СВІТЛОВІ ПРИЛАДИ ПЕРЕДНЬОЇ ЧАСТИНИ АВТОМОБІЛЯ

СВІТЛОВІ ПРИЛАДИ ПЕРЕДНЬОЇ ЧАСТИНИ АВТОМОБІЛЯ

До СП передньої частина автомобіля, як правило, відносяться:

- основні блок-фари, що мають функції ближнього і дальнього світла, а також габаритного вогню;

- покажчики поворотів;

- додаткові фари дальнього світла;

- протитуманні фари.

Фари призначені для освітлення проїжджої частини і узбіччя дороги перед автомобілем. Допущені до експлуатації фари автомобілів завжди розташовуються попарно, і їх установка на транспортному засобі регламентована Правилами 48 ЄЕК ООН.

Типи фар і основні системи освітлення

Ближнє світло

При щільності транспортних потоків, що існує в даний час, дальнє світло використовується достатньо рідко. Тому основним під час руху є ближнє світло (95%). Завдяки застосуванню останніми роками ряду нововведень, вдалося значно поліпшити його характеристики:

—застосування асиметричної форми світлового пучка для ближнього світла із збільшенням дальності видимості на правому узбіччі;

—допуск до експлуатації різних типів галогенних ламп, що дозволило збільшити освітленість дороги на 50-80%;

—застосування нових систем фар з комплексною геометрією (PES, HNS) із збільшеною до 50% ефективністю;

—коректування кута нахилу фар автомобілів із завантаженою задньою частиною для уникнення засліплення водіїв зустрічних транспортних засобів;

—додаткове устаткування автомобілів омивачами фар;

—системи з розрядними лампами.

Завданням фар ближнього світла є:

- рівномірно, без плям освітлювати дорогу;

- забезпечуваьт достатню дальність видимості на ближньому узбіччі;

- виділяти свою смугу (направляюче світло);

- мати достатню ширину свіилового пучка;

- не засліплювати зустрічних учасників руху.

Практично у всіх системах фар (з лампою Н4), джерело ближнього світла розташоване перед фокусом параболічного відбивача. В результаті цього світло після відбивання має нахил щодо осі відбивача (рис.1, а). Екран лампи відсікає частину світлового потоку, яка без нього відбивалася б вгору. Таким чином, кромка екрану відображається на дорожньому полотні як світлотіньова межа. З таким розділенням «темний верх/освітлений низ» вдається досягти достатньої дальності видимості у всіх дорожніх ситуаціях. З одного боку, обмежується засліплення зустрічних водіїв, з іншого боку, забезпечується достатньо хороше освітлення нижче світлотіньової межі.

Дальнє світло

Дальнє світло, як найбільш інтенсивне, допускається застосовувати тільки за відсутності зустрічних транспортних засобів.

Дальнє світло (рис.1, б) включається окремо або разом з ближнім світлом.

Допускається установка двох або чотирьох фар дальнього світла. Фари дальнього світла можна суміщати і групувати з фарами ближнього світла і іншими світловими приладами (СП) передньої частини автомобіля.

До найбільш важливих показників світлорозподілу дальнього світла відносяться: симетричний розподіл по відношенню до медіатрис; світловий максимум по оптичній осі фари. Максимально допустима сила світла як сума окремих значень всіх встановлених на автомобілі фар дальнього світла повинна складати 225000 кд. Цей показник контролюється за допомогою базових чисел, розташованих на всіх фарах поряд із знаком омологації. 225000 кд відповідає числу 75. Сила дальнього світла може бути позначена, наприклад, числом 20 поряд з круглим знаком відповідності Правилам ЄЕК ООН. Якщо автомобіль обладнаний тільки такими фарами (інших фар дальнього світла не встановлено), то сумарна сила світла складає близько 40/75 від 225000 кд, тобто 120000 кд і т.п.

Рисунок 1. – Формування світлового пучка ближнього (а) і дальнього (б) світла: а – відбивач з лампою Н4, ввімкнена нитка ближнього світла (перед фокусом), б – ввімкнена нитка дальнього світла (у фокусі). 1 – нитка ближнього світла, 2 – екран лампи біля нитки ближнього світла, 3 – нитка дальнього світла.

Основні системи освітлення

У світовій практиці автомобілебудування прийнято дві основні системи освітлення: двофарна і чотирифарна.

У разі застосування в оптичному елементі фари однієї двониткової лампи і одного відбивача для ближнього і дальнього світла система є двофарною. Якщо функції ближнього і дальнього світла розділені, то мова йде про систему з 4 фар. Наявність додаткових фар (додаткове дальнє світло, протитуманні фари), нічого не міняє в цій класифікації.

