汽车车灯轻量化技术研究

李祥兵，王春才，肖义武

（神龙汽车技术中心，湖北武汉 430050）

汽车车灯轻量化技术研究

李祥兵，王春才，肖义武

（神龙汽车技术中心，湖北武汉 430050）

从车灯结构优化设计、车灯材料优化设计、车灯工艺设计和新技术应用等4个方面论述车灯轻量化设计现状和趋势。

轻量化；节能减排；结构设计

当前，为满足节能环保的要求，汽车轻量化已成为全球汽车产业发展的潮流。试验表明，汽车质量每减轻10%，汽车油耗可以下降6%～8%，汽车排放下降4%［1－2］，因此，轻量化对汽车节能减排具有重要的现实意义，并已成为当前汽车产业竞争的主要方向。

汽车轻量化的完全实现，需要材料技术、轻量化结构优化设计技术、轻量化绿色制造技术等3个方面同步进步，是材料、设计和加工成形技术等多方面的集成。而汽车灯具作为汽车重要外观，安全和法规零件，相对于几十年前的车灯，虽然目前大部分已经采用了密度相对较低的塑料件，在轻量化方面已经迈出了重要的步伐，但对于LED前照灯，氙气前照灯等以及带有一些附属机构如AFS的前照灯，其质量仍然处于超标的状态。减轻灯具自身的质量，虽然相对于整车来说，贡献量较小，但对于降低灯具的成本以及减少整车的质量仍具有重要的现实意义。表1所示为IFEU汽油减重和燃油经济性数据。

表1 IFEU汽油减重和燃油经济性数据

1 车灯轻量化发展历史

自1906年世界第一次采用蓄电池给电灯泡供电之后，汽车信号照明光源先后经历了煤油灯、乙炔灯、白炽灯、钨丝灯，到现在第4代氙气灯，以及目前技术正逐步走向成熟的LED灯。汽车照明光源演变如图1所示。随着技术的进步，光源单位瓦特的流明值也出现了很大的飞跃。随着汽车软件和制造技术的进步，以及客户对整车造型的新型需求，汽车灯具的造型也逐步由最初的孤立的圆筒形造型，发展到当前完全依靠自由曲面构造的丰富造型。

从材质和结构上看，灯具也从以前相对较为笨重的金属煤油灯、金属或陶瓷电灯、玻璃灯具发展到目前的塑料灯具，从以前单光源单功能的灯具，发展到集成了多个照明和信号及辅助功能的灯具。

可以说，灯具的轻量化技术，在光源、造型及结构整个演变和发展过程中，也不断趋于完善。但也由于上述的演变，使得车灯的设计更加复杂，而轻量化的前景并不乐观。比如，对于当前市场上呼声很高的LED前照灯，尽管相对卤素前照灯与氙气前照灯而言，有一些无法匹比的优势（比如亮度更高，更加环保节能，造型更加多样化，光源寿命更长），但由于LED模组及相应的控制结构本身比较沉重，导致整个前照灯的质量往往会超标，这对实现整车零件的轻量化实际上是一个难以逾越的技术瓶颈。

图1 汽车照明光源演变

2 车灯性能要求

车灯是为车辆前行或后退提供照明和信号的装置。一般来说，对车灯关键性能的要求包括：光学性能、密封性能、强度要求、耐热要求、可靠性要求。

1）光学性能光学性能是车灯最核心的性能，它直接反映了车灯的照明和信号水平。该性能主要由光源模块以及车灯本身的造型结构决定。光源一旦选定，其相应的光学性能也基本确定，光源模块本身的质量也基本确定。由于光学模块对车灯的质量本身占有很大的比重，因此，选用更加轻质的光学模块对车灯的轻量化有重要作用。

2）密封性能由于车灯是光学和电器零件，为防止漏电、零件锈蚀等问题发生，需要对灯具进行密封。密封装置本身对车灯质量增加没有太大比重，但是灯壳的设计往往需要兼顾车灯的密封性能，就需要对车灯灯壳进行特别设计，这样灯壳的质量也会有所增加。

3）耐热要求对于卤素前照灯，由于其光源功率通常比氙气前照灯和LED前照灯要高，因此，出现耐热风险的几率要比氙气前照灯或LED前照灯更大。而通常解决车灯的耐热问题的主要方法，是增加金属隔热板（对LED前照灯，也可能是增加风扇），或者更换耐高温或热固性材料，这样整个前照灯的质量也将相应增加。

