汽車燈具設計原理與方法
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上傳人：admin 上傳時間： 2007-02-08 瀏覽次數(shù)： 1871 |
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摘要: 隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展, 對汽車車燈照明的效果也越來越加以重視。介紹了汽車燈具的設計原理與方法, 特別對汽車前照燈的設計給出了較詳細論述, 并對當前國際較流行的新穎車燈設計原理作了介紹。
關鍵詞: 汽車燈具; 前照燈; 配光鏡; 自由曲面中圖分類號: TH 7
1 引 言
汽車燈具主要有照明燈具和信號燈具兩大類。照明燈具包括汽車必備的遠光與近光前照燈外, 還有一些輔助的照明燈具, 例如霧燈, 作業(yè)照明燈, 后照燈及倒車燈等。信號燈具主要用來顯示汽車行駛狀況及汽車外廓尺寸等, 主要有前后示寬燈, 制動信號燈及轉向信號燈等。
隨著汽車速度的提高, 對汽車車燈照明的要求也越來越嚴格, 汽車燈具設計的難點是前照燈, 本文對前照燈原理, 前照燈種類, 前照燈標準及前照燈設計方法作詳細介紹。
2 汽車前照燈照明原理
汽車前照燈主要由光源, 反射鏡及配光鏡三部分組成。
2.1.1 反射鏡原理汽車燈具中常用的反射鏡是拋物面反射鏡。 拋物面是以拋物線為母線繞軸旋轉180°而構成, 它的剖面圖如圖1 所示。拋物面反射鏡有一個焦點F, 在其焦點F 上放置一個點光源, 則點光源發(fā)出的光線經(jīng)拋物面反射鏡反射后, 光線將平行ox 軸出射, 光線的光路為FAB 光線非常集中, 適宜于遠距離照明, 遠光主燈絲一般都置于拋物面反射鏡的焦點附近, 由于燈絲有一定大小, 雖然置于焦點上, 經(jīng)反射后仍有一個微小的發(fā)散角。如果將點光源從焦點F 向前移到S 時, 由S 點發(fā)出的光線經(jīng)反射鏡反射后光線光路為FAC, 考慮拋物面繞軸旋轉對稱性, 反射鏡上部的反射光照明下方, 而反射鏡下部的反射光照明上方, 圖2 表示一段圓柱燈絲移到焦點前方照明情況。前照燈的近光燈絲就是置于焦點前面, 使上部的反射光照明下方路面, 而下部的反射光照明上方, 這對迎面而來的駕駛員會造成嚴重的眩光, 為了克服眩光,H4 燈在近光燈絲下方設置一個遮光罩, 使近光燈絲的光線不落在反射鏡的下半部分, 避免下半部分反射光線射入駕駛員眼睛里。  圖1 拋物面反射鏡反射特性 圖2 燈絲移到焦點前方照明情況
212 H4 燈的結構在我國使用的前照燈中用得最多的光源是H4 燈, 其結構及燈絲尺寸如圖3、圖4 所示。
 圖3 H4 燈結構圖4 H4 燈燈絲尺寸及遮光方法
H4 燈是雙燈絲的鹵鎢燈泡, 兩根圓柱狀燈絲沿軸向安放, 主燈絲位于拋物面反射鏡焦點附近, 用于遠光照明, 副燈絲位于拋物面反射鏡焦點的前方, 這樣副燈絲被反射鏡上部所反射的光可以照明路面。在副燈絲的下方有一個鉬制的遮光罩, 遮光罩一側沿水平遮光, 另一側向下傾斜15°遮光, 經(jīng)反射鏡反射后, 前者形成一條水平明暗截止線, 后者形成一條向上傾斜15°的明暗截止線。
