Etapas de desenvolvimento em projetos de faróis automotivos e os desafios do engenheiro projetista
Na indústria automotiva a iluminação exterior é cada vez mais usada para criar a assinatura e marca de um veículo, faróis são considerados o olho do carro e tem uma contribuição substancial para sua aparência e imagem ao consumidor final. Com isso, cada vez mais tem se levado em consideração o design do produto, de acordo com regulamentações governamentais e de montadoras para atendimento e certificação de sua performance. Novas tecnologias como led também são novos desafios de projeto para os engenheiros.
Faróis automotivos são produtos com alta complexidade geométrica e diversos componentes, com diferentes funções de iluminação como o farol baixo, farol alto, luz de posição, DRL e luz de seta, para cada uma destas funções tem-se componentes eletrônicos trabalhando em condições térmicas variadas, consequentemente afetando também componentes mecânicos do conjunto e a performance da iluminação.
O design e certificação são, portanto, grandes desafios do engenheiro projetista, sendo necessários ensaios ópticos, térmicos e mecânicos que analisam o sistema como um todo. A simulação virtual permite um design mais rápido, iterativo e eficiente gerando um resultado otimizado com um menor custo. A etapa de validação física em testes de bancada se dá apenas na fase final de projeto, quando já foram feitos testes virtuais com resultados esperados, evitando retrabalhos de manufatura e alongamento do tempo de projeto.
Etapas em projetos de faróis automotivos:
Design Óptico
Na primeira etapa de design óptico é possível modelar as superfícies refletoras de cada função de maneira a atender critérios fotométricos da montadora, através de ferramentas específicas define-se a área a ser iluminada por cada faceta do refletor e então sua curvatura é calculada de maneira a atendê-las, geralmente é um grande desafio o design do farol baixo, que deve atender normas mais rígidas para manter a iluminação segura e não jogar luz indevida em veículos trafegando em vias opostas e também manter a iluminação boa para itens de sinalização e condução do motorista. Observa-se na figura 1, a ferramenta de design de superfícies refletoras, onde cada faceta colorida vai estar refletindo a luz em uma direção específica determinada pelo engenheiro, nota-se o objetivo óptico das quatro facetas centrais selecionadas em laranja, de uma função farol baixo.
Fig. 1: Design de refletor farol baixo.
Simulação Óptica
Após a criação do refletor, faz-se a simulação óptica levando em conta especificação da fonte de luz, sendo uma lâmpada halógena ou um LED e as propriedades ópticas do sistema luminoso como um todo, refletor, lentes, bezel, de maneira a analisar a propagação da luz dentro desse sistema e verificar o resultado de fotometria em atendimento com a norma vigente, nesta etapa consegue-se notar e analisar raios luminosos indo em direção indevida e interferências mecânicas que podem estar afetando o sistema, assim como verificar a performance para diferentes designs de refletor. Na figura 2, tem-se o refletor criado e incluído no conjunto de componentes do farol.
Fig. 2: Conjunto de faróis.
Consegue-se analisar a intensidade e distribuição da luz de acordo com pontos de medição da norma, mostrado na figura 3.
Fig. 3: Fotometria de acordo com norma ECE R123 para farol baixo.
Na figura 4, consegue-se ver também o estudo de “Bird View”.
Fig. 4 – Vista superior da iluminação.
Estudos de cor da luz e projeção da iluminação na pista são muito importantes para certificar a qualidade do farol e evitar efeitos de aberração cromática devido a lente, marcações fortes de luz na estrada e analisar a percepção visual do motorista quanto a pedestres e obstáculos, a figura 5 os estudos mostra os estudos realizados.
Fig. 5: Projeção da luz.
Efeito da Temperatura em componentes eletrônicos e ópticos
Uma vez aceito os critérios de intensidade luminosa, distribuição e homogeneidade da luz para uma condição ideal, é feita a análise térmica dos componentes devido ao gradiente de temperatura sofrido com os raios luminosos, a variação de temperatura no Led também vai influenciar seu desempenho, ocorrendo variações no fluxo luminoso total emitido e na curva espectro luminosa, afetando a cor da luz. Veja na figura 6 o gradiente de temperatura em um Led, assim como as curvas de fluxo luminoso e coordenadas cromáticas de acordo com sua temperatura de trabalho.
Fig. 6: Desempenho do led em diferentes temperaturas.
Componentes mecânicos e os refletores também vão estar sujeitos a variação térmica, consequentemente ocorrendo deformação estrutural e afetando todo o resultado. Por fim, feitas as análises térmicas e estruturais do farol é possível refazer a simulação óptica e analisar o efeito causado na fotometria, analisado na figura 7.
Fig. 7: Comparação de resultados fotométricos.
Como se observa na figura 7, a intensidade luminosa pode mudar drasticamente com a deformação de superfícies refletoras, afetando diretamente testes de certificação com normas.
Modelagem de Componentes Eletrônicos
Além da influência na óptica do conjunto, o gradiente de temperatura vai afetar também os componentes eletrônicos do farol, desempenho e durabilidade do led, para isso é importante validar e otimizar sistemas eletrônicos e suas temperaturas de trabalho com a modelagem de placas eletrônicas e dissipadores de calor, observa-se na figura 8 a resposta térmica para diferentes designs da placa.
