Полиэллипсоидальная система фары
Принципы освещения
Введение
Системы освещения транспортного средства очень важны, особенно если это связано с дорожной безопасностью. Если фары внезапно откажут ночью и на высокой скорости, результат может быть катастрофическим. Для предупреждения водителя о возможных отказах использовалось немало методов от автоматических переключателей и до тепловых контакторов, заставляющих огни мигать до того, как сработает плавкий предохранитель. В современных системах предохранителем оснащают каждую нить лампы отдельно, и если даже откажет цепь питания фар дальнего света, ближний свет еще будет работать. Мы проделали длинный путь с того' времени, когда использовались фонари тика «короля дорога» Лукаса. А они были ацетиленовыми лампами!
Ключевая задача автомобильных огней заключается потом, что они должны позволять водителю:
1. Видеть темноте.
2. Быть заметными в темноте (или в условиях
плохой видимости).
Боковые огни, задние фонари, тормозные сигналы и другие являются относительно простыми устройствами. Передние фары создают большую часть проблем, потому что при ближнем свете они должны обеспечить адекватную освещенность для водителя, но не ослеплять других участников движения. За прошедшие годы опробовано много методов
и сделано немало усовершенствований, но конфликт между наблюдением и ослеплением
очень трудно преодолеть. Ниже рассматривается одна из последних разработок ультрафиолетовое (У Ф ) освещение, которое дает надежду решить этот вопрос.
Лампы
В Великобритании первую лампочку продемонстрировал Джозеф Сван в 1878 г1. С этого момента происходит их постоянное совершенствование. Формы и размеры ламп, используемых на транспортных средствах, а также их количество непрерывно меняются, соответственно растет номенклатура используемых ламп. На риc. 11.1 показан самый распространенный набор, большинство ламп для освещения автомобиля - это лампы накаливания с вольфрамовой нитью, обычные или галогенные. В обычной лампе накаливания вольфрамовая нить нагревается электрическим током до раскаленного
состояния. В вакууме температура нити приблизительно 2300 ‘С. Металл вольфрам – тяжелый химический элемент, его символ W, атомное
Первые лампы накаливания были созданы русским изобретателем Александром Лодыгиным в 1872-1X75 гг. Л. Сван нТ. Элисон усовершенствовали конструкцию лампы и сделали
| 11.1 рисунок |
имеет вид от ссро-стального до оловянно- белого. У него самая высокая точка плавления среди всех металлов- 3410 °С . Чистый вольфрам легкокустся, гнется, тянется и прессуется, но в присутствии примесей становится ломким и может быть обработан с большим трудом. Вольфрам окисляется на воздухе, особенно при высоких температурах,
но стоек к коррозии и весьма незначительно подвержен воздействию большинства минеральных кислот. Поэтому вольфрам или его сплавы идеальны для использования в качестве нить электрических лампочек1. Нить обычно намотана «спиралью в спирали», чтобы создать подходящую длину тонкого проводника в маленьком объеме и обеспечить малое механическое натяжение нити. На рис. 11.2 показана типичная нить лампы. Если упомянутая выше температуря превышена, ложе в вакууме, то пить становится очень непрочной и разрушается. Вот почему напряжение, при котором эксплуатируется лампа, должно поддерживаться в строгих пределах. Вакуум в лампе предотвращает поток тепла от нити к корпусу, но ограничивает рабочую температуру. Все более привычны становятся газонаполненные лампы, где стеклянная лампа заполнена под давлением инертным газом, например аргоном. Это позволяет нити, не перегорая, работать при более высокой температуре и испускать более яркий спет. Эти лампы дают больше света по сравнению с вакуумной лампой (около 17 л м/Вт против И лм/Вт).
Почти все транспортные средства теперь используют для фар вольфрамовые галогенные лампы, поскольку они в состоянии создавать примерно24 лм/Вт (некоторые современные конструкции лаже больше). Такая лампа служит долго, и ее колбане чернеет через некоторое время, как другие лампы. Почернение стекла происходит потому, что в обычных газонаполненных лампах за определенный период времени около \Щметалла нити испаряется и оседает на стенках лампы. В галогенных
лампах в газ, наполняющий колбу, вводится некоторое количество галогенов - главным образом, соединений Ягода. Название «галогены» происходит от греческих слов hal(os)-H gen(os), что означает «создающие соли». Четыре галогена бром, хлор, фтор и Йод - образуют группу V IIA периодической таблицы элементов. Они являются очень активными элементами и в свободном состоянии в природе не встречаются. Лампа заполняется газом под давлением в несколько бар. Стеклянная колба, используемая для вольфрамовой галогенной лампы, сделана из расплавленного кремния или кварца. Вольфрамовая нить испаряется и здесь, но продвигаясь к стенке лампы, атом вольфрама объединяется с двумя или более атома мигалогена, образуя галоид вольфрама, который не осаждается на стенках лампы. Молекула гагоида вольфрама двигается в потоке внутри гада лам ты до тех пор, пока не коснется раскаленной нити, где распадется, возвращая атом вольфрам нити и освобождая атомы галогена. Вследствие этого баллон нечернеет, и световой поток лампы останется постоянным в течение всего срока службы. Кроме того, когда может быть сделана настолько малой, насколько позволяет размер нити, обеспечивая таким образом лучную фокусировку: На рис. 11,3 показана вольфрамовая галогенная лампа фары. Ниже обсуждаются некоторые распространенные типы ламп.
