透镜结构的电动自行车照明装置的标准光学单元研制
时间：2023-06-19 20:35:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
曾彦凯，张佳茜，卢 鼎，华思昊
（浙江方圆检测集团股份有限公司，浙江 杭州 310018）
电动自行车因其低碳、经济、节能和便捷而深受欢迎。发展至今，中国已成为全球最大电动自行车生产和消费国，年产量和消费量占世界总产量和消费量的比重均超过90%。据统计，截至2018 年末我国电动自行车社会保有量已超过2.5 亿辆。随着电动自行车的广泛使用，电动自行车所产生的人车矛盾进一步加剧，道路交通安全问题越来越严重，因电动自行车的质量问题所引发的各类事故也屡见不鲜[1]。
照明装置作为电动自行车的眼睛，同时也作为电动自行车整车的关键零部件之一，其GB/T 31887.1-2019“自行车照明和回复反射装置第1 部分：照明和光信号装置”于2020 年5 月1 日正式实施。意味着今后电动自行车强制性认证对该项目有了新的要求，而新标准相较于老标的技术要求有着更为严格的要求。对光学设计的难度和生产上的精度要求较高，因此如何针对在保持产品一致性的同时降低生产及维护成本显得尤为重要。新标准的出台和实施，从技术层面上为行业设立门槛，倒逼全行业向高端化调整，进一步推动了整个行业集中度的提升。
在研究照明装置配光性能的影响因素的基础上，设计一种标准光学单元，该类型光学单元可满足标准的规定要求，且其通用性强、一致性好，适用于透镜类照明装置的量产。
通过配光软件按标准要求进行配光设计。因坐标点和坐标区域均有不同要求，需按照标准GB/T 31887.1-2019 规定进行前期配光设计，具体标准要求见表1，近光对光图谱详见图1。
图1 近光灯测量和对光图谱
表1 GB/T 31887.1-2019 对近光和远光功能的配光性能要求
依据配光软件设计数据及透镜类型制作试模件（透镜型，亚克力材质），对试模件进行配光性能检测并获得测试数据，分析比对各配光点、配光区域的测试值，优化配光软件中的设计数据，并以此为依据重新调整试模透镜，最终使其配光性能满足规定要求。依据GB/T 31887.1-2019 的配光要求，通过配光软件设计前期配光数据，近光和远光功能的配光图谱具体分布详见图2。
图2 近光和远光功能的配光图谱
2.1 初次配光数据及检测结果与分析
由图3 可知，HH 线以上区域最大照度设计值为0.5 lx，A 点照度设计值为40 lx，其余点位和区域按照标准规定进行相应设计。根据配光软件设计数据进行制作试模A（图3），对其进行相应的配光性能检测。测试结果见表2。
表2 试模A 的近光和远光功能配光性能检测数据
图3 照明装置试模A
分析试模A 的检测结果，可发现大部分的配光点和配光区域的照度值符合标准规定要求，但还有若干配光点和配光区域的照度值不能达到标准规定要求，主要问题点在于：
（1）从近光功能的数据中发现：在4°D 以下和4°L 以及4°R 之间的区域（以下称为区域B）的测试值为42.16 lx，该值超过EA 值（41.48 lx），不符合标准规定。可能是因为：近光检测区域中3°和4°线之间和在垂直线左右4°之间的区域（以下称为区域A）范围较小，在实际生产中将光源的光照集中于区域A存在较大的难度，透镜的材料、光源的类型及透镜的生产过程都会影响照明装置的配光性能。若控制不好光源的折射效果容易导致区域B 中与区域A 的过渡边缘的照度大于A 点照度值，导致试模A 不符合标准规定要求；
（2）从远光功能的数据中发现：A1 和A2 点照度值分别为38.22 lx 和33.90 lx，未达到HV 点的照度值一半以上（EHV＝86.62 lx）。可能是因为：A1、A2 两点与HV 点间隔较宽，分别为4°L 和4°R，左右相距的球面角达到8°，增大了前期配光的难度，提高了对照明装置的配光要求。这就需要将远光光源所发出的光通过透镜的折射扩大光斑宽度，同时还需保证光斑照度的均匀性，从而保证4°L 和4°R 的照度值不小于EHV；
