。
太阳常数是进入地球大气的太阳辐射在单位面积内的总量，要在地球大气层之外，垂直于入射光的平面上测量。以人造卫星测得的数值是每平方米大约1366瓦特，地球的截面积是127,400,000 平方公里，因此整个地球接收到的能量是1.740×1017瓦特。由于太阳表面常有黑子等太阳活动的缘故，太阳常数并不是固定不变的，一年当中的变化幅度在1%左右。一般在模拟中，太阳常数的值一般会设置成1400W/m2方位角（azimuth Angle）从某一点的指北方向线算起，按顺时针方向至某目标点的方向线之间的水平夹角，称之为该目标点的方位角。用符号𝛾表示。如下图所示在模拟软件里，一般需要检查90度到-90度之间，这个参数表征了车辆停在地表的各种状态。
高度角，通常是指太阳高度角，即是从一点至观测目标的方向线与水平面间的夹角。用符号∅表示。是三角高程测量中计算两点间高差的主要观测量。太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角。其值在0°～90°之间变化，日出、日落时为零，太阳在正天顶上为90°。高度角定义如下图所示。在考虑太阳灼烧的情境中，高度角表示了一天中的各个时刻，日出，日落时候角度为0°，正午时分角度为90度。在模拟中，一般45-75度要重点分析，这种情况最为恶劣，因为这个角度，表征的往往是上午10点-11点，下午2-4点是太阳的能量，而0度情况，是日出，日落，太阳的能量不是太高，sunload 风险也不是太高，在实际模拟中监控好即可。参数还可以表征汽车停止的各种姿态，例如上坡下坡，在露天的停车场等工况。概念介绍完之后，下面我们从以下几个方面对太阳光聚焦问题展开分析。说到太阳光产生的聚焦，我们要先从模组前方的透镜说起。相信大家小时候都用放大镜烧过蚂蚁吧？模组前方的透镜，其本质是一个凸透镜，对光有聚集作用。太阳和地球距离非常远，当太阳光照射到地表时候，可以认为是近似的平行光。当太阳光摄入透镜时，产生折射，折射后的光照射在透镜后部的平面上，这时候，一部分光会继续折射，再次射入空气中，而另一部分光则进行全反射，全反射的光经过透镜的外表面时又产生了折射，折射的光线会在某个点附近聚集，这就是阳光产生的聚焦，也就是sunload现象的根本原因。如下图所示目前几大主流的灯具供应商都有自己一套流程和设计方法来规避太阳光聚焦的风险，虽然方式不尽相同，但基本都按照下面的方式来进行分析和研究。第一步，通过光线追踪的方法做出光锥包络来校核是否会在装饰框上产生焦点。第二步，先做出透镜在高度角为30°-70°之间的光锥包络。如图4所示第三步，检查方位角90度到-90度范围内的光锥包络。图5所示第四步，将高度角和方位角范围内的光锥包络叠加，在和OEM谈造型的时候，要求装饰框的造型完全避开这个包络，考虑到后期生产制造的误差，留出安全余量。这是最理想的状况。然而现实是残酷的，前面说到，主机厂在设计造型的时候，灯的造型要和整车的风格相协调，经常不接受或者干脆拒绝供应商提出的造型修改意见。然而事实上，方位角和高度角形成光锥包络产生的能量不一定会导致饰圈的烧蚀，或者可以根据模拟温度更换耐高温材料来规避太阳聚焦风险，所以，在实际模拟中，我们要根据具体位置的能量值来进行判断。在光线聚集过程中，如果焦点位置是在空气中，因为空气是流动的，在空气被加热后，空气密度会变小周围冷空气会迅速的将其填充，所以，如果焦点是在空气中，我们可以认为没有太阳聚焦的风险，但是如果焦点是落在实物上，能量会不断积累，温度会急剧上升，聚焦点热量是可以计算出来的，根据热力学公式：Q=cm∆t，其中C 是比热容，m是质量∆𝑡表示温差。一般来说，比热容数值可以找材料供应商提供。而成熟的灯具供应商手里的模拟软件，一般都集成了该公司常用的材料属性，在模拟过程中，可以直接使用，可以说相当便利的。我们知道，地表接收到的太阳辐射的能量为常数，称之为太阳常数，一般情况下取值1400 W/m2作为太阳光能量的基准值。