Стержневая лампа
Стеклянная колба имеет трубчатую форму, нить натянута между медными колпачками, закрепленными по концам трубки. Эта лампа нашла широкое применение для освещения номера автомобиля в внутреннего освещения салона.
Миниатюрная лампочка с центральным контактом
Миниатюрны лампочка с центральный контактом(МСС) снабжена цилиндрическим байонетным поколем с двумя расположенными по бокам направляющие питырьками. Лампа фиксируется в патроне поворотом на90 градусов. Диаметр цоколя— приблизительно9 мм. Лампа имеет единственный центральный контакт(SCC ) а второй контакт, обычно соединяемый с «-землей», образован металлическим доколем. Выпускаются лампы различной MOUIUOCTH в пределах I -5 Вт.
Бесцокольная лампа
Колба этих ламп имеет вид цилиндра с полусферическим донышком. Второй конец трубки сплющен и поддерживает проволочные выводы, изогнутые в противоположные стороны так, чтобы сформировать два контакта. Мощность ламп - до 5 Вт.они используются для подсветки приборной панели, боковых и стояночных огней. Они теперь очень популярны из-за низкой цены.
Однонитевая лампа со стандартным цоколем
Диаметр байонетного цоколя этих ламп = порядка 15 мм. В сферической или грушевидной колбе расположена единственная нить накала. Первый контакт в такой лампе — одиночный центральный контакт (SCC), второй контакт образован металлическим поколем. Мощность лампы - обычно 5или 21 Вт. Малая лампа (5 Вт) использует для передних или задних габаритных огней, большая(21 Вт)- для указателей поворотов, аварийных сигналов, огней заднего хода и задних противо туманных фар.
Двух нитевая лампа со стандартным цоколем
По форме и размеру эта лампа не отличается от рассмотренной выше, но содержит две нити. Один конец каждой нити связан со своим изолированным выводом, а два других конца присоединены к металлическому поколю, образующему третий контакт (обычно соединяется с «землей»). Штырьки на цоколе смешены таким образом, «чтобы две нити, которые имеют различную мощность потребления, не могли быть подключены неправильно. Одна нить используется для стоп-сигнала, а другая - для заднего габаритного огня. Они соответственно имеют мощность 21 и 5 Вт (лампа обозначается 21/5 Вт).
Внешние огни
Для внешних огней существуют регулирующие инструкции. Далее приведена их обобщенная и упрошенная интерпретация. После каждого подзаголовка в скобках приводится диапазон допустимой световой интенсивности.
Передние габаритные огни (до 60 кд)
Транспортное средство должно иметь два источника переднего габаритного освещения каждый с мощностью меньше 5 Вт. В большинстве транспортных средств габаритные огни встроены в модуль фары.
Задние габаритные огни (до 60 кд)
Как и в предыдущем случае, должны быть установлены два огня, причем каждый с мощностью не меньше 5 Вт. Огни, используемые в Европе, должны быть маркированы буквой «Е» и давать рассеянный свет. Они должны располагаться в пределах400 мм от края транспортного средства и расстояние между ними должно быть более 500 мм. Высота огней должна составлять от 350 до 1500 мм над уровнем земли.
Стоп-сигналы (40-100 кд)
Эти два огня обычно объединяются с задними огнями. Они должны иметь мощность от 15 до 36 Вт каждый, рассеянный свет и должны загораться, когда задействуется рабочая тормозная система. Стоп-сигналы должны быть расположены симметрично от 350 до 1500 мм выше уровня земли и на расстоянии не менее 500 мм друг от друга. Теперь разрешаются дополнительные стоп-сигналы верхнего расположения. Если они установлены, то должны работать совместно с основными тормозными сигналами.
Огни заднего хода (300-600 кд)
Могут быть установлены не более двух ламп сигналов заднего хода, каждая мощностью максимум 24 Вт. Свет этих ламп не должен ослеплять, Лампы должны включаться автоматически от коробки передач или от выключателя, объединенного с индикатором предупреждения. Теперь часто в сочетании со схемой включения этих огней устанавливаются предупреждающие звуковые сигналы, особенно на большегрузных транспортных средствах.
