Home Автоэлектроника Передние фары автомобиля, блок фары и прожекторы
Автоэлектроника

Передние фары автомобиля, блок фары и прожекторы

Типы автомобильных отражателей для фар
Рис. 1. Параметры параболоидного отражателя автомобильной фары
а) распределение светового потока при расположении нити накала в фокусе; б) мелкая автомобильная фара; в) глубокая автомобильная фара

В темное время суток при высоких скоростях движения необходимо освещать дорогу и обочину перед автомобилем на расстоянии 50—250 метров. Это позволяет водителю своевременно оценивать дорожную обстановку и избегать столкновений с препятствиями. Для освещения дороги на автомобили устанавливают фары и прожекторы с параболоидными отражателями света. Распределение света фары на дороге зависит от конструкции оптического элемента и установленной в нем лампы.

Отраженные от параболоидного отражателя лучи идут узким пучком параллельно оптической оси, если в фокусе F (рис. 1) отражателя помещен точечный источник света. Поверхность отражателя не имеет точной геометрической формы параболоида. Поэтому в фарах отраженные лучи представляют слабо расходящийся пучок света.

Световой пучок от источника света распространяется в пределах телесного угла 4π. На отражатель падает световой пучок, расходящийся в телесном угле ω1, которому соответствует плоский угол охвата 2ɸ. После отражения этот пучок собирается в малом телесном угле ω2, При сечении которого меридиональной плоскостью получают плоский угол излучения 2γ. Даже при некотором уменьшении энергии отраженного светового пучка из-за потерь на поглощение света концентрация пучка отраженных лучей в малом телесном угле ω2 позволяет во много раз увеличить силу света в нем по сравнению с силой света нити накала лампы.

Параболоидные отражатели автомобильных фар увеличивают силу света лампы в нужном направлении в 200—400 раз и тем самым обеспечивают необходимую освещенность дороги на значительно больших расстояниях. Так, лампа силой света свыше 50 кд без отражателя обеспечивает освещенность 1 лк на расстоянии около 7 м. При наличии отражателя сила света в центре светового отверстия фары возрастает до 10 000—40 000 кд и освещенность 1 лк достигается на расстоянии 100—200 м.

При расчете освещенности дальних участков дороги учитывают только пучок отраженных лучей. Часть светового пучка источника, которая проходит мимо отражателя через световое отверстие сильно расходящимся пучком, освещает лишь близлежащие участки дороги в пределах 5—10 м. Эта часть пучка называется непреобразованной и обычно экранируется, так как из-за большого угла рассеяния она ухудшает видимость при движении в тумане или в дождливую погоду.

Полезная часть светового пучка будет больше при большем угле охвата 2ɸ. Угол охвата можно увеличить в результате уменьшения фокусного расстояния f при неизменном диаметре светового отверстия, или, при неизменном фокусном расстоянии, вследствие увеличения диаметра светового отверстия. Однако глубокий параболоид с малым фокусным расстоянием сложнее штамповать. При небольшом фокусном расстоянии сильнее нарушается требуемое распределение света в отраженном световом пучке из-за меньшей точности геометрической формы штампованного отражателя. Возможности увеличения диаметра светового отверстия ограничены условиями размещения фары на автомобиле. Обычно угол охвата отражателей автомобильных фар не превышает 240°. Мелкие отражатели с большим фокусным расстоянием применяют в прожекторах, так как они создают световой пучок с незначительным углом рассеяния.

Отражатели в оптических элементах автомобильных фар и прожекторов предохраняют от воздействия окружающей среды защитными стеклами. В фарах головного освещения защитные стекла — рассеиватели осуществляют вторичное распределение светового потока в вертикальной и горизонтальной плоскостях, обеспечивая требуемый уровень освещенности на различных участках дорожного полотна. Сила света, максимальная вдоль оптической оси фары, постепенно уменьшается при отклонении от оптической оси в горизонтальной плоскости и резко снижается при отклонении -луча вверх или вниз. Двойной угол рассеяния, в котором сила света снижается до 10 % максимального значения, составляет 18—24° в горизонтальной и 5—9° в вертикальной плоскостях.

Автомобильные фары должны удовлетворять двум противоречивым требованиям: хорошо освещать дорогу перед автомобилем и не ослеплять водителей транспортных средств при встречном разъезде. Ослепление светом фар водителей встречных автомобилей является серьезной проблемой, непосредственно связанной с обеспечением безопасности движения. В настоящее время она решается применением двухрежимных систем головного освещения с дальним и ближним светом.

