车灯用玻璃透镜的定位装配方法分析与验证

时间：2024-07-28

严帅，昌进，丁浩

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213000)

引言

随着汽车工程及光学技术的不断完善，高性能的非球面光学透镜以其更好的光学性能和更高的成像质量已在汽车领域得到了广泛的应用，同时其制造精度的要求也越加严格[1，2]。传统玻璃透镜加工通常需要经过断料、倒角、粗磨、精磨、抛光、磨边等多道工序[3]，很难控制透镜的尺寸均匀性，下盘后机械应力变形也会影响透镜精度，而且制造周期较长，难以实现口径与厚度比很大的玻璃透镜的制造，无法满足迅速发展的行业需求[4]。玻璃热模压成型技术以其生产周期短、产品加工精度高及成本低廉的优势，逐渐成为制作汽车灯具玻璃光学件的主要工艺技术[5，6]。常用车灯玻璃透镜固定机构是将透镜在支架上定位后，再用固定圈将透镜压在支架上固定。由于增加了前照灯自身重量，进而提高了前照灯固定点的承重和紧固件松动的风险，增加了前照灯失效系数，使得故障增多[7]。

基于上述非球面玻璃透镜的制造工艺先进性与透镜装配定位的不足，本文简单介绍了热模压成型技术下的玻璃透镜设计方法，分析了汽车灯具中玻璃透镜的安装及定位方式，建立了透镜定位分析的数学模型，为车灯用玻璃透镜的设计提供了宝贵的经验。

1 热模压成型技术

1.1 成型工艺

玻璃透镜的模压成型技术工艺较为繁杂，首先需将配置好的玻璃棒料放入软化炉中高温加热至软化状态，随后将棒料置于模具(模具具有一定的温度)中成型。因成型过程中发生了剧烈的温度变化和形状变化，成型后的透镜需进行去应力退火才能得到性能稳定的产品，产品工艺流程如图1所示。

图1 产品工艺流程图Fig.1 Product process flow chart

1.2 玻璃材质与性能

玻璃透镜作为前灯光学系统的关键部件，表面应洁净，无杂料、毛刺、气泡、划痕等外观缺陷，还应具有良好的耐磨、耐腐蚀及耐辐射性能。装入整灯后，其光色与配光性能要求需满足GB 4785—2007的相应要求[8]。表1列出了目前两种常用车灯级玻璃材料，可参照表中相关性能选择与设计相符的玻璃材料。

表1 不同玻璃材料性能一览表Table 1 Performance list of different glass materials

2 玻璃透镜设计方法

2.1 透镜设计

玻璃透镜关键参数设计如图2所示，其设计值见表2。

图2 玻璃透镜参数Fig.2 Parameters of glass lens

表2 玻璃透镜设计参数要求Table 2 Requirements of glass lens parameter

2.2 透镜装配方案设计

2.2.1 玻璃卡扣安装方式

透镜与其配合件可采用卡扣连接的方式，利用金属弹簧卡扣形变产生的夹紧力，将玻璃透镜与配合件牢牢连接。图3中玻璃上的透镜台阶高度h需根据玻璃卡扣的尺寸定义。建议h取值1.5～2 mm，根部厚度t取值1.5～2 mm。

图3 玻璃卡扣设计图解Fig.3 Graphic design of glass buckle

2.2.2 直接卡接方式

透镜与其配合件也可直接卡接。如图4所示，透镜从配合件后方向前推入与卡脚卡接。卡脚数量与透镜的形状及外形尺寸关系见表3。配合件卡脚卡接面倾斜角度推荐β=15°～20°，卡接量Δ与配合件材料有关，推荐值见表3。

图4 支架卡接方式图解Fig.4 Illustration of bracket clamping mode

表3 透镜卡脚数量及卡接量推荐表Table 3 Recommended for number of lens pins and clamping amount

2.3 定位方法设计

2.3.1 定位方式分析

在透镜设计中，透镜与配合件的定位可采用销孔定位的方式，定位销数量一般为3个，如图5所示。对于玻璃透镜，此种方法并非最佳。因玻璃透镜成型工艺的特殊性，在透镜翻边上开豁口作为定位孔，降低了透镜的良品率。为提高玻璃透镜的良品率，在透镜设计前期就需考虑玻璃透镜结构的完整性，应尽量避免在透镜上开豁口。

图5 销孔定位方式Fig.5 Pin and hole positioning mode

鉴于以上玻璃成型的特征，在结构设计时，多采用透镜边缘与配合件多点接触以实现定位。如图6为某前照灯模组玻璃透镜(方形)与支架的定位方式示意图。设计中，采用了多点接触的定位方法，其中：图6(a)中，上方的2个点(圆圈中的凸台)限制了Z向的自由度，左侧的2个点限制了Y向的自由度，其余四个点分别作为这限制两个方向自由度的辅助定位点；图6(b)中，X向的定位则是采用4个均匀分布在透镜配合件翻边上的点完成，其中三个为主定位点，另外一个为辅助定位点。综上所述，其定位方式符合6点定位：3+2+1的设计原理，满足透镜的定位设计要求。

图6 透镜定位示意图Fig.6 Schematic diagram of lens positioning

2.3.2 定位误差分析

对于圆形透镜，限位筋数量及定位间隙对其定位精度有较大影响。根据透镜与其配合件的实际定位方式，建立定位误差分析的数学模型。如图7所示，图中黑色短线代表限位筋，限位筋的数量为n；黑色圆圈为透镜装配后的理论位置，其边缘与限位筋的间距为b。由于定位间隙的存在(设计时为避免装配失效，一般定位间隙会设置在0.05～0.1 mm之间)，当透镜安装后会在配合件内产生晃动，图7中给出两种极限情况下的透镜位置，如极限位置1与极限位置2，此情况假设定位筋均匀排布。在两种极限位置下的透镜最大位移为d=2ΔL，其计算公式推导过程如下：

图7 定位误差分析图Fig.7 Diagram of positioning tolerance analysis

(1)

从公式上可以看出：间隙b对最大位移d影响最为显著，且二者呈正比例关系，定位间隙越大，最大位移越大；限位筋的数量对最大位移的影响在于：n越大，d越小，且当n趋向于正无穷大时，dmin=2b。

综上分析，对于透镜与配合件的定位间隙建议b=0～0.05 mm，限位筋数量建议n=6～9。