Огни дневного освещения (800 кд максимум)
Компания Vоlvo использует огни дневного освещения, поскольку они фактически требуются в Швециии Финляндии, Эти огни включаются вместе с зажиганием и должны работать только совместно с задними огнями. Их функция заключается в том, чтобы показывать, что транспортное средство движется или собирается начать движение. Они выключаются при парковке или когда включаются передние фары.
Отражатели фары
Свет от источника, типа нити лампы, при использовании и соответствующего отражателя (рефлектора)и линзы может быть сформирован в различного вида лучи. Для передних фар, как правило. Используются параболические, бифокальные или софокусные отражатели. Чтобы направить свет в бок от дороги и вниз используются линзы, которые служат также защитным стеклом фары. На рис. 11 .5показано, как линзы и рефлекторы могут быть использованы для задания направления луча света. Назначение отражателя фары заключается в том, чтобы собрать свет, излучаемый лампой во все стороны, в концентрированы в пучок. Если нужно получить определенное направленно и форму луча, важно положение нити лампы относительно рефлектора, это показано па рис. 11.5, а. Сначала источник света (нить лампы) находится я. фокусе, поэтому отраженный луч будет параллелен основной оси. Если нить находится между фикусом и рефлектором, то отраженный луч отклонится — то есть будет расширяться в сторону от основной оси. И наоборот, если нить будет помещена перед фокусом, то отраженный луч будет сходится к основной оси.
Отражатель или рефлектор представляет собой гладкую, полированную поверхность, например медную или стеклянную, на которой осажден слой серебра, хрома или алюминии. Рассмотрим зеркальный отражатель, который «проседает внутрь» -так называемый «вогнутый отражатель». Центральная точка отражателя называется полюсом, и линия, проведенная через полюс перпендикулярно к поверхности, известна как главная оптическая ось. Если источник света перемещать по этой линии, то будет найдена такая точка, где исходящий свет создает отраженный луч, параллельный основной оси. Эта точка называется фокусом. Расстояние от фокуса до полюса называется фокусным расстоянием.
Параболический отражатель
Парабола — кривая, похожая по форме па траекторию камня, брошенного под углом к горизонту. Если источник света помешен в фокус параболического отражателя (см. рис. 11.5, а), пучок выходящих из отражателя лучей будет параллелей оптической -оси; каждый луч от источника будет отражается параллельно оси независимо от того, в каком месте луч попадает на поверхность отражателя. Следовательно, такой отражатель сознает яркий параллельный отраженный пучок света постоянно в интенсивности. С помощью параболического отражателя большая часть светового потока лампочки отражается вдоль основной оси, и только малая часть прямых лучей рассеивается как cслучайный свет. Интенсивность отраженного света максимальна около оси луча и понижается при приближении к внешнему краю луча. На рис. 11.6 в общем виде показано устройство отражателя и лампочки в которой нить ближнего света оборудована экраном. Делает хорошую форму луча ближнего света и используется, главным образом, с асимметричными фарами.
Бифокальный отражатель
Бифокальный отражатель (см. рис. 11.5, в), как и предполагает его название, имеет две секции отрежется с различным фокусным расстоянием. Это помогает использовать больше света, падающего на нижнюю часть отражателя. Параболическая секция
в нижней части имеет такую конфигурацию, чтобы отражать свет вниз, чем улучшает освещение ближней зоны непосредственно перед транспортным средством. Этот способ не подходит для ламп с двумя нитями, поэтому он используется только на транспортных средствах с системой четырех фар. При помощи мощных программ автоматизированного проектирования могут быть созданы отражатели с изменяемым фокусом из непараболических секций, что сгладит переходы между каждой областью.
Софокусный отражатель
Софокусный отражатель (см. рис. 11.5, г) составлен из множества секций, фокусы которых совпадают. Эта конструкция позволяет получить более короткое фокусное расстояние и, следовательно, модуль в целом будет иметь меньшие размеры по глубине. Эффективный световой поток также увеличивается. Для получении дальнего и ближнего света в модуле применяется лампа с двумя нитями. Свет от главной секции отражателя обеспечивает
освещение на большой дальности, а вспомогательные отражатели улучшают освещение ближней и боковой областей.
Полиэллипсоидальная система фары
Полиэллeпсоидальная система (PES), показанная на рис. 11.7, была предложена компанией Bosch в 1983 г. Она позволяет получить луч света столь же хороший, а в некоторых случаях даже лучший, чем обычные фары, но со светоотражающей площади менее 30 см5. Это было достигнуто при использовании отражателя и прожекторной оптики, разработанной при помощи программы автоматизированного проектирования(C A D ). Защитный экран обеспечивает необходимую конфигурацию луча. Можно получить луч с четко определенной линией среза или, наоборот, с преднамеренным недостатком резкости. Новейшая система PES-Plus, которая предназначена для больших автомобилей, еще в большей степени улучшает освещение в ближней зоне. Эти источники света используют лампы только с единственной нитью и входят в систему с четырьмя фарами.