Дальний свет фар предназначен для освещения дорожного полотна перед автомобилем при отсутствии встречного транспорта. Ближний свет обеспечивает освещение дороги перед автомобилем при движении в населенных пунктах или при разъезде с встречным транспортным средством на шоссе. Ближний свет значительно снижает ослепление участников дорожного движения при достаточном уровне освещенности дороги и правой стороны обочины. Фары головного освещения должны обеспечивать необходимую видимость дороги и объектов на ней при дальнем и ближнем свете. Переключение с дальнего света на ближний при встречном разъезде должно осуществляться водителями обоих транспортных средств одновременно при расстоянии между машинами не менее 150 м.

Для получения дальнего и ближнего света в двухфарных системах освещения используют двухнитевые лампы накаливания. Современные автомобили оборудуют фарами головного освещения с американской и европейской системами асимметричного свето-распределения ближнего света. Асимметричный световой пучок обеспечивает лучшую освещенность той стороны дороги, по которой движется автомобиль, и уменьшает ослепление водителя встречного транспорта.

В лампах фар с американской и европейской системами свето-распределения нить накала дальнего света располагают в фокусе отражателя. Световой пучок дальнего света с малым углом рассеяния может быть получен при минимальных размерах спирали, выполняемой в виде дуги, лежащей в горизонтальной плоскости. Большие линейные размеры нити дальнего света по горизонтали обусловливают большее рассеяние светового пучка в горизонтальной плоскости.



Типы автомобильных передних фар
Рис. 2. Автомобильные фары с различными системами распределения ближнего света:
с — американская система; б — европейская система; 1 — нить дальнего света; 2 —« нить ближнего света; 3 — экран

В фарах с американской системой светораспределения нить 2 ближнего света (рис. 2, а) в виде спирали цилиндрической формы смещена несколько вверх и вправо относительно фокуса, если смотреть на отражатель со стороны светового отверстия. Спираль ближнего света расположена поперек оптической оси.

Если источник света выведен из фокуса, отраженный параболоидом пучок света отклоняется от оптической оси. При этом пучок света разделяется на две части. Одна часть светового пучка, попадающая на внутреннюю поверхность отражателя от вершины до фокальной плоскости А А, отражается вправо и вниз относительно оптической оси. Остальная часть светового пучка, отражаемая от внешней части параболоида между фокальной плоскостью АА и плоскостью светового отверстия ВВ> направлена влево и вверх и попадает в глаза водителя встречного автомобиля.

Световой пучок фар ближнего света с американской системой распределения не имеет четкой светотеневой границы. Увеличение угла рассеяния отраженного светового пучка требует дополнительного светораспределения рассеивателем со сложной структурой, оптических микроэлементов. Для уменьшения светового потока лучей, направленных вверх и влево от оптической оси, применяют отражатели с меньшей глубиной. Светораспределение фар американской системы регламентируется силой света в контрольных точках измерительного экрана.

В фарах с европейской системой светораспределения нить 2 ближнего света (рис. 2, б) цилиндрической формы выдвинута вперед по отношению к нити 1 дальнего света и расположена чуть выше и параллельно оптической оси. Лучи от нити ближнего света, попадающие на верхнюю половину отражателя, отражаются вниз и освещают близлежащие участки дороги перед автомобилем. Непрозрачный экран 3, расположенный под нитью 2 ближнего света, исключает попадание световых лучей на нижнюю половину отражателя, поэтому глаза водителя встречного транспортного средства находятся в теневой зоне. Одна сторона экрана 3 отогнута вниз на угол 15° (рис. 2, в), что позволяет увеличить площадь активной поверхности левой половины отражателя и освещенность правой обочины и правой полосы движения автомобиля (рис. 3).

Схемы световых пятен на дороге
Рис. 3. Схемы световых пятен на дороге при освещении автомобильной фарой с европейской системой светораспределения:
а) — дальний свет; б) — ближний свет; 1) — с обычной лампой накаливания; 2) — с галогенной лампой категории Н4; I) — осевая линия дороги

Световой пучок фар с европейской системой светораспределения при их работе в режиме ближнего света имеет четко выраженную светотеневую границу (рис. 4), что обеспечивает четкое разделение на освещенную зону и зону неслепящего действия. Фары европейской системы, предназначенные для правостороннего движения, при освещении ближним светом вертикального экрана должны создавать на нем светотеневую границу, имеющую о левой стороны горизонтальный участок, а с правой — участок, направленный под углом 15° к горизонтали.

европейская система светораспределения автомобильных фар
Рис. 4. Светораспределение фары европейской системы:
а — дальний свет; б — ближний свет

Рассеиватель фары европейской системы меньше влияет на организацию светораспределения по сравнению с автомобильной фарой американской системы. Большая часть нижней половины рассеивателя при ближнем свете не используется и рассчитана на распределение дальнего света, что улучшает характеристики фары в режиме дальнего света.

Экраны для проверки автомобильных фар
Рис. 5. Экраны для проверки фар европейской асимметричной системы:
а — разметка экрана для проверки ближнего света; б — контрольные точки экрана для проверки дальнего света; I—IV — зоны

Распределение ближнего света фар европейской системы регламентируется освещенностью в контрольных точках и зонах специального экрана (рис. 5, а). Экран предназначен для лабораторной проверки фар на соответствие их светораспределения европейским нормам и представляет собой имитацию перспективы двухполосной автомобильной дороги. ГОСТ 3544—75 устанавливает минимально и максимально допустимую освещенность для контрольных точек и зон экрана при проверке фар с лампой R2 (см. табл.).

Тип фары (диаметр оптического элемента)
Освещенность, лк (не менее), в точках и зонах экрана (см. рис. 4)
B50L 75R 50R 25R 25L зона III зона IV
CR и C (соответственно 170 и 136мм) CR 136мм 0,3 8,0 12,0 1,5 1,5 0,7 2,0
0,3 4,0 10,0 1,5 1,5 0,7 2,0

Вертикальная линия VV на экране соответствует оси, а линии 0G и 0G* — краям правой полосы дороги, по которой движется автомобиль. Фактически линия 0G* является осью дорожного полотна. Линия ОЕ приблизительно соответствует траектории глаз водителя встречного автомобиля. Линии OF и OF* являются соответственно внешним краем и осевой линией левой полосы дороги. Контрольная точка B50L находится на уровне глаз водителя встречного автомобиля, когда расстояние между автомобилями равно 50 м. Точки 50R и 75R характеризуют освещенность правого края правой полосы дороги соответственно на расстояниях около 50 и 75 м.

Опасная в отношении ослепления зона III расположена выше светотеневой границы HOD. Для нее установлен очень низкий уровень допустимой освещенности. Для зоны IV, отражающей видимость дорожного полотна, установлена минимальная освещенность. В зоне II освещенность должна быть наивысшей. Зона I соответствует участку дороги на расстоянии до 25 м перед автомобилем. Чтобы избежать излишней яркости ближнего к автомобилю участка дороги и чрезмерного контраста с более удаленными участками, для зоны I нормируют максимально допустимый уровень освещенности. Для оптических элементов с галогенными лампами введены дополнительные контрольные точки экрана B75L, 50L и 50V. Нормы освещенности экрана в контрольных точках и зонах экрана для фар с галогенными лампами выше.

Фару, подвергаемую контрольной проверке, располагают на расстоянии 25 м от вертикального экрана. Фара должна быть установлена таким образом, чтобы левая горизонтальная часть светотеневой границы на экране находилась на расстоянии 250 мм ниже горизонтальной плоскости, проходящей через фокус отражателя фары (на 250 мм ниже нормали НН экрана). Направление лучей фары регулируется поворотом ее в вертикальной и горизонтальной плоскостях до тех пор, пока левая горизонтальная часть светотеневой границы не совпадет с нормалью НН экрана, а точка перелома этой границы — с точкой О. Правая наклонная часть светотеневой границы должна совпадать с линией OD, проведенной из точки О под углом 15° к нормали НН экрана.

Освещенность измеряют люксметром, состоящим из измерителя и отдельного фотоэлемента с насадками, помещая его в контрольных точках и зонах экрана. Измерение можно проводить, оставляя фотоэлемент неподвижным в точке О и поворачивая фару в горизонтальной и вертикальной плоскостях на углы, соответствующие координатам контрольных точек.

Для проверки светораспределения дальнего света фар измеряют освещенность в пяти точках экрана (рис. 5, б), расположенных на нормали НН, соответствующей горизонтальной плоскости, проходящей через фокус фары. Дальний свет контролируют после проверки ближнего света, оставляя фары в том же положении, что и при проверке ближнего света. Нормы освещенности в контрольных точках экрана (на расстоянии 25 м от фары) в соответствии с Правилами ЕЭК ООН приведены в таблице ниже.

