Sviluppo di proiettori per autoveicoli: fasi e sfide del progettista

Con la dinamica esplicita, gli ingegneri possono testare i prodotti in scenari come le cadute libere, per raggiungere gli obiettivi di sicurezza e prestazioni.

Nell'industria automobilistica, l'illuminazione esterna è sempre più utilizzata per creare la firma e il marchio di un veicolo. I fari sono considerati l'occhio dell'auto e contribuiscono in modo sostanziale al suo aspetto e alla sua immagine per il consumatore finale. Di conseguenza, la progettazione dei prodotti viene presa sempre più in considerazione, in conformità con le normative governative e delle case automobilistiche per la certificazione della conformità e delle prestazioni. Le nuove tecnologie, come i LED, rappresentano anche nuove sfide di progettazione per gli ingegneri.

I proiettori per autoveicoli sono prodotti con un'elevata complessità geometrica e vari componenti, con diverse funzioni di illuminazione come anabbaglianti, abbaglianti, luci di posizione, DRL e frecce. Per ognuna di queste funzioni, ci sono componenti elettronici che lavorano in condizioni termiche variabili, influenzando di conseguenza anche i componenti meccanici dell'assemblaggio e le prestazioni di illuminazione. 

La progettazione e la certificazione sono quindi sfide importanti per l'ingegnere progettista e richiedono test ottici, termici e meccanici che analizzino il sistema nel suo complesso. La simulazione virtuale consente una progettazione più rapida, iterativa ed efficiente, generando un risultato ottimizzato a costi inferiori. La fase di validazione fisica nei test al banco avviene solo nella fase finale di progettazione, quando i test virtuali sono già stati eseguiti con i risultati previsti, evitando la rilavorazione della produzione e allungando i tempi di progettazione.

Fasi dei progetti di fari per autoveicoli:

Design ottico

Nella prima fase della progettazione ottica, è possibile modellare le superfici riflettenti di ciascuna funzione per soddisfare i criteri fotometrici della casa automobilistica. Utilizzando strumenti specifici, si definisce l'area che deve essere illuminata da ciascuna sfaccettatura del riflettore e si calcola la sua curvatura per soddisfare tali criteri. In generale, la progettazione del proiettore anabbagliante rappresenta una sfida importante, in quanto deve soddisfare standard più severi per mantenere un'illuminazione sicura e non proiettare luce indebita sui veicoli che circolano su strade opposte, mantenendo anche una buona illuminazione per gli elementi di segnalazione e la guida del conducente. La Figura 1 mostra lo strumento di progettazione della superficie riflettente, dove ogni sfaccettatura colorata rifletterà la luce in una direzione specifica determinata dall'ingegnere, e l'obiettivo ottico delle quattro sfaccettature centrali selezionate in arancione, per una funzione anabbagliante.

Fig. 1: Struttura del riflettore anabbagliante.

Simulazione ottica

Una volta creato il riflettore, viene effettuata una simulazione ottica che tiene conto delle specifiche della sorgente luminosa, sia essa una lampada alogena o un LED, e delle proprietà ottiche del sistema di illuminazione nel suo complesso, riflettore, lenti, cornice, per analizzare la propagazione della luce all'interno di questo sistema e verificare il risultato della fotometria in conformità alle normative vigenti. In questa fase è possibile notare e analizzare i raggi luminosi che vanno nella direzione sbagliata e le interferenze meccaniche che possono influenzare il sistema, oltre a verificare le prestazioni di diversi modelli di riflettore. La Figura 2 mostra il riflettore creato e incluso nel set di componenti del proiettore.

Fig. 2: Montaggio del proiettore.

È possibile analizzare l'intensità e la distribuzione della luce in base ai punti di misurazione dello standard, come illustrato nella figura 3.

Fig. 3: Fotometria secondo la norma ECE R123 per i fari anabbaglianti.

La Figura 4 mostra anche lo studio "Bird View".