4）可靠性要求可靠性要求包括寿命、自身功能运转的有效性以及被动安全如行人保护等。对于水平和高度调节，要保证功能的有效性，就需要在某些运动部件上采用加强结构。而对于行人保护，需要对车灯结构设计一些特殊的结构如保护支架等，这也会导致车灯的质量增加。

3 车灯轻量化的技术策略

汽车轻量化已经成为汽车工业发展的一个关键性课题。结构优化、尺寸优化、新材料利用及新工艺等都是轻量化实施的重要途径。目前关于轻量化实施途径的相关研究较多，但是轻量化理论体系及轻量化途径的相关分析流程需要进一步完善。

LED车灯轻量化技术本身所使用的是现代化的设计方法，以及较为高效的措施来针对车灯进行优化设计，或者是采取新的材料来尽可能确保车灯各项性能。在法规符合标准的情况下，尽可能地使汽车车灯产品自身的质量大幅度降低，以便汽车车灯能够在环保、降耗、减重、安全等多方面都做到最好。车灯轻量化技术优化方向如图2所示。

图2 车灯轻量化技术优化方向

3.1 合理设计结构

在结构设计上，主要涉及到以下3种措施来达到LED车灯轻量化的目的：结构尺寸优化、车灯形状优化和多学科优化等。

结构尺寸优化是汽车轻量化优化最为成熟的一种方法。它一般以车灯零部件的壁厚、加强筋的数目以及零件的拆分数目作为设计变量来进行优化，以满足不同工况下的强度、刚度、振动和其他关键性能作为约束条件，以结构质量最小为目标函数来构建优化模型。

车灯形状的优化是通过改变车灯结构的整体或局部外形，使得结构受力更加均匀，从而更加充分地利用材料。通常而言，车灯形状优化的方法主要有两种：对于比较规则的几何外形结构，可以将结构的几何外形参数化，从而将形状优化转化为尺寸优化问题。但对于当前具有复杂造型的车灯而言，车灯本身具有更多不规则的几何外形，此时很难采用参数来描述几何外形，因此无法将其转换为尺寸优化问题。针对这种情况，目前广泛采用不需要尺寸参数的无参形状优化方法。但这种方法目前还只是在车身上使用过，对汽车灯具还并未涉及。比如，Shimoda和Tsujir采用无参形状优化方法对汽车主承力梁减重孔形状进行优化设计，在满足强度约束条件下有效减轻了结构质量［3］。方剑光等通过定义白车身主要梁结构截面的形状变量，结合Kriging近似模型技术，对白车身进行包括轻量化的多目标优化，取得较好结果［4］。这种思路也可以在灯具的设计优化中借鉴。

通过这两方面的措施，能够使汽车车灯自身注塑零件质量大幅度下降，同时还可以针对车灯灯壳的强度、刚度等加以优化。最大限度地保证汽车车灯自身关键性能满足要求的情况下，使得自重大幅度下降，最终达到轻量化的目的。这是实现汽车车灯轻量化技术的关键。

3.2 优化车灯的材料

当前车灯所使用注塑件材料主要有PC、PMMA、PBT、BMC等，如表2所示。这几种材料都属于比较轻质的材料，密度均在1.5以下，单纯从注塑件产品来看，实现灯具的轻量化改善空间不大。

表2 汽车车灯主要材料和性能

在LED前照灯中，采用的LED模组尺寸都相对较大，该模组是由金属件、玻璃件等构成，而模组本身带有很多的金属散热片，甚至是风扇结构，这些结构的材料一般都是密度较大的材料。要实现灯具的轻量化设计，就需要从LED模组的结构优化着手，以达到减重的目的。对于卤素前照灯，其质量主要来自于金属件比如支架，尽量减少金属零件的数目，或者采用其他非金属材料零件，达到减轻质量的目的。对于氙气前照灯，由于其车灯光源的光通量大，相应的附属装置比如水平调节、自动高度调节也会相应配备，另外，由于自身有镇流器这样的电子件，因此质量也会增加很多。要优化车灯的质量，就需要从上述零件的材料作为突破口，在满足自身的关键性能的前提下，尽可能采用比较轻质的材料。