假设模组透镜的正投影面积为S，如果整个模组透镜被完全照射，此时模组透镜接收到的能量为E，高度角为γ，那么，考虑高度角的情况下，也就是考虑一天中不同时刻的太阳高度情况下，模组透镜接收到的能量为E1=Ecosγ。我们假定光线的间距为Xmm，通过光线追踪，可以判断出射入模组的光线数量为M，产生聚焦光线数量为N，可以读出投射到装饰框上的面积，记作S，零件的壁厚t。在不考虑损失的前提下，单位时间内产生聚焦的光线能量为：E聚=N/M*E1=N/M*Ecosγ。Q=cm∆t=c∗ρ∗S∗t∗ (T2-T1), Q 为材料热变形所需要的能量，T2为材料热变形的温度，T1为实验前的温度。当Q<E聚时候，表示太阳聚焦不足以使得材料产生热变形，即使有焦点，能量也是不高，我们认为设计是可行的。当Q>E聚时候，表示太阳聚焦的能量会使得零件产生热变形，那么这焦点，能量是非常高的，我们要优化设计。通过上述分析，结合公式，我们发现，在太阳聚焦过程中，材料的参数是材料本身固有的属性决定的，是个定值，太阳常数也是个定值，除非该款车不是在地球上使用，否则这个值是不可能发生变化的。真正变化的参数其实就是产生全反射的光线数量，影响光线数量的因子就是高度角和方位角以及灯具的造型。当然以上只是太阳聚焦的简单计算，在实际项目中，其实远远不够的，目前主流的灯具供应商都有自己计算工具，对于非从事仿真工作的读者，或者从事车灯灯具设计的灯具项目经理，主机厂的灯具工程师，了解到上述层面已经足够应付工作中的各种局面了。理解太阳聚焦的原理，那么解决方案其实也就呼之欲出了，解决思路主要围绕减少光线数量，降低聚焦能量以及使用耐高温材料。根据当前技术水平，一般采取方案如下：1. 将模组透镜后面的平面改成双曲面透镜，这样聚焦点会更靠近透镜，装饰框的聚光点会变大，能量值会随之减少，有利于规避聚焦风险。但是这种方案，会影响光学性能，增加光学设计的难度，这种透镜没有进行批量验证，需要时间进行验证。
2. 在模组装饰框上增加遮挡阳光的结构或者在不影响光学性能上，模组往车身后方进行移动，从而达到较少太阳光线数量作用，该方案同样可以规避sunload风险。
3. 靠近模组的装饰框表面采用镀铝方式，也可以有效地降低聚焦风险。
4. 采用更高耐温等级的材料，例如是使用PC-HT18xx以上材料，PEI甚至使用金属材料+电泳工艺，这类虽然也可以规避风险，但是成本较高。
在灯具模具件完成之后，灯具厂的实验工程师需要验证实际产品是否有太阳光聚焦问题。1. 灯具安装在定制的支架上，设备内置有HMI灯泡。该灯泡的光谱与自然光的光谱相似,即所谓的全球辐射。实验时开启灯光照射约1小时(照射时间可以和主机厂进行沟通)。
2. 通过手动控制单元、触摸屏或 PC三种方式控制阳光模拟程序。不同OEM有不同实验流程，在实验前，灯厂的实验人员需要和OEM沟通清楚实验细节。
3. 完成实验大纲规定的阳光辐射时间之后，实验工程师使用红外相机拍摄，拍出装饰圈上的温度，来验证研发阶段选择材料是否满足量产要求。
4. 一般情况，Sunload实验环境温度默认为实验室温度，当然也可以根据具体情况设置环境温度。
5. 如果在实验过程中发现装饰圈有明显损坏，实验工程师要记录损坏处的温度，根据实测温度考虑更换耐温等级更高的材料。再如此反复进行实验。
上述是灯具厂的实验，主机厂一般会配置专门阳光实验模拟舱，模拟舱里可以设置各种环境参数，用于验证整车或者零部件在阳光照射后性能变化的评估，包括颜色，强度，光泽度及各种热膨胀结果。
通过对太阳聚焦原理的讲解， sunload 问题的本质和产生的机理已非常明了了，对于工作人员缺乏的只是模拟工具。通过本文，希望起到抛砖引玉的作用，欢迎大家评论区留言讨论！
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