Fig. 4: Vista dall'alto dell'illuminazione.

Gli studi sul colore della luce e sulla proiezione dell'illuminazione sulla strada sono molto importanti per certificare la qualità del proiettore ed evitare gli effetti dell'aberrazione cromatica dovuta alla lente, ai forti segni luminosi sulla strada e per analizzare la percezione visiva dei pedoni e degli ostacoli da parte del conducente; la figura 5 mostra gli studi effettuati.

Fig. 5: Proiezione della luce.

L'effetto della temperatura sui componenti elettronici e ottici

Una volta accettati i criteri di intensità luminosa, distribuzione e omogeneità della luce per una condizione ideale, si procede all'analisi termica dei componenti a causa del gradiente di temperatura subito dai raggi luminosi. La variazione di temperatura nel LED influenzerà anche le sue prestazioni, con variazioni nel flusso luminoso totale emesso e nella curva dello spettro luminoso, influenzando il colore della luce. La figura 6 mostra il gradiente di temperatura in un LED, nonché le curve di flusso luminoso e le coordinate cromatiche in base alla temperatura di esercizio.

Fig. 6: Prestazioni dei LED a diverse temperature.

Anche i componenti meccanici e i riflettori saranno soggetti a variazioni termiche, con conseguenti deformazioni strutturali e ripercussioni sull'intero risultato. Infine, una volta eseguite le analisi termiche e strutturali del proiettore, è possibile rifare la simulazione ottica e analizzare l'effetto sulla fotometria, come mostrato nella figura 7.

Fig. 7: Confronto dei risultati fotometrici.

Come si può vedere nella figura 7, l'intensità luminosa può cambiare drasticamente con la deformazione delle superfici riflettenti, influenzando direttamente i test di certificazione con gli standard.

Modellazione di componenti elettronici

Oltre all'influenza sull'ottica del gruppo, il gradiente di temperatura influisce anche sui componenti elettronici del proiettore e sulle prestazioni e la durata del LED. Per questo motivo, è importante convalidare e ottimizzare i sistemi elettronici e le loro temperature di esercizio modellando le schede elettroniche e i dissipatori di calore; la figura 8 mostra la risposta termica per diversi modelli di scheda.

Fig. 8: Temperatura del PCB.

Compatibilità elettromagnetica

Anche la parte elettronica del proiettore deve superare i test di interferenza elettromagnetica, in modo da non subire interferenze esterne o diventare una fonte di interferenza, causando il malfunzionamento del proiettore.
Test di questo tipo sono solitamente complessi e richiedono apparecchiature di misura specifiche in laboratorio, rendendo il processo di certificazione molto lungo e costoso. La Figura 9 mostra un modello di camera anecoica, dove è possibile rappresentare fedelmente i test di laboratorio.

Fig. 9: Struttura del riflettore anabbagliante.

Test come l'immunità irradiata, le emissioni irradiate, le emissioni condotte, i transitori di tensione e altri possono essere eseguiti virtualmente, consentendo agli ingegneri di ottimizzare i loro progetti elettronici prima della fase di produzione e validazione con prototipi fisici.

Effetti dell'irradiazione solare

Ci sono altri studi che possono essere condotti e che sono importanti per la validazione del proiettore automobilistico, che si svolgeranno in condizioni diverse, ma che possono essere tutti riprodotti virtualmente. Il trasparente del proiettore può finire per agire come una lente d'ingrandimento, focalizzando i raggi solari incidenti sul trasparente e generando zone di calore nei componenti meccanici interni, causando deformazioni strutturali in queste regioni. L'effetto dell'irradiazione solare sulle superfici interne della lunetta è visibile nella figura 10.

Fig. 10: Simulazione dell'irraggiamento solare.

Con il risultato dell'irraggiamento, si possono ottenere le risposte termiche e strutturali dei componenti meccanici, valutando i possibili danni strutturali, come mostrato nella figura 11.

