大陆集团的指路明灯

维亚切斯拉夫·伯曼著
照明技术专家大陆公司和Ansys Advantage员工

虽然汽车仪表板越来越多地使用平板屏幕来显示行驶速度、发动机温度和燃油水平等信息，但许多汽车制造商也采用了物理仪表板组件。一些汽车制造商采用数字模拟混合的方法来满足客户的需求。另一些人则希望给司机一种数字读数无法比拟的豪华老爷车的复古感觉。

虽然汽车仪表板越来越多地使用平板屏幕来显示行驶速度、发动机温度和燃油水平等信息，但许多汽车制造商也在仪表板上加入了速度计指针等物理组件。一些汽车制造商采用数字模拟混合的方法来满足客户的需求。另一些人则希望给司机一种数字读数无法比拟的豪华老爷车的复古感觉。就像可以在手机上轻松查看时间的人戴着时尚的手表一样，有些人会选择模拟美学。

大陆公司多年来一直在帮助汽车制造商区分他们的仪表盘组件，通过设计发光指针、马蹄形速度显示器和由光导驱动的发光矩形面板。最简单的光导设计是一根光纤电缆，一端由LED照明，另一端将光传输出去。但事情很快就变得复杂了。由聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的“从头到尾”设计的简单箭头形指针，必须设计成从头到尾均匀照明，没有亮斑或暗斑，这涉及到全内反射(TIR)的物理原理和控制整个指针的光泄漏。在这个层面上，一个基于物理的光学模拟求解器就像Ansys Speos需要分析光的传播和散射，以产生虚拟样机。

大陆集团工程师设计的最具挑战性的仪表盘指针涉及一个3D碗形速度计，其速度计指针从中心水平延伸，直到到达碗的高倾斜壁，此时指针必须弯曲45度。指针从原点延伸到弯道的水平部分没有被照亮。均匀地照亮从弯道到指针尖端向上倾斜的部分是一个挑战，需要近50次Speos模拟才能正确完成。

一个三维模型的速度计指针(顶部)和实际指针

控制光损耗

对于全内反射(TIR)，光导的表面必须抛光到光学级平滑。对表面进行粗化处理可以改变入射光线撞击表面的角度;照射角度小于临界角的光将以漏光的形式穿过表面。设计者利用这种现象，通过改变表面粗糙度来造成光损失，以照亮仪表或指针。

另一种更常见的方法是改变指针的3D几何形状，使指针的厚度——它在各个点的横截面以及它的顶部、底部和侧面的角度——以这样一种方式变化，从而促进通过驾驶员可见的顶部表面的均匀光损失。

两个指针位置的最终模拟结果:位于边缘的LED(右)和位于指针接收部分中间下方的LED(左)

解决45度速度计指针的挑战

在建议的指针的一个小区域从0到45度的突然变化是具有挑战性的，在大陆的照明工程师决定接受之前，其他公司已经拒绝了这个项目。主要的问题是一个亮点出现在弯曲区域的开始，因为更多的光通过极端的角度逃逸。将该区域的亮度降到最低是主要目标。

除了弯曲问题，还有大量的指针设计参数需要优化:灯罩圆顶的形状，接收面(指针接收光的部分，位于指针开始处的仪表中心上方一组led)的形状和粗糙度，以及反射面和指针的下、上、左、右表面的形状。在大多数情况下，两个变量用于实现最佳照明:指针底表面的宽度及其斜率。

大陆集团的机械工程师为速度计指针创建了一个初始几何形状，之后照明工程师将其导入Speos。Speos软件自动为几何体创建了一个网格。然后照明工程师指定材料和表面的光学特性，利用Speos中庞大的材料库。在这种情况下，他们选择聚碳酸酯作为材料，表面抛光到光学质量。接下来，他们指定了光线的数量，观察者的位置和观察者正在观察的表面。最后，他们输入LED的强度——LED的光通量——这取决于提供给LED的电流的大小。Speos模拟了理论上的观察者会从指定的表面看到的亮度。

Ansys Speos帮助Continental确定，无论指针位置如何，在接收表面增加五个肋都可以均匀地分配亮度。

在初始几何图形上运行Speos模拟显示，在0到45度的过渡区域仍然可以看到亮点。工程师们采用了两种方法来解决这个问题。首先，他们改变了弯道附近的顶部与底部表面的比例，使较大的顶部表面在底部逐渐变细为截断的V形。底部表面越窄，进入该区域的光就越少，从而减少光损失，从而最大限度地减少不必要的亮点。理论上，底部的理想形状应该是V形底部的一个点，但可制造性要求底部宽度至少为0.5毫米。

第二种方法是减小指针在弯曲区域的底面角度。尽管顶部坡度为45度，但驾驶员看不到的底部坡度可以更平缓地弯曲。作为一个近似，如果你假设所有的光线都是水平移动的，表面的斜率越大，向上反射的光线就越多，所以减小斜率就意味着向上反射的光线越少，再次使亮点最小化。

此外，Speos指出，在指针的顶部表面稍微增加一个凸起——厚度的轻微增加——就在弯曲开始的地方，这将增加垂直传播的光线经历全内反射的百分比，从而减少该区域的光损失，并最大限度地减少亮点。

设计一个45度角的速度计指针或指针，以遵循速度计的碗形轮廓，这给光导照明带来了挑战，大陆集团使用Ansys Speos来解决这个问题。

优化led指针定位

接收面是指针底部的一个宽截面，用于接收来自其下方LED(或LED)的光。在这个设计中，六个led被安排在接收表面下方的圆形基座上。

因为指针，也就是接收面，会随着指针在仪表周围移动而改变其角度位置——由于速度的增加或减少——接收面有时直接在LED上方，有时在LED之间。结果，亮度分布随指针角度的变化而变化，产生了不良的影响。工程师们决定在接收表面的下方放置垂直的肋条，以水平地重新分配从led反射的光，从而最小化由接收表面与led的相对位置引起的亮度变化。使用Speos，他们进行了模拟，改变了肋的数量和间距，最终确定了五个间隔0.5毫米的肋。这种解决方案导致均匀分布的亮度独立于指针的位置;当接收面中心位于LED顶部时，它还可以最大限度地减少亮点。

模拟的价值

大陆公司的工程师表示，如果没有Speos的光学模拟，他们不可能成功设计出3D角度指针。如前所述，使用Speos进行了近50次虚拟迭代来解决指针厚度和斜率问题，以及led指针的方向问题。建造50个指针的物理原型会消耗太多的时间和金钱，使这些努力变得不值得。此外，模拟可以产生比物理测试更有价值的数据。

大陆制造了一个物理指针原型，它的性能与Speos模拟非常接近，他们设计的这种时尚的模拟速度计投入生产，让一些经典汽车爱好者非常高兴。

光导的物理学

光导设计使用全内反射(TIR)原理，当光传播通过材料以大于临界角的角度撞击材料的内部边界时，就会发生这种情况。如果导光板外面的空气的折射率(一种测量光线从一种介质进入另一种介质时弯曲程度的指标)低于制作导光板的材料的折射率，并且光波撞击边界的角度大于临界角，那么光波就会像镜子一样从表面反弹并在内部反射。

如果你正在为海底跨大西洋电缆设计一个光导器，以便在数千英里之外传输大量数据，那么最大限度地提高内部反射是至关重要的——你不想在传输过程中通过光纤电缆的表面丢失重要信息。以光波形式进入电缆一端的信息应从另一端输出，其间不存在任何泄漏。

但如果你想点亮仪表盘上的速度计指针，你希望光线以一种可控的方式泄漏，以均匀地照亮指针。如果光完全被内部反射，指针就不会亮起来。