Наименование
Освещенность, лк, в соответствии с правилами ЕЭК ООН
1 и 5 8, 20 и 31
Предельные значения
Контрольные точки:
О, не менее
А и А *, не менее
В и В *
32 (не ниже)

0,9Emax
16
4
48-240

0,8Emax
24
16

Поворотом фары на небольшие углы в вертикальной и горизонтальной плоскостях на экране отыскивают точку с максимальной освещенностью Emax и измеряют эту освещенность. На экране (рис. 5, б) показано приблизительное расположение изолюкс, соответствующее Правилам 1 и 5 ЕЭК ООН.

Фары европейской системы имеют более рациональное свето-распределение. Сила света лучей, идущих выще оптической оси, фар с американской системой выше. Для точки B50L и зоны III контрольного экрана она составляет 800 и 1500 кд, тогда как для фар европейской системы — соответственно 200 и 440 кд. Следовательно, ослепляющее действие фар американской системы больше. В то же время освещенность дороги фарой американской системы при переключении с дальнего света на ближний меняется меньше. Фара европейской системы по сравнению с фарой американской системы лучше освещает правую полосу дороги и обочину. Однако при движении автомобиля по неровной дороге колебания светотеневой границы приводят к быстрому утомлению зрения водителя. Фары с американской системой светораспределения с размытым световым пучком ближнего света менее чувствительны к неровностям дороги.

Обе системы обеспечивают безопасный встречный разъезд автомобилей только на прямой ровной дороге при условии правильной регулировки оптических элементов и своевременного переключения дальнего света на ближний.

На автомобили устанавливают две или четыре фары дальнего света и две фары ближнего света. Свет фар должен быть белым. Допускается установка фар светло-желтого селективного света. При четырехфарной системе головного освещения внешний край светового отверстия фар дальнего света должен быть расположен дальше от плоскости бокового габарита, чем внешний край светового отверстия фар ближнего света. В двухфарной системе дальний и ближний свет совмещены в одной фаре с двухнитевой лампой. Расстояние между внутренними кромками световых отверстий фар ближнего света должно быть не менее 600 мм, от внешней кромки фары ближнего света до плоскости бокового габарита — не более 400 мм, высота установки фар по верхней кромке — не более 1200 мм, а по нижней — не менее 500 мм.

В двухфарных системах головного освещения применяют круглые и прямоугольные оптические элементы. Каждая фара обеспечивает дальний и ближний свет. В четырехфарных системах используют круглые оптические элементы диаметром 136 мм. Две внутренние фары создают дальний свет. Другие две фары, расположенные ближе к плоскостям бокового габарита автомобиля, имеют двухнитевые лампы и обеспечивают ближний свет при встречном разъезде транспорта. При отсутствии встречных автомобилей включают все четыре фары, чем достигается лучшая освещенность полотна дороги. Рациональное распределение ближнего и дальнего света по отдельным фарам позволяет рассчитывать их оптические системы на определенные режимы работы.



Внешний вид и устройство автомобильной фары ФГ140
Рис. 6 Автомобильная фара ФГ140

Наибольшее распространение в нашей стране получили круглые фары ФГ140 с европейской системой светораспределения (рис. 6). На ребра внутренней части корпуса 5 установлено опоркое кольцо 4 оптического элемента. Кольцо прижимается к корпусу пружиной. По периферии опорного кольца предусмотрены пазы, в которые входят головки регулировочных винтов 3. Винты ввертывают в гайки, закрепленные на корпусе, обеспечивая необходимую регулировку направления светового пучка фары в горизонтальной и вертикальной плоскостях в пределах угла ±4° 30'.

Одна из сторон опорного кольца служит привалочной плоскостью для оптического элемента, который крепят к кольцу тремя винтами 14 с помощью внутреннего ободка 1. Для фиксации оптического элемента в определенном положении кольцо имеет три несимметрично расположенных окна.

Металлостеклянный оптический элемент объединяет парабо-лоидный отражатель 10 с фокусным расстоянием 27 мм, рассеива-тель 11, приклеенный к отражателю, и лампу 2. Отражатель изготовляют из стальной ленты. Алюминированная отражающая поверхность для предотвращения окисления, повышения стойкости к воздействию влаги и механическим повреждениям покрыта тонким слоем специального лака.

В оптический элемент фары ФГ140 со стороны вершины парабо-лоидного отражателя устанавливают двухнитевую лампу с унифицированным фланцевым цоколем 6 (Р45t-41), Выводы лампы выполнены в виде прямоугольных штекерных пластин, на которые надевают соединительную колодку 7 с проводами 8 и держателем проводов 9. В оптический элемент фары устанавливают также лампы габаритного и стояночного огней. Экран 12, перекрывающий выход прямых лучей лампы накаливания, крепят к отражателю заклепками с помощью держателя 13.

Прямоугольные фары имеют параболоидный отражатель, ограниченный снизу и сверху горизонтальными плоскостями. Благодаря увеличению ширины светового отверстия в горизонтальной плоскости обеспечивается лучшее освещение дороги на большом расстоянии.

автомобильная прямоугольная фара
Рис. 7. Прямоугольная фара:
а — устройство; б — внешний вид; 1 — контактная пластина; 2 — соединительная колодка; 3 — металлическая пластина; 4 — пластмассовый кожух; 5 — отражатель; 6 — корпус; 7 — двухнитевая лампа; 8 — рассеиватель; 9 — винт; 10 — пластмассовая гайка; 11 — лампа габаритного огня; 12 — уплотнительная прокладка; 13 — пружинная защелка; 14 — ободок

Рассеиватель 8 (рис. 7) прямоугольной фары соединяют по фланцу со штампованным корпусом 6 с помощью прокладки 12 или самотвердеющей поливинилхлоридной массы (неразъемное соединение). Корпус 6 крепится к пластмассовому кожуху 4 винтами. Винты 9 с пластмассовыми гайками 10 обеспечивают регулирование направления светового пучка фары на автомобиле. В отражателе 5 с помощью пластины 3 закреплена фланцевая двухнитевая лампа 7 типа А12 — 45 + 40. В верхней части пластины 3 расположена пружинная защелка 13, которая прижимает фланец цоколя лампы. На штекеры лампы надевается соединительная колодка 2 проводов.

Дополнительную лампу 11 габаритного огня типа А12-4 крепят в патроне пластины 3 с помощью пластинчатой пружины. Провод, идущий к лампе габаритного огня, зафиксирован подпружиненным зажимом на контактной пластине 1.

автомобильная прямоугольная фара с галогенкой
Рис. 8. Прямоугольная фара с галогенной лампой:
а — устройство; б — расположение ручек регулирования; 1 — отражатель; 2 — галогенная лампа; 3 — крышка; 4 — соединительная колодка; 5 — лампа габаритного огня; 5 — экран; 7 — корпус; 8 — рассеиватель; 9 — ручка регулирования в горизонтальной плоскости; 10 — ручка корректора; 11 — ручка регулирования в вертикальной плоскости

В прямоугольной фаре 34.3711 автомобиля ГАЗ-З102 «Волга» устанавливают галогенную лампу 2 типа АКГ12—60+55—XЛ2 (рис. 8) и лампу 5 габаритного огня. Фара имеет устройство для корректирования наклона светового пучка в зависимости от нагрузки. Ручку 10 корректора устанавливают в два положения, соответствующие полной нагрузке и незагруженному состоянию автомобиля. Для замены лампы снимают крышку 5. Регулирование светораспределения фар в горизонтальной и вертикальной плоскостях осуществляется ручками 9 и 11. Доступ к регулировочным ручкам предусмотрен со стороны подкапотного пространства автомобиля.

автомобильная прямоугольная фара с галогенкой
Рис. 9. Блок-фара:
а — внешний вид; б — устройство; 1 — лампа габаритного огня; 2 — лампа фары головного освещения; 3 — лампа указателя поворота; 4 — рассеиватель

Все большее применение на автомобилях находят блок-фары (рис. 9), объединяющие в одном корпусе все или часть передних световых приборов. Блок-фары могут иметь общий или составной рассеиватель. При наличии общего рассеивателя упрощается его очистка. Недостатком блок-фар является невозможность их унификации для различных автомобилей. Правый и левый блоки одного автомобиля невзаимозаменяемы.

Дополнительные фары-прожекторы дают концентрированный световой пучок и служат для освещения дальних участков дороги. Их устанавливают на автомобилях, которым разрешается движение с повышенной скоростью. Прожекторы включают совместно с дальним светом фар при отсутствии встречных транспортных средств. Высота установки прожекторов не нормируется. Две фары-прожектора на автомобиле должны устанавливаться на одной высоте.

Для временного освещения предметов, расположенных вне зоны действия фар головного освещения, применяют прожекторы-искатели с узким световым пучком, устанавливаемые на поворотном кронштейне.