（3）近光光型与远光光型的HV 点未一致重合。标准要求在近光功能测试结束后，不需移动位置进行远光测试，其测试结果仍需符合远光要求，而试模A 在测试时还需要调整测试位置以保证EHV点接近原配光设计值。该要求是标准规定的技术要求中最难实现的，需要近光光斑和远光光斑相互结合，严格控制好两者的HV 点位置一致。
基于上述三点不合格点及区域，对测试数据进行重新分析和配光性能优化，对试模A 的透镜结构进行修改[2-5]，主要方法为：
（1）优化透镜结构和发光光源，修改对光源发出的光的折射角度，将最亮光区域设置在区域A 中，同时，区域A 和区域B 之间的过渡区域应有较大落差，以避免区域B 的照度值大于EA值；
（2）修改透镜结构，加大远光光源的折射角度，扩宽远光光斑的宽度，以达到远光光斑的宽度至少达到4°L 和4°R；
同时提高光斑亮度的均匀性，远光光斑应无明显锐减区域、无明显的暗明分界；
（3）根据测试结果可发现远光HV 点在近光HV点之上，故调整透镜结构，降低投射角度，缩小远近光斑之间的距离，使两者达到基本重合；
（4）对比各个配光点和配光区域的前期设计值与实际测量值的差异，在修改时注意合理放宽容错范围，降低因生产工艺等因素对测试结果的影响。
2.2 优化配光数据及检测结果与分析
依据上述4 点修改方法对透镜及光源进行重新修改，并优化配光参数及配光图谱，具体配光点设计数据和配光图详见表3 和图4。
表3 修改后的配光参数数据
图4 修改后的近光和远光功能的配光图谱
依据上述优化后的配光设计数据进行制作试模B。对试模B 进行配光性能检测，具体测试结果见表4。依据测试数据可发现修改后的试模B 的配光性能可以完全满足规定要求。以该光学单元为标准光学单元，对其进行开模量产并作为光源应用于不同型号的照明装置。
表4 修改后试模B 的近光及远光功能检测数据
2.3 量产产品的结果与分析
以试模B 的光学单元作为标准光学单元，将其应用于不同型号的照明装置。进行批量生产后，制作出不同型号的电动自行车照明装置，记为样品1、样品2及样品3，见图5。分别测试3 个样品的配光性能数据，详见表5。
图5 照明装置样品1、样品2 和样品3
通过表5 的测试数据可以发现，采用该类结构的光学单元作为光源的照明装置，经批量生产后可得不同型号的样品1、2 和3 的配光性能数据较为接近，符合批量生产的一致性要求，该透镜结构的光学单元可用于不同类型的照明装置，即可提高透镜结构的光学单元通用性。
表5 样品1、2、3 的近光及远光功能检测数据
未进行前期配光设计的照明装置产品其配光性能很少能符合新标准规定的技术要求；
对比已进行配光设计的照明装置产品，其配光性能虽然可以符合新标准规定的技术要求，但其产品生产一致性并不能很好地保证，后期装配工艺等因素也会影响实际量产产品的配光性能。本试验所制的试模B（透镜型结构）可为相关生产企业提供标准通用光学单元，能够降低生产过程中由于外界影响产品的配光性能，同时还可节省相关企业的研发成本，缩短研发周期；
加快电动自行车产品的研发周期，为促进行业的产业升级可起到积极作用。
本实验通过前期配光，研制出一套完整的透镜结构的光学单元，该光学单元可符合标准GB 31887.1-2019 的近光及远光的配光性能规定要求。同时，该光学单元可应用于批量生产不同车型、不同型号的电动自行车前灯，具有通用性强及光学一致性高的优点。该透镜结构的光学单元的研制可节省光学单元的研发成本，同时还能加快整车企业的新车型、新型号的更新迭代，有效地促进电动自行车行业的产业升级。
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