3.3 优化车灯的工艺

车灯的工艺主要有注塑、镀铝、焊接、固定、装配等。车灯所需的工艺不同，相应的结构也应有很大的差异。比如，采用螺钉固定的方式，就需要相关的固定凸台以及相应的加强筋，来保证打螺钉区域的强度。而螺钉本身是金属零件，其质量要比普通塑料制品要高。注塑工艺目前比较流行的有双色、三色甚至更多。零件注塑颜色的增多，相应的零件某些区域的厚度也将增加，零件的质量也因而增加，因此，在满足造型需求的前提下，尽量减少注塑的层数，对车灯的轻量化设计具有重要意义。镀铝工艺主要可以分为全部镀铝和局部镀铝，在满足镀铝面反射率的前提下，适当控制镀铝层的厚度，并选用局部镀铝的方式，对降低镀铝工艺对车灯质量的影响具有一定的意义。当采用不同的焊接方式，如热板焊接、超声波焊接或激光焊接，甚至采用涂胶工艺时，焊接区域的结构是不同的。有些焊接工艺需要比较大而宽的产品焊接脚，在这种情况下，灯的质量也会增加。因此，选用适当的焊接方式，也可以降低车灯的质量。

3.4 采用新的车灯技术

一直以来，汽车灯具就被分为机、电、光、热等四大部分。而灯具的散热系统无论如何变化，始终都摆脱不了传导、对流、辐射三大要素。要想在解决上述四大关键性能问题的同时，降低车灯自身的质量，采用新的车灯技术也势在必行。对于车灯技术而言，目前比较流行的是：LED光源模组，使用这种光源最大的好处是光学性能的改善，而且不会有注塑件的耐热问题。但这种光源的结构相对较为复杂，模组质量也较大，需要对相关的支架进行优化，以降低灯具的质量。车灯的下一代光源激光LED光源和OLED或者开发更小功率的近远光LED模组，将是车灯减重的重要措施。目前Philips公司正在努力推广，将LED电路设计成灯泡座的结构，对降低车灯的质量也具有重要作用。

4 某一车灯轻量化的研究进展

根据上述车灯轻量化的思路，对神龙公司某一车型的前照灯进行了尝试，主要从结构设计、材料选择和使用、焊接方式、光源的选择方式等都进行了适当的优化。

下文是神龙公司某车型前照灯项目所采用的轻量化研究方向。

4.1 光源的选择

LED前照灯，从光源的选择方面，根据GB 4785规定，如果光源的光通量大于2000lm，就必须增加前照灯清洗装置。为保证车灯和整车的开发成本，并满足法规的需求，同时也为了减轻整车的质量，在前照灯近远光光源选择方面，在客户无抱怨的前提下，尽可能选用光通量小于2000lm的LED光源。不同LED模组带来的设计差异见表3。

表3 不同LED模组带来的设计差异

4.2 结构设计

主要从机械结构和电路设计两个方面来进行优化。

1）机械结构方面在满足机械强度的情况下，对灯壳上一些不必要的加强筋结构进行了优化，另外也适当控制灯壳的厚度。在灯壳的厚度控制方面，可以在材料选型与厚度方面找到平衡点。比如，对于LED前照灯，由于LED模组本身质量较大，因此要求灯壳的强度较高，此时可以选用带玻纤的材料（比如PD GF30），这种材料的硬度本身较大，若选用这种材料，灯壳的厚度就可以适当降低。

在灯体内的零件拆分方面，该前照灯在设计之初采用了3个过度盘来满足造型和工程需求，后经过优化决定采用2个过度盘来满足造型设计需求。

2）电路设计方面对该车型的日间行车灯的电路进行了优化，之前设计采用了DC－DC的芯片式控制结构，电路板较为沉重。后来优化为线性电路的方式，整个电路板的质量和成本都有所降低。

4.3 材料选择

该前照灯也进行了好几轮优化，结果如下：在前期设计阶段，对于主过度盘，主要采用HT－PC材料以满足耐热性能的要求，随着后期对造型和结构的优化，相应的各个零部件的材料也进行了适当的优化。某项目车灯优化后的材料清单见表4。