Fig. 8: Temperatura do PCB.
Compatibilidade Eletromagnética
A parte eletrônica do farol também precisa passar por testes de interferência eletromagnética de maneira a não sofrer interferências externas e nem ser fonte de interferência, causando um mal funcionamento do farol.
Testes como este são geralmente complexos e exigindo equipamentos específicos de medição em laboratório, tornando o processo de certificação muito longo e custoso. Na Figura 9 pode-se ver um modelo de câmara anecóica, onde pode-se representar de maneira fiel os testes de laboratório.
Fig. 1: Design de refletor farol baixo.
Testes como imunidade radiada, emissões radiadas, emissões conduzidas, transiente de tensão entre outros podem ser realizados de forma virtual, permitindo que os engenheiros otimizem seus projetos eletrônicos antes da etapa de manufatura e validação com protótipos físicos.
Efeitos da Irradiação Solar
Existem outros estudos possíveis de serem feitos e que são importantes para validação do farol automotivo, que vão ocorrer em diferentes condições, mas que podem ser reproduzidos todos virtualmente. A lente do farol pode acabar atuando como uma lupa, focalizando os raios de luz do sol incidente na lente e gerando zonas de calor nos componentes mecânicos internos ocorrendo a deformação estrutural nessas regiões, pode-se ver o efeito da irradiação solar nas superfícies internas do bezel na figura 10.
Fig. 10: Simulação da irradiação solar.
Com o resultado de irradiação, consegue-se obter as respostas térmicas e estruturais dos componentes mecânicos, avaliando possíveis danos estruturais, conforme figura 11.
Fig.11: Resposta térmica e estrutural devido a irradiação solar.
Condensação da Lente
Outro estudo importante é o de condensação da lente, o farol vai ser suscetível a diferentes condições externas de temperatura e umidade, é possível analisar estas diferentes condições ambiente e o efeito causado para evitar a condensação e embaçamento da lente. Na figura 12, percebe-se a comparação do fenômeno modelado no computador e em uma peça física.
Fig. 12: Condensação na simulação virtual e teste de bancada.
A geometria da lente e a disposição dos componentes internos do farol vão influenciar na movimentação de ar e auxiliar ou atrapalhar na prevenção da condensação, a movimentação do ar por convecção natural devido a temperatura do Led é uma das situações que podem ocorrer isto é ser analisada via simulação.
Vibração Mecânica
O comportamento de vibração de um farol precisa ser analisado na etapa de design para evitar qualquer desconforto visual ao motorista com a vibração da luz do farol ao dirigir, além disso é preciso atender também às especificações de vibração das montadoras e evitar fenômenos de vibração como a ressonância.
A simulação virtual permite resolver problemas de frequência e resistência a cargas na etapa de design, assim tem-se maior confiança no produto antes da etapa de validação com testes físicos. Na figura 13 é possível observar a a análise modal para a primeira frequência do farol.
Fig. 13: Análise modal.
Analogamente, é preciso também prever as respostas mecânicas de componentes eletrônicos devido a carregamentos por vibrações e sua durabilidade, visto na figura 14.
Fig. 14: Análise de vibração em componentes eletrônicos.
Simulação de Visão humana
Como mencionado no início, a aparência final do farol é muito importante em projetos de faróis automotivos e também vai ser requisitada pela montadora. Por isso análises de aparência acabam sendo fatores chave para a aprovação do produto e validação para a fase de manufatura, simulações de aparência são realizadas de modo a verificar a percepção visual do olho humano para um determinado ponto de vista e assim avaliar questões de performance da iluminação e design do produto. Veja na figura 15, a simulação de visão humana para casos com as funções de iluminação acesas ou apagadas.
Fig. 15: Simulação de aparência.
A possibilidade de visualizar o produto final antes de qualquer etapa de manufatura acaba sendo muito valiosa, pois permite ao engenheiro avaliar a performance visual em condições ambientais de iluminação distintas, como um ambiente noturno ou com neblina e verificar isto para diferentes pontos de vista, avaliando a homogeneidade da luz nessas situações.
Iluminação com Realidade Virtual Dinâmica
Simulações utilizando realidade virtual em projetos de faróis automotivos permitem analisar a performance luminosa do farol em cenários dinâmicos com propriedades ópticas baseadas em física. Isto possibilita a verificação de “edge cases” através do ambiente virtual, acelerando e facilitando o processo de desenvolvimento e reduzindo custos com testes em protótipos, são diversas as análises possíveis utilizando a realidade virtual:
- Passeio noturno virtual para verificar a iluminação em situações dinâmicas
- Verificação de normas de segurança para trânsito
- Design de faróis inteligentes com iluminação adaptativa
- Integração de sensores para teste e validação
Novas tecnologias surgindo em faróis automotivos como iluminação adaptativa, sensores de câmeras e lidars acabam sendo possíveis de serem desenvolvidos virtualmente, estimulando a inovação tecnológica.
Veja as possibilidades na figura 16:
Fig. 16: Simulação de farol adaptativo, passeio noturno e câmera.
Para mais informações sobre as etapas de desenvolvimento em projetos de faróis automotivos, acompanhe nosso webinar Desenvolvimento de faróis automotivos: por que projetar usando simulação no link abaixo:
