太阳光灼烧的原理
- 透镜聚焦效应
：汽车大灯模组中的透镜等光学元件在一定程度上类似于凸透镜，当太阳光入射时，透镜会使光线发生折射和会聚。如果光线在大灯内部的某些部位会聚到一个较小的区域，就会形成高热量的焦点。尤其是在夏季阳光强烈、气温较高的时候，这种聚焦效应产生的热量可能会迅速积累。 - 反射镜的辅助聚焦
：虽然在大灯主光源造型设计中反射镜方案减少，但部分灯具仍可能存在反射镜或具有反射作用的部件。这些反射镜可能会将太阳光反射并进一步会聚到特定位置，与透镜的聚焦效应相互叠加，加剧热量的集中。 - 光线多次反射与吸收
：大灯内部的复杂结构会使太阳光在其中经历多次反射。在反射过程中，光线可能会不断被一些部件吸收，而吸收了光能的部件会将其转化为热能。如果这些热能不能及时散发出去，就会导致局部温度升高，增加太阳光灼烧的风险。
常用的解决方案
- 光学设计优化
- 透镜优化
：对大灯透镜的曲率、折射率等光学参数进行精确设计和优化，使光线的折射和会聚更加合理，避免出现过于集中的焦点。例如，采用非球面透镜等特殊设计，可使光线分布更加均匀，减少聚焦产生的高热量区域。 - 反射镜改进
：对于仍使用反射镜的部分，优化反射镜的表面形状和反射率，使其反射的光线更加分散，避免与透镜的聚焦作用形成不利的叠加。同时，可采用低反射率或具有特殊反射特性的材料来制作反射镜，减少太阳光的反射会聚。 - 材料选择与改进
- 耐高温材料
：选用具有更高耐高温性能的材料来制作大灯的装饰框、外壳等部件。例如，采用新型的工程塑料或复合材料，它们能够在较高温度下保持稳定的物理性能，不易发生变形或融化，从而提高大灯整体的抗太阳光灼烧能力。 - 散热材料应用
：在大灯内部使用导热性能良好的散热材料，如导热硅胶、散热鳍片等，将聚焦产生的热量快速传导出去，降低局部温度。这些散热材料可以将热量从易产生灼烧的部位引导到散热性能较好的区域，如大灯的外壳表面，通过空气对流等方式将热量散发到周围环境中。 - 灯具结构设计改进
- 通风散热结构
：在大灯的结构设计中增加通风通道，使空气能够在大灯内部流通。这样可以利用空气的流动带走热量，降低内部温度，有效防止热量积聚。例如，在大灯外壳上设计散热孔，或者采用空气导流槽等结构，优化空气流动路径，提高散热效率。 - 遮阳结构设计
：在大灯外部或内部设置遮阳部件，如遮阳板、遮光罩等，阻挡太阳光直接入射到容易产生聚焦的部位。这些遮阳结构可以根据太阳光的入射角度和大灯的安装位置进行合理设计，有效减少太阳光进入大灯内部的量，从而降低太阳光灼烧的风险。 - 模拟与测试验证
- 光学模拟分析
：利用专业的光学模拟软件，对大灯在不同太阳光入射角度和强度下的光线传播和聚焦情况进行模拟分析。通过模拟，可以提前发现可能存在的太阳光聚焦问题，并对光学设计进行优化和调整。例如，模拟不同季节、不同时间的太阳光入射情况，全面评估大灯的抗太阳光灼烧性能。 - 热测试验证
：在实际产品开发过程中，进行严格的热测试验证。通过高温试验箱、太阳模拟器等设备，模拟真实的太阳光照射和高温环境，对大灯进行长时间的热测试。在测试过程中，监测大灯内部关键部位的温度变化，验证散热设计和材料选择的有效性。如果发现温度过高或存在灼烧风险，及时对设计进行改进和优化。
太阳常数
方位角
高度角
01
太阳光聚焦产生的原因
02
太阳聚焦的初步判断
目前，几大主流灯具供应商均拥有各自独特的流程与设计方法，用以规避太阳光聚焦风险。尽管具体方式有所差异，但总体上基本遵循以下步骤展开分析与研究：
- 光线追踪与焦点校核
：运用光线追踪的方法生成光锥包络，以此仔细校核在装饰框上是否会产生焦点。通过该步骤，能够初步判断大灯光学系统在太阳光入射情况下，光线的汇聚趋势以及可能在装饰框上形成的高热量区域。 - 特定高度角光锥包络制作
：针对透镜，制作高度角处于 30° - 70° 区间内的光锥包络，如图 4 所示。这一高度角范围涵盖了车辆在日常行驶及停放过程中，太阳光较为常见的入射角度范围，对该区间进行重点分析，有助于精准把握在典型工况下，光线经透镜折射后的传播与汇聚特征。 - 方位角范围光锥包络检查
：对从方位角 90 度到 - 90 度范围内的光锥包络展开检查，具体情况如图 5 所示。该方位角范围全面覆盖了车辆四周可能接收到太阳光的方向，通过对不同方位角下光锥包络的研究，能够更全面地了解光线在大灯周围不同方向入射时的聚焦特性。 - 光锥包络叠加与造型建议
：将高度角和方位角范围内所得到的光锥包络进行叠加。在与 OEM 商讨造型设计时，基于上述分析结果，向主机厂提出建议，要求装饰框的造型设计完全避开该叠加包络区域。考虑到后期生产制造过程中不可避免的误差，还需预留一定的安全余量，这无疑是最为理想的设计状态。然而，现实情况往往较为复杂。如前文所述，主机厂在进行设计时，需确保灯的造型与整车风格相协调，因此经常出现不接受甚至直接拒绝供应商提出的造型修改意见的情况。实际上，方位角和高度角所形成光锥包络产生的能量，并不一定会必然导致饰圈烧蚀。或者，也可以依据模拟得到的温度数据，通过更换耐高温材料的方式来规避太阳聚焦风险。所以，在实际模拟工作中，需要根据具体位置所对应的能量值，进行综合且精准的判断，以此制定更为合理、可行的解决方案。
03
太阳聚焦温度的判断
在光线聚集的过程中，焦点所处位置的情况对太阳聚焦风险的评估至关重要。当焦点处于空气中时，由于空气具有流动性，被加热后的空气密度减小，周围的冷空气会迅速填充，从而有效带走热量。因此，在这种情况下，我们可以认为不存在太阳聚焦的风险。然而，若焦点落在实物上，能量便会不断累积，导致温度急剧上升。聚焦点的热量能够依据热力学公式\(Q = cm\Delta t\)来计算，其中C代表比热容，它反映了物质吸收或释放热量的能力，其数值通常可由材料供应商提供；m是质量；\(\Delta t\)表示温差。对于成熟的灯具供应商而言，其手中的模拟软件一般都集成了公司常用材料的属性，在模拟过程中可直接调用，极大地提高了计算的便利性和效率。
模组透镜聚焦的计算方法
地表接收到的太阳辐射能量相对稳定，这一常数被称为太阳常数，通常取值为\(1400 W/m^2\)，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，当整个模组透镜被太阳光完全照射时，其所接收到的能量为E。考虑到一天中不同时刻太阳高度的变化，引入高度角\(\gamma\)，此时模组透镜接收到的能量\(E_1 = E\cos\gamma\)。
我们进一步假定光线的间距为Xmm，通过光线追踪技术，可以准确判断出射入模组的光线数量M以及产生聚焦的光线数量N，同时能够读出投射到装饰框上的面积S和零件的壁厚t。在不考虑能量损失的前提下，单位时间内产生聚焦的光线能量\(E_{聚}=N/M*E_1 = N/M*E\cos\gamma\)。
又因为\(Q = cm\Delta t = c * \rho * S * t * (T_2 - T_1)\)，其中Q为材料发生热变形所需要的能量，\(T_2\)为材料热变形的温度，\(T_1\)为实验前的温度。当\(Q < E_{聚}\)时，表明太阳聚焦所产生的能量不足以使材料发生热变形，即便存在焦点，其能量也相对较低，此时我们认为该设计是可行的；而当\(Q > E_{聚}\)时，则意味着太阳聚焦的能量会导致零件产生热变形，焦点处能量极高，需要对设计进行优化。
通过上述分析以及相关公式推导可知，在太阳聚焦过程中，材料的参数由材料本身的固有属性决定，属于定值，太阳常数在地球环境下同样是固定不变的。真正会发生变化的参数是产生全反射的光线数量，而影响光线数量的因素主要包括高度角、方位角以及灯具的造型。
当然，以上仅仅是太阳聚焦的简单计算方式，在实际项目中，这种计算远远不能满足复杂的实际需求。目前主流的灯具供应商都拥有各自专业的计算工具。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来说，了解到上述层面的知识，在一定程度上已经能够应对工作中常见的各种局面。
太阳聚焦风险的解决方案
在深入理解太阳聚焦的原理之后，相应的解决方案也就有了明确的方向。总体而言，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这几个方面展开。根据当前的技术水平，一般采取以下方案：
- 优化透镜结构
：将模组透镜后面的平面改为双曲面透镜，这样做可以使聚焦点更靠近透镜，进而使装饰框上的聚光点变大，能量值随之降低，有利于有效规避聚焦风险。然而，这种方案也存在一定的弊端，它会对光学性能产生影响，增加光学设计的难度。并且，这种双曲面透镜尚未经过批量验证，需要花费时间进行实际验证，以确保其性能的可靠性。 - 调整结构减少光线
：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的前提下，将模组向车身后方移动，通过这两种方式都能够减少照射到模组上的太阳光线数量，从而达到规避sunload风险的目的。 - 表面处理降低风险
：在靠近模组的装饰框表面采用镀铝的方式，这种处理方法可以有效地降低聚焦风险，通过反射部分光线，减少能量的聚集。 - 采用高耐温材料
：选用更高耐温等级的材料，如使用\(PC-HT18xx\)以上的材料、PEI，甚至采用金属材料搭配电泳工艺。这类材料虽然能够很好地规避风险，但其成本相对较高，在实际应用中需要综合考虑成本与性能之间的平衡。
如何通过实验来验证
在灯具模具件制作完成之后，灯具厂的实验工程师需要对实际产品是否存在太阳光聚焦问题进行验证。灯具厂通常会使用特定的设备来进行实验，下图展示的是某款国产设备（图片来自网络）。 （此处可补充设备相关介绍、设备工作原理、如何利用设备进行实验等内容，由于原文未提及，可根据实际情况补充完善 ）通过使用该设备模拟太阳光照射的实际情况，对灯具进行全方位的测试，观察是否出现太阳光聚焦导致的各种问题，如零件热变形、表面烧焦等现象，从而判断产品是否符合质量要求，为产品的优化和改进提供可靠的依据。
灯具厂实验流程
- 灯具安装与光源开启：灯具需稳固安装在定制支架上，设备内置的 HMI 灯泡是模拟太阳光的关键。该灯泡光谱与自然光光谱极为相似，能够模拟全球辐射。实验时，开启此灯光照射约 1 小时，不过照射时长并非固定不变，灯厂实验人员可依据实际情况与主机厂协商确定，以契合不同项目需求。例如，针对某些对温度变化敏感的特殊灯具，可能适当延长照射时间，更精准地检验其性能。
- 程序控制与实验沟通：阳光模拟程序的控制方式灵活多样，可通过手动控制单元、触摸屏或 PC 来操作。由于不同 OEM（原始设备制造商）有着各自独特的实验流程，在实验开展前，灯厂实验人员务必与 OEM 进行细致沟通，明确各项实验细节。比如，部分 OEM 对光线角度、强度变化的程序设置有特定要求，这些细节都需提前确认，确保实验严格按照 OEM 标准执行。
- 实验结果检测：完成实验大纲规定的阳光辐射时间后，实验工程师会借助红外相机进行拍摄。通过红外相机，能够清晰获取装饰圈上的温度分布情况，以此验证在研发阶段所选材料是否满足量产要求。若装饰圈某些区域温度过高，超出材料承受范围，可能预示着该材料在实际使用中存在风险，需要重新评估与选择。
- 环境温度设置：通常情况下，Sunload 实验环境温度默认为实验室温度。但鉴于灯具实际使用场景的多样性，也可根据具体情况灵活设置环境温度。比如，模拟灯具在高温沙漠地区或寒冷极地地区的使用环境，设置相应高温或低温环境，全面检验灯具在不同温度条件下应对太阳聚焦的能力。
- 问题处理与反复实验：若在实验过程中发现装饰圈出现明显损坏，实验工程师需详细记录损坏处的温度。依据实测温度，考虑更换耐温等级更高的材料。随后，再次进行实验，重复上述流程，直至装饰圈在实验中不再出现损坏或温度处于安全范围，确保灯具材料能满足实际使用需求。
主机厂实验设施与评估内容
主机厂一般配备专门的阳光实验模拟舱，这是一个功能强大的实验设备。在模拟舱内，可以精准设置各种环境参数，用于全面验证整车或者零部件在阳光照射后的性能变化。具体评估内容涵盖多个方面：
- 颜色变化评估：观察零部件或整车外观颜色在阳光照射后是否出现褪色、变色等情况，这对于车辆外观的长期保持至关重要，影响着车辆的美观与市场接受度。
- 强度变化检测：检测零部件的结构强度是否因阳光照射及温度变化而降低，确保车辆在各种环境下的安全性与可靠性。例如，汽车车身结构件在长期阳光照射后强度下降，可能危及行车安全。
- 光泽度变化考量：评估零部件表面光泽度的改变，光泽度的变化不仅影响车辆外观质感，还可能反映出材料表面的老化程度。
- 热膨胀结果分析：研究零部件因阳光照射产生的热膨胀情况，分析热膨胀对零部件尺寸精度、装配关系等方面的影响。比如，发动机舱内的零部件热膨胀可能导致部件间的间隙变化，影响正常工作。
模拟工具的重要性
通过对太阳聚焦原理以及 Sunload 问题的深入讲解，其本质与产生机理已清晰明了。对于相关工作人员而言，模拟工具的缺乏成为制约工作高效开展的关键因素。专业的模拟工具能够在实验前对灯具在不同光照条件下的性能进行模拟分析，提前预测可能出现的太阳聚焦问题，辅助材料选择与灯具设计优化。例如，利用光学模拟软件，可模拟光线在灯具内部的传播路径与聚焦情况；热模拟软件能预测不同材料在太阳照射下的温度变化。拥有这些模拟工具，可大幅减少实际实验次数，缩短研发周期，降低研发成本，提升灯具产品质量与研发效率。
文章转自 微信公众号 陈同学的车灯设计汇
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