Останніми роками, у зв'язку з різноманіттям дизайнерських рішень при проектуванні автомобілів і фар, фари дальнього і ближнього світла все частіше виконуються як суміщені СП (блок-фари). Це СП, що мають різні джерела світла, які працюють в різних режимах, але об'єднані в одному корпусі, мають одне захисне скло, або розсіювач, різні зони якого призначені, відповідно, для дальнього і ближнього світла. В цьому випадку зовні автомобіль оснащений двома фарами, які по суті функціонують як системи з 4-х або більше фар.

У зв'язку з тим, що в світовій практиці організації автодорожнього руху існують два типи руху: правосторонній і лівосторонній, то існують, відповідно, і дві системи освітлення.

У Європі «лівоасиметричні» фари (асиметричні фари для лівобічного руху) експлуатуються у Великобританії і Ірландії, в решті країн — «правосиметричні» (асиметричні фари для правостороннього руху). Для поїздок з континентальної частини до Великобританії і навпаки повинна бути передбачена можливість відключення асиметричної частини світлового пучка ближнього світла або повороту всієї фари на 15° за годинниковою стрілкою (погляд з місця водія).

Всі згадані системи освітлення в тій чи іншій мірі викликають засліплення зустрічних учасників руху (водіїв, пішоходів, велосипедистів і т.д.).

В умовах нічного руху автомобілів їх водії одночасно відчувають дискомфорт і фізіологічне засліплення, обумовлене дією прямої блискості автомобільних фар, яскравість світної поверхні яких 10⁴-10⁶ кд/м². Аналіз, проведений з використанням показника дискомфорту по Л.Холледею, дозволив встановити, що в процесі зустрічного роз'їзду автомобілів, оснащених сучасними фарами, зорові відчуття постійно наростають і знаходяться на рівні «неприємного і хворобливого» при відстанях між автомобілями менше 200 м, тобто постійний дискомфорт — специфіка зорової роботи водіїв. З погляду безпеки дорожнього руху найбільш важливо усувати і вміти оцінювати фізіологічну засліпленість, оскільки її наслідком є скорочення відстані виявлення і розрізнення (дальності видимості) дорогі і об'єктів на ній.

Дальність видимості — поняття суб'єктивне; це відстань, що залежить від багатьох чинників системи «водій — автомобіль, — дорога — середовище руху». Проте для порівняльної оцінки фар і систем освітлення в міжнародній практиці, що склалася, за дальність видимості приймають відстань, на якій вертикальна освітленість на правому узбіччі дороги досягає значення 1 лк. Для оцінки світлорозподілу фар використовують криві однакової освітленості (ізолюкси) або сили світла (ізокандели) у вигляді зображення на вертикальному екрані або на проекції горизонтальної ділянки дороги.

За геометричну дальність видимості при освітленні фарами ближнього світла приймають відстань, на якій горизонтальна ділянка світлотіньової межі перетинається з поверхнею дорожнього покриття.

Відбивачі

Відбивач-параболоїд

Тільки та частина світла, що випромінюється лампою і відбивається рефлектором служить для освітлення дороги.

Світло точкового джерела, розташованого у фокусі параболоїда, прямує паралельно і представляє, таким чином, хорошу основу для дальнього світла. Джерело світла поза фокусом створює світловий пучок, що розходиться. Верхня частина відбивача утворює ближнє світло, нижня частина для європейського світлорозподілу повинна бути екранована. За наявності двох спіральних ниток напруження, як, наприклад, в лампі Н4, один і той же параболічний відбивач може формувати як ближнє, так і дальнє світло (рис.1). Світлорозподіл відбивача коректується призмами і циліндричними лінзами розсіювача.

Фокусна відстань відбивачів складає 15-40 мм.

Відбивач-еліпсоїд (основа фар проекторного типу)

Еліпсоїд має два фокуси: значна частина світла від джерела, розташованого в першому фокусі, концентрується в другому. Екран, що розташований поряд з другим фокусом і має необхідну світлотіньову межу, проектується за допомогою асферичної проекційної лінзи на дорогу.

Перевагами проекторної системи є світлотіньова межа з будь-яким ступенем різкості. До проблем можна віднести високі робочі температури відбивача і лінзи, розкладання пучка в спектр на світлотіньовій межі і високу яскравість лінзи, що сприймається з дискомфортом. Спеціальні матеріали відбивачів, модифіковане формоутворення лінзи і додаткове розсіювання світла навколо лінзи дозволили, починаючи з середини 80-х років, застосовувати цю систему на практиці.

Системи проекторного типу застосовуються для фар ближнього світла, протитуманних фар і, рідше, для фар дальнього світла. На рис.2 представлені основні елементи конструкції фари на базі поліеліпсоїдного відбивача, і її принципова оптична схема.

За рахунок вищого ККД системи еліпсоїдних фар значно збільшуються розміри (ширина) світлового пучка, поліпшується видимість узбіч і поворотів дороги; покращується рівномірність освітлення в межах всієї світлової плями; дещо збільшується дальність видимості дороги.