主燈絲, 副燈絲及安裝基面之間的尺寸位置都有嚴格要求, 車燈制造廠一般通過調整LCL 的大小來調整燈絲在反射鏡中的位置, 使遠光、近光呈最佳配光狀況, 如圖5 所示。當LCL 較小時, 意味著整個H4 燈向前移動, 使近光燈絲向前離焦點較遠, 因為光形尺寸變大, 中心暗區(qū)變大; 當LCL 較大時, 意味著整個H4 燈向后移動, 使近光燈絲向前離焦點較近, 因此光形尺寸變小, 中心暗區(qū)變小。遠光燈絲(主燈絲) 中心在焦點上時, 遠光光形較小, 中心偏離焦點時, 遠光光形增大。
 圖5 H4 燈與反射鏡安裝基準
2．3 配光鏡的作用
H4 燈加上拋物面反射鏡是不能符合汽車前照燈照明標準要求的, 因為從遠光來看, 還需要沿水平方向左右略帶擴散; 從近光來看, 由于燈絲移到焦點前方, 使照明光斑中心出現(xiàn)一個暗區(qū)。因此需要借助配光鏡改變原有的光能量分布情況。
配光鏡上常用折射單元有: (1) 柱面透鏡(凹圓柱面或凸圓柱面) 使光線左右發(fā)散成一定角度, 見圖6 所示。(2) 雙曲平面(輪胎) 透鏡, 使光線左右、上下均發(fā)散一角度, 見圖7 所示。(3) 楔形棱鏡, 使光線向下、向上或向斜方向偏折一個角度, 分別見圖8 (a)、圖8 (b) 或圖8 (c) 所示, 光線經(jīng)過楔形棱鏡時總向棱鏡厚的一側偏折。
  圖6 柱面透鏡 圖7 輪胎面透鏡
 圖8 楔形棱鏡
為了使前照燈滿足道路照明標準, 必須通過配光鏡上的花紋(折射單元) 使光線擴散或偏折, 而花紋劃分至少應有3 個區(qū)域, 如圖9 所示。A、B 區(qū)域花紋主要為了滿足近光的配光,C 區(qū)域花紋為了完善提高遠光的配光。
 圖9 配光鏡花紋區(qū)域劃分
A 區(qū)域主要利用柱面透鏡使光線左右擴散, 改善近光時左右前方照明, 同時要保證水平截止線明暗清晰。B 區(qū)域主要利用楔形棱鏡和柱面透鏡, 加強75m 及50m 距離處的車道右邊線光照度, 同時要保證15°截止線明暗清晰。C 區(qū)域主要利用曲率半徑較大的柱面透鏡, 使遠光左右略有擴散, 保證遠距離道路照明。
3 汽車前照燈的種類 常用的汽車前照燈有3 種: (1) 帶配光鏡的前照燈, (2) 自由曲面前照燈, (3) 多橢球射燈。311 帶配光鏡的前照燈如圖10 所示。
此種前照燈目前在我國用得最多, 老桑塔納, 新桑塔納及夏利等都用這種前照燈, 它由H4 燈加上拋物面反射鏡和配光鏡組成近、遠光一體的前照燈, 它的原理如前面所述。在H4 燈前方還放置一個金屬遮光罩, 主要作用是遮擋直射光線, 同時遮擋反射鏡邊緣誤差較大的區(qū)域, 以便改善照明效果。
 圖10 帶配光鏡的前照燈312 自由曲面前照燈如圖11 所示:
 圖11
自由曲面前照燈外型這是近年來發(fā)展起來的一種新穎前照燈, 在國外已被廣泛應用, 我國上海通用汽車公司1998 年投產的BU ICK 轎車的前照燈也采用了自由曲面。
自由曲面前照燈, 用一塊光滑的玻璃替代了配光鏡, 原來配光鏡的配光功能將由反射鏡承擔, 在反射鏡上劃分了一塊一塊花紋, 它的光學原理類似配光鏡, 每一塊花紋都是由非規(guī)則的自由曲面構成, 它們的作用也是使光線左右, 上下擴散或使光線僅僅是偏折。圖12 表示光線經(jīng)自由曲面反射鏡反射后在測試面上形成一個符合照明標準的配光分布。
