Etapas en el diseño de faros automotrices y los desafíos a los que se enfrenta el ingeniero
En la industria automotriz, la iluminación exterior se utiliza cada vez más para crear la identidad y la marca de un vehículo; los faros se consideran el ojo del automóvil y contribuyen sustancialmente a su apariencia e imagen para el consumidor final. Para ello, cada vez se ha tenido más en consideración el diseño del producto, de acuerdo con las regulaciones gubernamentales y los fabricantes de automóviles para cumplir y certificar sus prestaciones. Las nuevas tecnologías, como el LED, también están creando nuevos desafíos de diseño para los ingenieros.
Los faros para automóviles son productos de gran complejidad geométrica y con diversos componentes, con diferentes funciones de iluminación como luz de cruce, de carretera o alta, de posición, DRL y luz de dirección, para cada una de estas funciones existen componentes electrónicos que trabajan en diversas condiciones térmicas, afectando consecuentemente también a los componentes mecánicos del conjunto y al desempeño de la iluminación.
El diseño y la certificación son por lo tanto grandes desafíos para el ingeniero de diseño, que requieren pruebas ópticas, térmicas y mecánicas que analicen el sistema en su conjunto. La simulación virtual permite un diseño más rápido, iterativo y eficiente, generando un resultado optimizado a un menor costo. La etapa de validación física en las pruebas de banco se produce sólo en la fase final de diseño, cuando ya se han realizado las pruebas virtuales con los resultados esperados, evitando el retrabajo de fabricación y la duración del tiempo de diseño.
Etapas en el diseño de faros automotrices:
Diseño Óptico
En la primera etapa del diseño óptico es posible modelar las superficies reflectivas de cada función para cumplir con los criterios fotométricos del ensamblador, a través de herramientas específicas se define el área a iluminar por cada faceta del reflector y posteriormente se calcula su curvatura para cumplirlos, generalmente es un gran desafío el diseño de la luz de cruce, la cual debe cumplir con normas más estrictas para mantener una iluminación segura y no proyectar luz indebida sobre los vehículos que circulan por carriles contrarios y además mantener una buena iluminación para la señalización de elementos y la conducción del conductor. Se observa en la Figura 1, la herramienta de diseño de la superficie reflectiva, donde cada faceta coloreada estará reflejando la luz en una dirección específica determinada por el ingeniero, se observa el propósito óptico de las cuatro facetas centrales seleccionadas en color naranja, de una función de luz de cruce.
Fig. 1: Diseño de reflector luz de cruce.
Simulación Óptica
Tras la creación del reflector, se realiza la simulación óptica teniendo en cuenta la especificación de la fuente de luz, siendo una lámpara halógena o una LED y las propiedades ópticas del sistema luminoso en su conjunto, reflector, lentes, bisel, con el fin de analizar la propagación de la luz dentro de este sistema y verificar el resultado de la fotometría en cumplimiento de la norma vigente, en esta etapa es posible notar y analizar los rayos luminosos yendo en la dirección equivocada y las interferencias mecánicas que pueden estar afectando al sistema, así como verificar el rendimiento para diferentes diseños de reflectores. En la figura 2, se encuentra el reflector creado e incluido en el conjunto de componentes del faro.
Fig. 2: Conjunto del faro.
Es posible analizar la intensidad y la distribución de la luz de acuerdo con los puntos de medición de la norma, que se muestra en la figura 3.
Fig. 3: Fotometría según la norma ECE R123 para la luz de cruce.
En la Figura 4, también se puede ver el estudio «Bird View»:
Fig. 4 – Vista superior de la iluminación.
Los estudios del color de la luz y de la proyección de la iluminación sobre la carretera son muy importantes para certificar la calidad del faro y evitar los efectos de la aberración cromática debida a la lente, las señalizaciones luminosas fuertes en la carretera y analizar la percepción visual del conductor sobre los peatones y los obstáculos, se observa en la figura 5.
Efecto de la temperatura en los componentes electrónicos y ópticos
Una vez aceptados los criterios de intensidad luminosa, distribución y homogeneidad de la luz para una condición ideal, se realiza el análisis térmico de los componentes debido al gradiente de temperatura que sufren con los rayos luminosos, la variación de temperatura en el LED también influirá en su rendimiento, produciéndose variaciones en el flujo luminoso total emitido y en la curva del espectro luminoso, afectando al color de la luz. En la figura 6 se muestra el gradiente de temperatura en un LED, así como las curvas de flujo luminoso y coordenadas cromáticas en función de su temperatura de trabajo.
Fig. 6: Rendimiento del led a diferentes temperaturas.
Los componentes mecánicos y los reflectores también estarán sujetos a la variación térmica, con la consiguiente deformación estructural que afectará a todo el resultado. Por último, una vez realizados los análisis térmicos y estructurales del faro, es posible rehacer la simulación óptica y analizar el efecto causado en la fotometría, analizado en la figura 7.
Fig. 7: Comparación de los resultados fotométricos.
Como se observa en la figura 7, la intensidad de la luz puede cambiar drásticamente con la deformación de las superficies reflectantes, lo que afecta directamente a los ensayos de certificación con normas.
Modelado de Componentes Electrónicos
Además de la influencia en la óptica del conjunto, el gradiente de temperatura también afectará a los componentes electrónicos del faro, rendimiento y durabilidad del led, por esto es importante validar y optimizar los sistemas electrónicos y sus temperaturas de trabajo con el modelado de placas electrónicas y disipadores de calor, se observa en la figura 8 la respuesta térmica para diferentes diseños de placas.
Fig. 8: Temperatura del PCB.
Compatibilidad Electromagnética
La electrónica del faro también necesita pasar las pruebas de interferencia electromagnética para no sufrir interferencias externas y no ser una fuente de interferencia, causando un mal funcionamiento del faro.
Este tipo de pruebas suelen ser complejas y requieren equipos de medición específicos en el laboratorio, lo que hace que el proceso de certificación sea muy largo y costoso. En la figura 9 se muestra un modelo de cámara anecoica, donde se pueden representar de forma fiel los ensayos de laboratorio.
Fig. 1: Setup para simulación en cámara anecoica.
Pruebas como la inmunidad radiada, emisiones radiadas, las emisiones conducidas, transitorios de tensión entre otras, pueden realizarse de forma virtual, lo que permite a los ingenieros optimizar sus diseños electrónicos antes de la etapa de fabricación y validación con prototipos físicos.
Efectos de la irradiación solar
Existen otros estudios que se pueden realizar y que son importantes para la validación del faro del automóvil, que se producirán en diferentes condiciones, pero que se pueden reproducir virtualmente. La lente del faro puede acabar actuando como una lupa, focalizando los rayos de luz del sol incidentes en la lente y generando zonas de calor en los componentes mecánicos internos produciendo la deformación estructural en esas regiones, se puede ver el efecto de la irradiación solar en las superficies internas del bisel en la figura 10.
Fig. 10: Simulación de la irradiación solar.
Con el resultado de la irradiación, es posible obtener las respuestas térmicas y estructurales de los componentes mecánicos, evaluando los posibles daños estructurales, según la figura 11.
Fig.11: Respuesta térmica y estructural debida a la irradiación solar.
Condensación de la lente
Otro estudio importante es el de la condensación de la lente, el faro será susceptible a diferentes condiciones externas de temperatura y humedad, es posible analizar estas diferentes condiciones ambientales y el efecto causado para evitar la condensación y el empañamiento de la lente. En la figura 12, se observa la comparación del fenómeno modelado en computadora y en una pieza física.
Fig. 12: Condensación en la simulación virtual y prueba de banco.
La geometría de la lente y la disposición de los componentes internos del faro influyen en el movimiento del aire y ayudan o entorpecen la prevención de la condensación; el movimiento del aire por convección natural debido a la temperatura del Led es una de las situaciones que pueden ocurrir esto debe ser analizado vía simulación.
Vibración Mecánica
El comportamiento de la vibración necesita ser analizado en la etapa de diseño de faros automotrices para evitar cualquier incomodidad visual al conductor con la vibración de la luz del faro al conducir, además también es necesario cumplir con las especificaciones de vibración de los fabricantes y evitar fenómenos de vibración como la resonancia.
La simulación virtual permite resolver los problemas de frecuencia y resistencia a cargas en la etapa de diseño, por lo que se tiene más confianza en el producto antes de la etapa de validación con pruebas físicas. En la figura 13 se muestra el análisis modal de la primera frecuencia del faro.
Fig. 13: Análisis modal.
Análogamente, es necesario predecir también las respuestas mecánicas de los componentes electrónicos debido a la carga por vibración y su durabilidad, como se aprecia en la figura 14.
Fig. 14: Análisis de vibraciones en componentes electrónicos.
Simulación de la visión humana
Como se ha comentado al comienzo, la apariencia final del faro es muy importante y también será requerida por el montador, por lo que los análisis de apariencia acaban siendo factores clave para la aprobación del producto y la validación para la fase de fabricación, las simulaciones de apariencia se realizan con el fin de verificar la percepción visual del ojo humano para un punto de vista determinado y así evaluar los aspectos de rendimiento de la iluminación y diseño del producto. La figura 15 muestra la simulación de la visión humana para los casos con las funciones de iluminación encendidas o apagadas.
Fig. 15: Simulación de la apariencia.
La posibilidad de visualizar el producto final antes de cualquier etapa de fabricación termina siendo muy valiosa, ya que permite al ingeniero evaluar el rendimiento visual en diferentes condiciones ambientales de iluminación, como un escenario nocturno o con neblina, y verificar esto para diferentes puntos de vista, evaluando la homogeneidad de la luz en estas situaciones.
Iluminación con Realidad Virtual Dinámica
Las simulaciones mediante realidad virtual permiten analizar el rendimiento lumínico del faro en escenarios dinámicos con propiedades ópticas basadas en la física, permitiendo la verificación de “edge cases” a través del entorno virtual, acelerando y facilitando el proceso de desarrollo y reduciendo los costos con las pruebas de prototipos, los análisis posibles utilizando realidad virtual son diversos:
- Conducción nocturna virtual para comprobar la iluminación en situaciones dinámicas
- Comprobación de las normas de seguridad vial
- Diseño de faros inteligentes con iluminación adaptativa
- Integración de sensores para pruebas y validación
Las nuevas tecnologías que surgen en el diseño de los faros automotrices, como la iluminación adaptativa, sensores de las cámaras y lidars, terminan siendo posibles de desarrollar virtualmente, estimulando la innovación tecnológica.
En la figura 16 podemos ver las posibilidades:
Fig. 16: Simulación de un faro adaptativo, conducción nocturna y cámara.
Para obtener más información sobre las etapas en el diseño de faros automotrices, siga nuestro webinar Desarrollo de faros automotrices: por qué diseñar usando simulación en el siguiente enlace:
