李祥兵，王春才，肖義武

（神龍汽車技術中心，湖北武漢 430050）

汽車車燈輕量化技術研究

李祥兵，王春才，肖義武

（神龍汽車技術中心，湖北武漢 430050）

從車燈結構優(yōu)化設計、車燈材料優(yōu)化設計、車燈工藝設計和新技術應用等4個方面論述車燈輕量化設計現狀和趨勢。

輕量化；節(jié)能減排；結構設計

當前，為滿足節(jié)能環(huán)保的要求，汽車輕量化已成為全球汽車產業(yè)發(fā)展的潮流。試驗表明，汽車質量每減輕10%，汽車油耗可以下降6%～8%，汽車排放下降4%［1－2］，因此，輕量化對汽車節(jié)能減排具有重要的現實意義，并已成為當前汽車產業(yè)競爭的主要方向。

汽車輕量化的完全實現，需要材料技術、輕量化結構優(yōu)化設計技術、輕量化綠色制造技術等3個方面同步進步，是材料、設計和加工成形技術等多方面的集成。而汽車燈具作為汽車重要外觀，安全和法規(guī)零件，相對于幾十年前的車燈，雖然目前大部分已經采用了密度相對較低的塑料件，在輕量化方面已經邁出了重要的步伐，但對于LED前照燈，氙氣前照燈等以及帶有一些附屬機構如AFS的前照燈，其質量仍然處于超標的狀態(tài)。減輕燈具自身的質量，雖然相對于整車來說，貢獻量較小，但對于降低燈具的成本以及減少整車的質量仍具有重要的現實意義。表1所示為IFEU汽油減重和燃油經濟性數據。

表1 IFEU汽油減重和燃油經濟性數據

1 車燈輕量化發(fā)展歷史

自1906年世界第一次采用蓄電池給電燈泡供電之后，汽車信號照明光源先后經歷了煤油燈、乙炔燈、白熾燈、鎢絲燈，到現在第4代氙氣燈，以及目前技術正逐步走向成熟的LED燈。汽車照明光源演變如圖1所示。隨著技術的進步，光源單位瓦特的流明值也出現了很大的飛躍。隨著汽車軟件和制造技術的進步，以及客戶對整車造型的新型需求，汽車燈具的造型也逐步由最初的孤立的圓筒形造型，發(fā)展到當前完全依靠自由曲面構造的豐富造型。

從材質和結構上看，燈具也從以前相對較為笨重的金屬煤油燈、金屬或陶瓷電燈、玻璃燈具發(fā)展到目前的塑料燈具，從以前單光源單功能的燈具，發(fā)展到集成了多個照明和信號及輔助功能的燈具。

可以說，燈具的輕量化技術，在光源、造型及結構整個演變和發(fā)展過程中，也不斷趨于完善。但也由于上述的演變，使得車燈的設計更加復雜，而輕量化的前景并不樂觀。比如，對于當前市場上呼聲很高的LED前照燈，盡管相對鹵素前照燈與氙氣前照燈而言，有一些無法匹比的優(yōu)勢（比如亮度更高，更加環(huán)保節(jié)能，造型更加多樣化，光源壽命更長），但由于LED模組及相應的控制結構本身比較沉重，導致整個前照燈的質量往往會超標，這對實現整車零件的輕量化實際上是一個難以逾越的技術瓶頸。

圖1 汽車照明光源演變

2 車燈性能要求

車燈是為車輛前行或后退提供照明和信號的裝置。一般來說，對車燈關鍵性能的要求包括：光學性能、密封性能、強度要求、耐熱要求、可靠性要求。

1）光學性能光學性能是車燈最核心的性能，它直接反映了車燈的照明和信號水平。該性能主要由光源模塊以及車燈本身的造型結構決定。光源一旦選定，其相應的光學性能也基本確定，光源模塊本身的質量也基本確定。由于光學模塊對車燈的質量本身占有很大的比重，因此，選用更加輕質的光學模塊對車燈的輕量化有重要作用。

2）密封性能由于車燈是光學和電器零件，為防止漏電、零件銹蝕等問題發(fā)生，需要對燈具進行密封。密封裝置本身對車燈質量增加沒有太大比重，但是燈殼的設計往往需要兼顧車燈的密封性能，就需要對車燈燈殼進行特別設計，這樣燈殼的質量也會有所增加。

3）耐熱要求對于鹵素前照燈，由于其光源功率通常比氙氣前照燈和LED前照燈要高，因此，出現耐熱風險的幾率要比氙氣前照燈或LED前照燈更大。而通常解決車燈的耐熱問題的主要方法，是增加金屬隔熱板（對LED前照燈，也可能是增加風扇），或者更換耐高溫或熱固性材料，這樣整個前照燈的質量也將相應增加。