 圖12 測試面上形成的配光分布
自由曲面前照燈有以下特點: (1) 符合汽車車頭向流線型發(fā)展潮流, 在前表面傾斜使用時, 它比配光鏡光損失要小。(2) 適合于設計燈具高度較低的一體燈。(3) 自由曲面反射鏡可使H4 燈省掉近光燈絲遮光罩, 提高光的利用率。(4) 自由曲面前照燈造型新穎, 設計靈活, 適用于多種光源。
自由曲面形狀復雜, 必須采用計算機進行設計, 設計時根據(jù)光斑要求自動生成曲面, 并將設計的數(shù)據(jù)轉換為加工指令, 然后用加工中心或數(shù)控銑床進行加工, 因此自由曲面的設計與加工必需依靠一套
AD CAM 系統(tǒng)。313 多橢球射燈如圖13 所示:
 圖13 多橢球射燈
多橢球射燈形式的前照燈由光源, 多橢球反射鏡, 遮光板及非球面透鏡組成。多橢球是一種非旋轉對稱的曲面, 通過光軸的各個截面所得的橢圓具有不同的長半軸和短半軸, 它的作用是使光源成像在遮光板附近, 但垂直方向與水平方向具有不同的倍率, 從而控制光斑尺寸與形狀。遮光板的作用可以產生清晰的明暗截止線, 最后采用非球面透鏡將光斑投射到需要照明的區(qū)域。
多橢球射燈所用的光源可以是鹵鎢燈, 也可以是高壓氣體放電燈, 圖13 所示的燈具就是采用高壓氣體放電燈, 這是一種新穎的車燈光源, 具有發(fā)光效率高, 被照路面光照度高的優(yōu)點。
4 汽車前照燈的標準 不同用途的汽車燈具有不同的標準, 其中前照燈標準要求最高, 因此前照燈的設計難度也最大, 這里主要介紹前照燈標準。目前世界上對前照燈主要有3 個標準: 歐洲經(jīng)濟委員會ECE, 美國的SA E, 日本的J IS 。我國基本上參照ECE 的配光方式, 而國際上也有向ECE 靠攏的趨勢, 所以這里主要介紹ECE 標準。
圖14 是一幅道路的透視圖, 觀察者位于右側車道的軸線(對應圖15 的垂直線VV ′) 駕駛位置。B50L
 圖14 道路透視圖及相應檢查點
 圖15 ECE 近光檢驗用的測試屏幕 代表約50m 距離處迎面汽車的駕駛員眼睛位置, 該位置的照度越低越好, 可避免眩光、50R , 75R 分別表示約50m 和75m 距離處的車道右邊線對光照度有要求的兩個點的位置。
前照燈樣品的實驗室檢驗使用測試屏幕, 樣品放在離垂直測試屏幕25m 距離處, 屏幕上測試點的位置如圖15 所示, 圖上測試點的位置與圖14 是相對應的。垂直線VV ′相當于右側車道的軸線, 直線HG′和HG 對應透視圖右側車道的左右邊線。直線HF 代表左側迎面車道的外邊線, 直線HF ′代表左側迎而車道的中線。因此直線HG′是整個路面的軸線。直線HE 近似代表迎面汽車駕駛員眼睛的軌跡線。根據(jù)ECE 標準, 對前照燈近光主要檢查點如表1 所示。
表1 屏幕檢查點照度要求