表4 某项目车灯优化后的材料清单

4.4 工艺和造型

该前照灯采用了单色注塑工艺。单色注塑相对于双色注塑方式，美学价值稍有降低，且存在一些外观缺陷，解决不好就会引起客户的抱怨。为解决这些问题，在前照灯外透镜的设计过程中，在透镜的内表面，机罩、翼子板和保险杠区域的内表面，均增加了皮纹工艺，以降低外透镜在这些区域的可视度，最大限度地弱化内部结构可视问题或其他外观缺陷。相对于双色和三色注塑透镜，单色注塑透镜的质量可降低20%左右。

4.5 车灯配置

由于该灯具本身的配置较高，采用了动态高度自动调节，使得前照灯的近远光高度能随着车身的运行姿态随时进行调节。为考虑开发成本，将动态高度调节变化为静态自动高度调节。静态自动高度调节电机对车灯的成本降低和减重均具有一定的作用。

5 车灯轻量化实施策略和评价准则

根据上述研究实践，通过调查目前所开发车型车灯，并结合前面所述车灯轻量化的优化方向，提出以下车灯轻量化策略实施优先级别，如图3所示。

图3 车灯轻量化策略实施优先级

为了更直观地衡量车灯轻量化等级，在调查当前所开发车型车灯的基础上，根据整灯相对面密度（车灯的质量与表面积之比）值将车灯分为1到5级，其中等级越高，则车灯的轻量化水平越高，具体划分如表5所示。

表5 车灯轻量化评价表

6 结论及展望

由于目前整车的轻量化设计主要集中在车身，如车门、底盘、车架等金属件，且车灯被广泛认为是一个塑料零件，因而很少涉及车灯的轻量化设计。但从目前的发展趋势来看，车灯特别是LED灯具的设计，对质量的要求越来越高，因而对车灯的减重也是势在必行。从上文分析中，至少可以从以下几个方向来进行努力。

1）优化车灯本身的结构（如尺寸和形状）。对尺寸相对较大的零件（如灯壳、外透镜和过度盘），尺寸和形状优化对减重收益相对较为明显。

2）采用新型的光源技术。目前国际知名光源公司Philips和Osram分别竞相推出可更换式的LED光源，其外形结构类似于目前的卤素灯泡结构，但其寿命相对卤素灯泡更长。整个灯泡座采用特殊的轻质材料构成，可防水、耐高温，且抗震性能好，亮度更高，也更节能。汽车灯具采用这种新型灯具后，其光源模组的质量将大大减少，这对减轻整个前照灯的质量具有重要的现实意义。另外，采用OLED可以更好地节能，极轻质量。目前该光源仅仅只是用在内饰氛围灯中。随着科技的进步，该光源也将使用在前照灯和尾灯的照明和信号领域，对提高整个灯具的使用寿命，提供产品本身性能以及减少灯具的质量，有很大的好处。

3）优化车灯的注塑、镀铝工艺以及相关的配置。采用新的技术，但成本会有一定程度上升。

车灯轻量化还要根据各个不同车型项目、不同现实条件来确定优化方向。比如双色注塑是某一车型前照灯的造型因素，或某一种车灯配置代表了该车型项目的高科技水平，就需要权衡二者的关系并进行取舍，或寻找其他途径来实现车灯减重。

［1］沈建东，王镝.车身轻量化技术策略的研究与运用［J］.上海汽车，2012（6）：42-47.

［2］应善强，张捷，王景晟，等.汽车轻量化技术途径研究［J］.汽车工艺与材料，2010（2）：1-4.

［3］Shimoda M，Tsuji J．Shape optimization for weight reduction of automotive shell structures subject to a strength const raint［R］．SAE Technical Paper，2007-01-3720．

［4］方剑光，高云凯，王婧人，等．基于网格变形技术的白车身多目标形状优化［J］．机械工程学报，2012，48（24）：119，126．

［5］B25 7110 STN front face Lighting and signaling of headlamp and additional headlamps PSA specification. 2015.

［6］李军，陈云霞，孙卫健，等.乘用车轻量化评价方法研究［J］.汽车工艺与材料，2014（9）：1-5.

（编辑 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，硕士，工程师，主要研究方向为车灯开发设计；王春才，男，工程师，灯具专业牵头人，从事灯具开发15年；肖义武，男，工程师。