Fig. 11: Risposta termica e strutturale all'irraggiamento solare.

Condensa della lente

Un altro studio importante è quello della condensazione delle lenti, il proiettore sarà soggetto a diverse condizioni esterne di temperatura e umidità, è possibile analizzare queste diverse condizioni ambientali e l'effetto causato per prevenire la condensazione e l'appannamento delle lenti. La Figura 12 mostra un confronto tra i fenomeni modellati al computer e quelli su una parte fisica.

Fig. 12: Condensa nella simulazione virtuale e nella prova al banco.

La geometria della lente e la disposizione dei componenti interni del proiettore influenzano il movimento dell'aria e favoriscono o ostacolano la prevenzione della condensa. Il movimento dell'aria per convezione naturale dovuto alla temperatura del LED è una delle situazioni che possono verificarsi.

Vibrazioni meccaniche

Il comportamento vibratorio di un proiettore deve essere analizzato in fase di progettazione, per evitare al conducente qualsiasi disagio visivo dovuto alle vibrazioni del proiettore durante la guida. Inoltre, è necessario rispettare le specifiche di vibrazione delle case automobilistiche ed evitare fenomeni di vibrazione come la risonanza.

La simulazione virtuale consente di risolvere i problemi di frequenza e di resistenza al carico in fase di progettazione, in modo da ottenere una maggiore fiducia nel prodotto prima della fase di validazione con test fisici. La Figura 13 mostra l'analisi modale per la prima frequenza del faro.

Fig. 13: Analisi modale.

Allo stesso modo, è necessario prevedere la risposta meccanica dei componenti elettronici ai carichi di vibrazione e la loro durata, come illustrato nella figura 14. 

Fig. 14: Analisi delle vibrazioni dei componenti elettronici.

Simulazione della visione umana

Come accennato all'inizio, l'aspetto finale del proiettore è molto importante nel design dei fari automobilistici e sarà anche richiesto dalla casa automobilistica. Per questo motivo le analisi dell'aspetto finiscono per essere fattori chiave nell'approvazione e nella convalida del prodotto per la fase di produzione.

Le simulazioni dell'aspetto vengono effettuate per verificare la percezione visiva dell'occhio umano per un determinato punto di vista, valutando così le problematiche relative alle prestazioni illuminotecniche e al design del prodotto. La figura 15 mostra una simulazione della visione umana nei casi in cui le funzioni di illuminazione sono attivate o disattivate.

Fig.15: Simulazione dell'aspetto.

La possibilità di visualizzare il prodotto finale prima di qualsiasi fase di produzione si rivela molto preziosa, in quanto consente all'ingegnere di valutare le prestazioni visive in diverse condizioni di illuminazione, come un ambiente notturno o nebbioso, e di verificarle da diversi punti di vista, valutando l'omogeneità della luce in queste situazioni.

Illuminazione con la realtà virtuale dinamica

Le simulazioni che utilizzano la realtà virtuale nella progettazione dei fari automobilistici consentono di analizzare le prestazioni luminose dei fari in scenari dinamici con proprietà ottiche basate sulla fisica. In questo modo è possibile verificare i "casi limite" attraverso l'ambiente virtuale, accelerando e facilitando il processo di sviluppo e riducendo i costi di collaudo dei prototipi. Sono molte le analisi possibili utilizzando la realtà virtuale:

• Tour notturno virtuale per verificare l'illuminazione in situazioni dinamiche
• Controllo delle norme di sicurezza del traffico
• Design intelligente dei fari con illuminazione adattiva
• Integrazione di sensori per test e convalida
  
  

Le nuove tecnologie che compaiono nei fari automobilistici, come l'illuminazione adattiva, i sensori delle telecamere e i lidar, finiscono per poter essere sviluppate virtualmente, stimolando l'innovazione tecnologica.

Fig.16: Simulazione dei fari adattivi, guida notturna e telecamera.