Рисунок 2. – Поліеліпсоїдний відбивач в автомобільній фарі проекторного типу:

а – принципова оптична схема фари: 1 – перший фокус відбивача, 2 – другий фокус відбивача, 3 об’єктив, 4а – екран, розміщений у фокусі об’єктива, 4б – проекція екрана;

б – основні елементи конструкції фари: 1 – лінзовий об’єктив, 2 – екран, що формує світлотіньову межу, 3 – відбивач з лампою Н3.

Відбивачі з «вільною поверхнею»

Значним прогресом в технології відбивачів стало впровадження «вільних поверхонь» (спочатку (1988 р.) в системах проекторного типу). В порівнянні з вже достатньо ефективними еліпсоїдними відбивачами корисний світловий потік був збільшений на 43% (Super DE). Техніка вільних поверхонь заснована на розрахунку поверхні відбивача «по точках» за допомогою системи проектування CAL (Computer Aided Lighting).

Із застосуванням прецизійних ламп відбивач з вільною поверхнею може бути спроектований таким чином, що може використовуватися вся його поверхня. В порівнянні з параболоїдом виграш в ККД складає до 80%. Окрім цього техніка вільної поверхні дозволяє відмовитися від оптичної профілізації розсіювачів. Оптична поверхня відбивача може бути гладкою, з фасетами або виконана у вигляді сегментів.

«Ступінчасті» відбивачі

Ступінчасті відбивачі – це сегментовані відбивачі, що складаються з параболічних або параеліптичних (комбінація з параболи і еліпса) елементів. Тим самим навіть при зменшенні глибини деталей зберігаються переваги «глибоких» відбивачів (рис.3).

Фара з прозорим, беспрофільним склом відкриває нові можливості в дизайні автомобільних фар. Приклади таких відбивачів можна бачити у фарах «Фольксваген» автомобілів «ГАЗЕЛЬ», ВАЗ 2123-«НИВА» «ГАЗ-31105» «ВОЛГА».

Гомофокальні (співфокусні) відбивачі

Співфокусний відбивач складається з основного і додаткового відбивача (рис.3). Сектороподібні додаткові відбивачі із загальним (одним) фокусом мають меншу фокусну відстань і вносять додатковий внесок до світлового пучка. Світло додаткових відбивачів покращує освітлення зони перед автомобілем і збоку від нього, але не збільшує дальність видимості.

Рисунок 3. – Ступіньчастий відбивач складної форми: 1 – гомофокальний відбивач ближнього світла, 1а – базовий (основний) відбивач, 1б – додаткові відбивачі, 2 – відбивач дальнього світла, 3 – відбивач протитуманної фари.

Багатофокусні відбивачі

Принцип багатофокусного відбивача схожий з гомофокальним, тільки фокальних точок може бути декілька (дві або більше). Деталі відбивача – параеліптичні.

Фасетні відбивачі

Поверхня фасетних відбивачів складається з безлічі сегментів. Кожен сегмент може бути оптимізований за допомогою програми CAL. Істотним є те, що «розриви» і ступені є допустимими на всіх чотирьох межах фасетки. Таким чином, вдається добитися оптимізації світлорозподілу, що відповідає вимогам конкретного автовиробника.

HNS -отражатели

Відбивач містить багато оптичних елементів, особливістю яких є їх нерозривність, степені (переходи) розміщуються на сусідніх поверхнях. Із застосуванням відбивачів HNS (Homogeneous Numerically Calculated Surface) на сучасному етапі можна добитися збільшення ККД фари аж до 50%. Це означає, що світлорозподіл можна повністю забезпечити одним відбивачем без оптичної профілізації розсіювача.

Матеріали відбивачів

Традиційно відбивачі виготовляли методом пресування з листового металу, як правило, з полірованої сталі, рідше — з латуні або алюмінію. Їх поверхня «вирівнювалася» лаком і піддавалася металізації чистим алюмінієм у вакуумі і покривалася антикорозійним захисним шаром. Коефіцієнт відбивання такого покриття складає близько 87%. Відбивачі з металевих відливань (магній, алюміній і, раніше, цинк) застосовуються при невеликих габаритних розмірах і високих температурах.

В даний час для виготовлення відбивачів найчастіше застосовується Дюропласт (Duroplast (DMC)) (наприклад, LPP — Low Profile Polyester), що поєднує хорошу термостійкість і стабільність форми, але вимагає нанесення лаку «грунтовки».

При застосуванні термопластів особливу увагу слід приділяти деформації відбивача внаслідок теплового навантаження від джерела світла. Спеціальні методи розрахунків дозволяють моделювати зсув світлового пучка, викликаний високими температурами, і за допомогою зміни товщини стінок проводити значну корекцію.