4）可靠性要求可靠性要求包括壽命、自身功能運轉的有效性以及被動安全如行人保護等。對于水平和高度調節(jié)，要保證功能的有效性，就需要在某些運動部件上采用加強結構。而對于行人保護，需要對車燈結構設計一些特殊的結構如保護支架等，這也會導致車燈的質量增加。

3 車燈輕量化的技術策略

汽車輕量化已經成為汽車工業(yè)發(fā)展的一個關鍵性課題。結構優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、新材料利用及新工藝等都是輕量化實施的重要途徑。目前關于輕量化實施途徑的相關研究較多，但是輕量化理論體系及輕量化途徑的相關分析流程需要進一步完善。

LED車燈輕量化技術本身所使用的是現代化的設計方法，以及較為高效的措施來針對車燈進行優(yōu)化設計，或者是采取新的材料來盡可能確保車燈各項性能。在法規(guī)符合標準的情況下，盡可能地使汽車車燈產品自身的質量大幅度降低，以便汽車車燈能夠在環(huán)保、降耗、減重、安全等多方面都做到最好。車燈輕量化技術優(yōu)化方向如圖2所示。

圖2 車燈輕量化技術優(yōu)化方向

3.1 合理設計結構

在結構設計上，主要涉及到以下3種措施來達到LED車燈輕量化的目的：結構尺寸優(yōu)化、車燈形狀優(yōu)化和多學科優(yōu)化等。

結構尺寸優(yōu)化是汽車輕量化優(yōu)化最為成熟的一種方法。它一般以車燈零部件的壁厚、加強筋的數目以及零件的拆分數目作為設計變量來進行優(yōu)化，以滿足不同工況下的強度、剛度、振動和其他關鍵性能作為約束條件，以結構質量最小為目標函數來構建優(yōu)化模型。

車燈形狀的優(yōu)化是通過改變車燈結構的整體或局部外形，使得結構受力更加均勻，從而更加充分地利用材料。通常而言，車燈形狀優(yōu)化的方法主要有兩種：對于比較規(guī)則的幾何外形結構，可以將結構的幾何外形參數化，從而將形狀優(yōu)化轉化為尺寸優(yōu)化問題。但對于當前具有復雜造型的車燈而言，車燈本身具有更多不規(guī)則的幾何外形，此時很難采用參數來描述幾何外形，因此無法將其轉換為尺寸優(yōu)化問題。針對這種情況，目前廣泛采用不需要尺寸參數的無參形狀優(yōu)化方法。但這種方法目前還只是在車身上使用過，對汽車燈具還并未涉及。比如，Shimoda和Tsujir采用無參形狀優(yōu)化方法對汽車主承力梁減重孔形狀進行優(yōu)化設計，在滿足強度約束條件下有效減輕了結構質量［3］。方劍光等通過定義白車身主要梁結構截面的形狀變量，結合Kriging近似模型技術，對白車身進行包括輕量化的多目標優(yōu)化，取得較好結果［4］。這種思路也可以在燈具的設計優(yōu)化中借鑒。

通過這兩方面的措施，能夠使汽車車燈自身注塑零件質量大幅度下降，同時還可以針對車燈燈殼的強度、剛度等加以優(yōu)化。最大限度地保證汽車車燈自身關鍵性能滿足要求的情況下，使得自重大幅度下降，最終達到輕量化的目的。這是實現汽車車燈輕量化技術的關鍵。

3.2 優(yōu)化車燈的材料

當前車燈所使用注塑件材料主要有PC、PMMA、PBT、BMC等，如表2所示。這幾種材料都屬于比較輕質的材料，密度均在1.5以下，單純從注塑件產品來看，實現燈具的輕量化改善空間不大。

表2 汽車車燈主要材料和性能

在LED前照燈中，采用的LED模組尺寸都相對較大，該模組是由金屬件、玻璃件等構成，而模組本身帶有很多的金屬散熱片，甚至是風扇結構，這些結構的材料一般都是密度較大的材料。要實現燈具的輕量化設計，就需要從LED模組的結構優(yōu)化著手，以達到減重的目的。對于鹵素前照燈，其質量主要來自于金屬件比如支架，盡量減少金屬零件的數目，或者采用其他非金屬材料零件，達到減輕質量的目的。對于氙氣前照燈，由于其車燈光源的光通量大，相應的附屬裝置比如水平調節(jié)、自動高度調節(jié)也會相應配備，另外，由于自身有鎮(zhèn)流器這樣的電子件，因此質量也會增加很多。要優(yōu)化車燈的質量，就需要從上述零件的材料作為突破口，在滿足自身的關鍵性能的前提下，盡可能采用比較輕質的材料。

