車燈用玻璃透鏡的定位裝配方法分析與驗證

嚴 帥，昌 進，丁 浩

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇 常州 213000)

引言

隨著汽車工程及光學技術的不斷完善，高性能的非球面光學透鏡以其更好的光學性能和更高的成像質量已在汽車領域得到了廣泛的應用，同時其制造精度的要求也越加嚴格[1，2]。傳統玻璃透鏡加工通常需要經過斷料、倒角、粗磨、精磨、拋光、磨邊等多道工序[3]，很難控制透鏡的尺寸均勻性，下盤后機械應力變形也會影響透鏡精度，而且制造周期較長，難以實現口徑與厚度比很大的玻璃透鏡的制造，無法滿足迅速發展的行業需求[4]。玻璃熱模壓成型技術以其生產周期短、產品加工精度高及成本低廉的優勢，逐漸成為制作汽車燈具玻璃光學件的主要工藝技術[5，6]。常用車燈玻璃透鏡固定機構是將透鏡在支架上定位后，再用固定圈將透鏡壓在支架上固定。由于增加了前照燈自身重量，進而提高了前照燈固定點的承重和緊固件松動的風險，增加了前照燈失效系數，使得故障增多[7]。

基于上述非球面玻璃透鏡的制造工藝先進性與透鏡裝配定位的不足，本文簡單介紹了熱模壓成型技術下的玻璃透鏡設計方法，分析了汽車燈具中玻璃透鏡的安裝及定位方式，建立了透鏡定位分析的數學模型，為車燈用玻璃透鏡的設計提供了寶貴的經驗。

1 熱模壓成型技術

1.1 成型工藝

玻璃透鏡的模壓成型技術工藝較為繁雜，首先需將配置好的玻璃棒料放入軟化爐中高溫加熱至軟化狀態，隨后將棒料置于模具(模具具有一定的溫度)中成型。因成型過程中發生了劇烈的溫度變化和形狀變化，成型后的透鏡需進行去應力退火才能得到性能穩定的產品，產品工藝流程如圖1所示。

圖1 產品工藝流程圖Fig.1 Product process flow chart

1.2 玻璃材質與性能

玻璃透鏡作為前燈光學系統的關鍵部件，表面應潔凈，無雜料、毛刺、氣泡、劃痕等外觀缺陷，還應具有良好的耐磨、耐腐蝕及耐輻射性能。裝入整燈后，其光色與配光性能要求需滿足GB 4785—2007的相應要求[8]。表1列出了目前兩種常用車燈級玻璃材料，可參照表中相關性能選擇與設計相符的玻璃材料。

表1 不同玻璃材料性能一覽表Table 1 Performance list of different glass materials

2 玻璃透鏡設計方法

2.1 透鏡設計

玻璃透鏡關鍵參數設計如圖2所示，其設計值見表2。

圖2 玻璃透鏡參數Fig.2 Parameters of glass lens

表2 玻璃透鏡設計參數要求Table 2 Requirements of glass lens parameter

2.2 透鏡裝配方案設計

2.2.1 玻璃卡扣安裝方式

透鏡與其配合件可采用卡扣連接的方式，利用金屬彈簧卡扣形變產生的夾緊力，將玻璃透鏡與配合件牢牢連接。圖3中玻璃上的透鏡臺階高度h需根據玻璃卡扣的尺寸定義。建議h取值1.5～2 mm，根部厚度t取值1.5～2 mm。

圖3 玻璃卡扣設計圖解Fig.3 Graphic design of glass buckle

2.2.2 直接卡接方式

透鏡與其配合件也可直接卡接。如圖4所示，透鏡從配合件后方向前推入與卡腳卡接。卡腳數量與透鏡的形狀及外形尺寸關系見表3。配合件卡腳卡接面傾斜角度推薦β=15°～20°，卡接量Δ與配合件材料有關，推薦值見表3。

圖4 支架卡接方式圖解Fig.4 Illustration of bracket clamping mode

表3 透鏡卡腳數量及卡接量推薦表Table 3 Recommended for number of lens pins and clamping amount

2.3 定位方法設計

2.3.1 定位方式分析

在透鏡設計中，透鏡與配合件的定位可采用銷孔定位的方式，定位銷數量一般為3個，如圖5所示。對于玻璃透鏡，此種方法并非最佳。因玻璃透鏡成型工藝的特殊性，在透鏡翻邊上開豁口作為定位孔，降低了透鏡的良品率。為提高玻璃透鏡的良品率，在透鏡設計前期就需考慮玻璃透鏡結構的完整性，應盡量避免在透鏡上開豁口。

圖5 銷孔定位方式Fig.5 Pin and hole positioning mode

鑒于以上玻璃成型的特征，在結構設計時，多采用透鏡邊緣與配合件多點接觸以實現定位。如圖6為某前照燈模組玻璃透鏡(方形)與支架的定位方式示意圖。設計中，采用了多點接觸的定位方法，其中：圖6(a)中，上方的2個點(圓圈中的凸臺)限制了Z向的自由度，左側的2個點限制了Y向的自由度，其余四個點分別作為這限制兩個方向自由度的輔助定位點；圖6(b)中，X向的定位則是采用4個均勻分布在透鏡配合件翻邊上的點完成，其中三個為主定位點，另外一個為輔助定位點。綜上所述，其定位方式符合6點定位：3+2+1的設計原理，滿足透鏡的定位設計要求。

圖6 透鏡定位示意圖Fig.6 Schematic diagram of lens positioning

2.3.2 定位誤差分析

對于圓形透鏡，限位筋數量及定位間隙對其定位精度有較大影響。根據透鏡與其配合件的實際定位方式，建立定位誤差分析的數學模型。如圖7所示，圖中黑色短線代表限位筋，限位筋的數量為n；黑色圓圈為透鏡裝配后的理論位置，其邊緣與限位筋的間距為b。由于定位間隙的存在(設計時為避免裝配失效，一般定位間隙會設置在0.05～0.1 mm之間)，當透鏡安裝后會在配合件內產生晃動，圖7中給出兩種極限情況下的透鏡位置，如極限位置1與極限位置2，此情況假設定位筋均勻排布。在兩種極限位置下的透鏡最大位移為d=2ΔL，其計算公式推導過程如下：

圖7 定位誤差分析圖Fig.7 Diagram of positioning tolerance analysis

(1)

從公式上可以看出：間隙b對最大位移d影響最為顯著，且二者呈正比例關系，定位間隙越大，最大位移越大；限位筋的數量對最大位移的影響在于：n越大，d越小，且當n趨向于正無窮大時，dmin=2b。

綜上分析，對于透鏡與配合件的定位間隙建議b=0～0.05 mm，限位筋數量建議n=6～9。

3 結論

1)模壓成形技術以其工藝過程簡單，可加工復雜表面的非球面透鏡，已成為非球面玻璃透鏡加工領域中重要工藝之一，其研究和應用前景廣闊。

2)通過玻璃透鏡設計方法及定位方式的理論探討，證實了車燈用玻璃透鏡的優點與實用性。

隨著LED光源在汽車燈具的普及，透鏡模塊在前燈的應用也愈加廣泛。未來的幾年內，玻璃透鏡的諸多優勢必將導致其在汽車前燈的市場占有率得到快速提升。