Линзы фары
Хорошая фара должна создавать мощный, далеко распространяющийся центральный луч, вокруг которого свет распределен по горизонтали и вертикали так, чтобы освещать как можно большую область поверхности дороги. Формирование луча может
быть значительно улучшено при пропускании отраженных лучей света через блок прозрачных линз. Линза служит для перераспределения отраженною луча света и любых случайных лучей так, чтобы при минимуме яркости было достигнуто наиболее полное освещение дороги. Блок призматических линз показан на рис. 11.5, б.
Линзы действуют по принципу преломления света - то есть изменения направления лучей света, при прохождении «в» или «из» прозрачной среды, такой как стекло (пластмасса на некоторых современных фарах). Передняя крышка и стеклянная линза фары делится на большое количество маленьких прямоугольных зон, причем каждая зона формируется оптически в виде вогнутой бороздки или комбинации бороздок и призм. Форма этих зон такова, что когда почти параллельный луч проходит через стекло, каждый индивидуальный элемент линзы пере направляет лучи света, создавая в итоге улучшенные характеристики направленности или структуры луча.
Бороздки управляют горизонтальным распространением света. В тоже самое время призмы резко отклоняют лучи вниз, чтобы создать локально освещение дороги рассеянным светом непосредственно перед транспортным средством. Действие вниз показано на рис. П .5 , б.Многие фары теперь изготавливаются с гладкими стеклами; это означает, что направленность всего светового потока формируется только отражателем(см. рис. 11.4).Это позволяет получить автоматическую компенсацию при любом распределении груза на транспортном средстве. На рис. 11.9 показана схема расположения датчиков этой системы. Приводы, которые перемещают огни, могут быть выполнены в
разных вариантах: от гидравлических устройств до шаговых двигателей. Пример практической регулировки положения
фары представлен на рис. 11.10. Регулирование выполняется
перемещением двух винтов, расположенных на фарс так, что один заставляет свет перемешаться вверх и вниз, а другой вызовет движение из стороны в сторону.
Регулирование луна фары
Существует много типов оборудования для установки луча, и большинство из них работает по принципу, представленному на рис. 11.11. Метод похож на метод, использующий панель нацеливания луча, но удобнее и точнее благодаря облегчению процесса и меньшему требуемому объему помещения. Чтобы установить фары автомобиля, используя панель нацеливания луча, нужно выполнить следующую процедуру:
1. 
Установить автомобиль на уровне земли напротив прямоугольной вертикальной панели, желательно на расстоянии 10 м. Автомобиль должен быть без груза и пассажиров (за исключением водителя).
2. Разметить панель нацеливания луче так, как показано на рис. 11.12.
3. Качнуть подвеску, чтобы гарантировать более точную установку уровня.
4. 
В режиме ближнего спето отрегулировать линию края луча по горизонтальной отметке так, чтобы он был ниже высоты центра фары на 10 см (или в соответствии с рекомендацией изготовителя). Если расстояние меньше10 м, то на каждый метр сокращении дистанции нужно уменьшить эту высоту на 1 см.Каждый луч света регулировать поочередно.
Схемы освещения
Основная схема освещения на рис 11.13 показана простая схема освещения. Схема помогает понять, как работает система освещения, но в такой простой форме она теперь не используется. Например, противотуманные фары включены таким образом, чтобы работать только при наклонении габаритных огней или ближнего света фар. Другой пример, фарам не разрешается работать без включенных заднее габаритных огни.
Схема слабого света
Фары с ослаблением луча спета — попытка предотвратить использование водителями только габаритных огней в условиях сумерек или плохой видимости. Согласно этой схеме при включении габаритных огней при включенном зажигании фары автоматически включаются приблизительно на одну шестую от нормальной мощности.
Если возникает какое-либо сомнение относительно видимости или условий освещенности, включите фары на слабый свет. Если автомобиль в хорошем состоянии, этот свет не будет разряжать батарею. Огни слабого света обеспечиваются оlним из двух способов. В нервом используется простой резистор, соединенный последовательно с лампой фары; во втором используется модуль «прерывания», который быстро подключает и отключает питание от фар (широтно-импульсное регулирование).
В любом случае, когда водитель выбирает нормальный свет фар, регулятор освещенности не используется, на рис. 1.14 представлена упрощенная схема огней слабого света, использующая последовательно включенный резистор. Это самый дешевый метод, но возникает проблема, заключающаясяв том, что резистор (сопротивление около 1 Ом)сильно нагревается и, следовательно, должен быть
помешен в соответствующем месте.