3.3 優(yōu)化車燈的工藝

車燈的工藝主要有注塑、鍍鋁、焊接、固定、裝配等。車燈所需的工藝不同，相應的結構也應有很大的差異。比如，采用螺釘固定的方式，就需要相關的固定凸臺以及相應的加強筋，來保證打螺釘區(qū)域的強度。而螺釘本身是金屬零件，其質量要比普通塑料制品要高。注塑工藝目前比較流行的有雙色、三色甚至更多。零件注塑顏色的增多，相應的零件某些區(qū)域的厚度也將增加，零件的質量也因而增加，因此，在滿足造型需求的前提下，盡量減少注塑的層數，對車燈的輕量化設計具有重要意義。鍍鋁工藝主要可以分為全部鍍鋁和局部鍍鋁，在滿足鍍鋁面反射率的前提下，適當控制鍍鋁層的厚度，并選用局部鍍鋁的方式，對降低鍍鋁工藝對車燈質量的影響具有一定的意義。當采用不同的焊接方式，如熱板焊接、超聲波焊接或激光焊接，甚至采用涂膠工藝時，焊接區(qū)域的結構是不同的。有些焊接工藝需要比較大而寬的產品焊接腳，在這種情況下，燈的質量也會增加。因此，選用適當的焊接方式，也可以降低車燈的質量。

3.4 采用新的車燈技術

一直以來，汽車燈具就被分為機、電、光、熱等四大部分。而燈具的散熱系統(tǒng)無論如何變化，始終都擺脫不了傳導、對流、輻射三大要素。要想在解決上述四大關鍵性能問題的同時，降低車燈自身的質量，采用新的車燈技術也勢在必行。對于車燈技術而言，目前比較流行的是：LED光源模組，使用這種光源最大的好處是光學性能的改善，而且不會有注塑件的耐熱問題。但這種光源的結構相對較為復雜，模組質量也較大，需要對相關的支架進行優(yōu)化，以降低燈具的質量。車燈的下一代光源激光LED光源和OLED或者開發(fā)更小功率的近遠光LED模組，將是車燈減重的重要措施。目前Philips公司正在努力推廣，將LED電路設計成燈泡座的結構，對降低車燈的質量也具有重要作用。

4 某一車燈輕量化的研究進展

根據上述車燈輕量化的思路，對神龍公司某一車型的前照燈進行了嘗試，主要從結構設計、材料選擇和使用、焊接方式、光源的選擇方式等都進行了適當的優(yōu)化。

下文是神龍公司某車型前照燈項目所采用的輕量化研究方向。

4.1 光源的選擇

LED前照燈，從光源的選擇方面，根據GB 4785規(guī)定，如果光源的光通量大于2000lm，就必須增加前照燈清洗裝置。為保證車燈和整車的開發(fā)成本，并滿足法規(guī)的需求，同時也為了減輕整車的質量，在前照燈近遠光光源選擇方面，在客戶無抱怨的前提下，盡可能選用光通量小于2000lm的LED光源。不同LED模組帶來的設計差異見表3。

表3 不同LED模組帶來的設計差異

4.2 結構設計

主要從機械結構和電路設計兩個方面來進行優(yōu)化。

1）機械結構方面在滿足機械強度的情況下，對燈殼上一些不必要的加強筋結構進行了優(yōu)化，另外也適當控制燈殼的厚度。在燈殼的厚度控制方面，可以在材料選型與厚度方面找到平衡點。比如，對于LED前照燈，由于LED模組本身質量較大，因此要求燈殼的強度較高，此時可以選用帶玻纖的材料（比如PD GF30），這種材料的硬度本身較大，若選用這種材料，燈殼的厚度就可以適當降低。

在燈體內的零件拆分方面，該前照燈在設計之初采用了3個過度盤來滿足造型和工程需求，后經過優(yōu)化決定采用2個過度盤來滿足造型設計需求。

2）電路設計方面對該車型的日間行車燈的電路進行了優(yōu)化，之前設計采用了DC－DC的芯片式控制結構，電路板較為沉重。后來優(yōu)化為線性電路的方式，整個電路板的質量和成本都有所降低。

4.3 材料選擇

該前照燈也進行了好幾輪優(yōu)化，結果如下：在前期設計階段，對于主過度盤，主要采用HT－PC材料以滿足耐熱性能的要求，隨著后期對造型和結構的優(yōu)化，相應的各個零部件的材料也進行了適當的優(yōu)化。某項目車燈優(yōu)化后的材料清單見表4。

表4 某項目車燈優(yōu)化后的材料清單

4.4 工藝和造型

該前照燈采用了單色注塑工藝。單色注塑相對于雙色注塑方式，美學價值稍有降低，且存在一些外觀缺陷，解決不好就會引起客戶的抱怨。為解決這些問題，在前照燈外透鏡的設計過程中，在透鏡的內表面，機罩、翼子板和保險杠區(qū)域的內表面，均增加了皮紋工藝，以降低外透鏡在這些區(qū)域的可視度，最大限度地弱化內部結構可視問題或其他外觀缺陷。相對于雙色和三色注塑透鏡，單色注塑透鏡的質量可降低20%左右。

4.5 車燈配置

由于該燈具本身的配置較高，采用了動態(tài)高度自動調節(jié)，使得前照燈的近遠光高度能隨著車身的運行姿態(tài)隨時進行調節(jié)。為考慮開發(fā)成本，將動態(tài)高度調節(jié)變化為靜態(tài)自動高度調節(jié)。靜態(tài)自動高度調節(jié)電機對車燈的成本降低和減重均具有一定的作用。

5 車燈輕量化實施策略和評價準則

根據上述研究實踐，通過調查目前所開發(fā)車型車燈，并結合前面所述車燈輕量化的優(yōu)化方向，提出以下車燈輕量化策略實施優(yōu)先級別，如圖3所示。

圖3 車燈輕量化策略實施優(yōu)先級

為了更直觀地衡量車燈輕量化等級，在調查當前所開發(fā)車型車燈的基礎上，根據整燈相對面密度（車燈的質量與表面積之比）值將車燈分為1到5級，其中等級越高，則車燈的輕量化水平越高，具體劃分如表5所示。

表5 車燈輕量化評價表

6 結論及展望

由于目前整車的輕量化設計主要集中在車身，如車門、底盤、車架等金屬件，且車燈被廣泛認為是一個塑料零件，因而很少涉及車燈的輕量化設計。但從目前的發(fā)展趨勢來看，車燈特別是LED燈具的設計，對質量的要求越來越高，因而對車燈的減重也是勢在必行。從上文分析中，至少可以從以下幾個方向來進行努力。

1）優(yōu)化車燈本身的結構（如尺寸和形狀）。對尺寸相對較大的零件（如燈殼、外透鏡和過度盤），尺寸和形狀優(yōu)化對減重收益相對較為明顯。

2）采用新型的光源技術。目前國際知名光源公司Philips和Osram分別競相推出可更換式的LED光源，其外形結構類似于目前的鹵素燈泡結構，但其壽命相對鹵素燈泡更長。整個燈泡座采用特殊的輕質材料構成，可防水、耐高溫，且抗震性能好，亮度更高，也更節(jié)能。汽車燈具采用這種新型燈具后，其光源模組的質量將大大減少，這對減輕整個前照燈的質量具有重要的現實意義。另外，采用OLED可以更好地節(jié)能，極輕質量。目前該光源僅僅只是用在內飾氛圍燈中。隨著科技的進步，該光源也將使用在前照燈和尾燈的照明和信號領域，對提高整個燈具的使用壽命，提供產品本身性能以及減少燈具的質量，有很大的好處。

3）優(yōu)化車燈的注塑、鍍鋁工藝以及相關的配置。采用新的技術，但成本會有一定程度上升。

車燈輕量化還要根據各個不同車型項目、不同現實條件來確定優(yōu)化方向。比如雙色注塑是某一車型前照燈的造型因素，或某一種車燈配置代表了該車型項目的高科技水平，就需要權衡二者的關系并進行取舍，或尋找其他途徑來實現車燈減重。

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（編輯 心翔）

Research on Light-Weight Technology of Auto Lamp

LI Xiang-bing，WANG Chun-cai，XIAO Yi-wu
（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Corporation Technology Centre，Wuhan 430050，China）

This article demonstrates the situation and trend on auto lamp light-weight design based on four perspectives，which are structure optimization，material optimization，industrial design and new technology.

light-weight；auto lamp；energy efficiency and emission reduction；structure design

U463.651

A

1003－8639（2016）11－0045－05

2016－06－06

李祥兵，男，碩士，工程師，主要研究方向為車燈開發(fā)設計；王春才，男，工程師，燈具專業(yè)牽頭人，從事燈具開發(fā)15年；肖義武，男，工程師。