До робочої поверхні відбивачів пред'являються високі вимоги. Шорсткість не повинна перевищувати 0, 001 мм. Конденсат, що утворюється у фарі, раніше часто руйнував відбивачі. Ця проблема вирішується застосуванням отворів для вентиляції і поліпшення захисту від корозії.

Світлові екрани-бленди

Для екранування прямих променів і світла, відбитого від декоративних поверхонь, що не працюють на формування світлорозподілу, застосовуються світлові бленди – екрани, що встановлюються перед джерелом світла. Їх внутрішня поверхня повинна бути матовою і/або, по можливості, чорного кольору. У декоративних цілях зовні бленди можуть бути виготовлені як блискучі ковпачки.

Розсіювачі

Прозорий розсіювач, встановлений перед відбивачем, в сучасній фарі, як правило, гармонує з геометрією кузова автомобіля.

Оптичні профілі на розсіювачах необхідні, коли відбивачі мають форму параболоїда (рис.4). При застосуванні відбивача з вільною поверхнею оптичні профілі покращують однорідність світлорозподілу. Для досягнення досконалого зовнішнього вигляду застосовуються прозорі розсіювачі з незначною кількістю декоративних профілів.

Рисунок 4. – Профілі розсіюючів фар: 1 – лінзові, 2 – призматичні, 3 – комбіновані.

Розсіювачі ближнього світла допускають нахил до 25 град., в іншому випадку відбувається викривлення світлотіньової межі. У сучасних фарах нахил і стрілоподібність можуть в сумі давати кут більше 60 град. Прозорі розсіювачі дозволяють збільшувати цей кут. Комбінований кут нахилу розсіювача і стрілоподібності визначає відношення коефіцієнта відбивання до коефіцієнта пропускання. При 0 град коеф.пропускання складає 92% для скла і 85% для пластмаси.

В Європі до 1983 р застосовувалися виключно пресовані скляні розсіювачі. Технологія пресування встановлює значні обмеження на формоутворення, а швидке зношування оснастки спричиняє великі допуски. Позитивною рисою є абразивостійкість і порівняно хороша термостійкість розсіювачів, яка може бути збільшена хімічним чи термічним загартуванням.

В 1993 р в Європі вперше були допущені до експлуатації пластмасові розсіювачі. У США і Японії пластмасові розсіювачі почали успішно застосовуватися дещо раніше. Їх перевагами в порівнянні з склом є незначна вага і легке формоутворення. Як основний матеріал застосовується полікарбонат з нанесеним із зовнішнього боку зміцнюючим абразивостійким покриттям.

При незначному забрудненні розсіювачів спочатку збільшується засліплення, а при посиленні забруднення відбувається зниження світлового потоку. Тому очищувачі і омивачі фар є важливими елементами. Для скляних розсіювачів можливе застосування як традиційних щіткових очищувачів, так і омивачів інжекторного типу. Для розсіювачів із пластмаси можуть застосовуватися тільки безконтактні інжекторні омивачі. Разом з нерухомо встановленими форсунками вся більше перевага віддається «телескопам», які висуваються під дією тиску води. Включення проводиться одночасно з включенням омивачів вітрового скла, але тільки при роботі фар.

Додаткові фари

Протитуманні фари

Відповідно до Правила ЄЕК ООНв передній частині автомобіля допускається установка двох протитуманних фар, які при поганій видимості повинні доповнювати ближнє світло або працювати разом з габаритними вогнями. Великі кути розсіяння для освітлення узбіч дорогі і чітка горизонтальна світлотіньова межа є ознаками хороших протитуманних фар. Протитуманні фари можуть вмонтовуватися як у вертикальному положенні, так і в підвісному з кріпленням під бампером. Все частіше фари, виходячи з вимог дизайну або аеродинаміки, виготовляються у вигляді елементів, вбудованих в кузов. Також вони можуть бути частиною «блоку» з основними фарами.

Колір випромінювання протитуманних фар може бути білим або жовтим.

Додаткові фари дальнього світла

Додаткові фари дальнього світла призначені для підсилення дальнього світла, вони можуть повертатися для зміни орієнтації світлового пучка.

Прожектор-шукач

Прожектор-шукач є рухомою фарою і служить для знаходження номерів будинків і табличок з назвами вулиць. Відрізняється вузьким світловим пучком дальньої дії

Ходові і габаритні вогні

Для додаткового позначення рухомого транспортного засобу в світлий час доби багато країн вимагають або дозволяють використання «ходових вогнів».

Функцію «ходового світла» може виконувати ближнє світло або протитуманні фари. Оскільки при цьому витрачається порівняно багато електричної енергії і, тим самим, паливо (100 Вт = 0, 12 л на 100 км), допускаються до використання і інші світлові прилади, економічніші при тривалій експлуатації.