 前照燈遠光的ECE 標準應是: 最大光照度點應位于H ′H ′線以上, 最大光照度在240lx～48lx 范圍內, 同時要測量位于H ′H ′線上的5 個檢查點。H 點的光照度應大于最大光照度的018 倍, 離H 點向左、向右11215cm 處的光照度不低于24lx, 離H 點向左、向右225cm 處的光照度不低于6lx 。針對遠光及近光這樣多檢查點要求, 因此對前照燈的配光設計帶來很大困難, 如果沒有參考樣燈, 完全靠經(jīng)驗進行配光設計, 很難一次成功。計算機輔助前照燈配光設計的目的就是要在沒有樣燈情況下, 能估算出在各檢查點的光照度, 從而對光學設計不斷進行修改, 使配光設計結果比較接近ECE 標準的要求。 5 汽車燈具的設計方法 汽車燈具的設計包括造型設計、配光設計、結構設計, 其中造型設計與結構設計經(jīng)過訓練后設計者感到容易入手, 而配光設計雖然經(jīng)過光學訓練, 如果沒有功能較強的計算機軟件, 設計者很難把握住設計結果, 往往無法入手。而且不同類型的前照燈, 需要不同的計算機設計軟件, 否則設計者很難獨立完成設計。
隨著汽車燈具設計技術的發(fā)展, 配光設計大體分為3 個階段: (1) 實物模擬配光設計, (2) 光線走向設計, (3) 汽車照明計算機仿真設計。
5．1．1 實物模擬配光設計
此種方法事先必須搜集各種曲率半徑和各種寬度的柱面透鏡, 各種楔形棱鏡, 各種光源與反射鏡。然后根據(jù)配光原理用鑲拼的方法在實驗室中試驗配光效果, 對簡單的汽車燈具, 鑲拼后容易達到要求, 復雜的汽車燈具需要反復鑲拼反復修改。這種方法早期美、歐車燈廠都有使用, 目前美國一些中小型車燈廠有時也用此種方法。此種方法的特點是比較直觀, 能直接得到配光的結果, 根據(jù)鑲拼后的實物去設計車燈, 試制結果差距不會太大。此種方法的缺點是受到鑲拼實物的限制, 很難設計出超越實物的新燈具。對自由曲面等90 年代發(fā)展的新穎燈具, 無法用實物鑲拼的方法得到模擬配光的結果。
5．1．2 光線走向設計
這是一種非常近似的設計方法, 利用二維(平面) 的光線光路計算公式, 使用一臺普通微型計算機, 可以把光線在柱面透鏡或楔形棱鏡某一截面上的光線走向計算和顯示出來, 由此可以預見光線發(fā)散角度或偏折方向, 但是無法知道光能量的分布。此種方法的特點是光學原理簡單, 只需經(jīng)過光學培訓, 就可以自己編寫一些小型計算軟件, 可以設計一些簡單的汽車燈具, 對復雜的前照燈, 采用此種方法必須要有參考樣燈, 對設計者要求有豐富的配光經(jīng)驗, 此方法的缺點是一種近似設計, 不能直接得到標準所要求的各點, 因此對配光的結果心中無數(shù), 這就限制了設計者只能設計本人熟悉的或有先例的車燈形式, 很難自由發(fā)揮, 同樣對90 年代發(fā)展的新穎燈具也無法設計。513 汽車照明計算機仿真設計
這種方法是隨著計算機技術發(fā)展而發(fā)展起來的, 在國外大型車燈公司已開始采用, 據(jù)報道德國的BO SCH 公司、HELLA 公司和日本的小糸車燈公司等都已采用仿真設計。當客戶向這些公司訂貨時, 在設計階段, 公司就可以向客戶提供: (1) 汽車燈具三維造型圖; (2) 預見的車燈配光曲線(等光強曲線, 等光照度曲線等); (3) 預見的道路照明效果圖(直行效果圖, 轉彎效果圖), 以及工藝分析報告, 熱量分析報告等設計資料?？蛻魧δ承┙Y果不滿意的話, 公司可以及時對設計進行修改, 以便滿足用戶要求。
90 年代以后, 隨著CAD CAM 技術發(fā)展, 各種車燈形式越來越多, 這與仿真技術的發(fā)展有密切關系。配光設計的仿真技術必須包含兩個內容: (1) 按照光學原理, 計算機能輔助產生一個合理的新穎車燈結構, (2) 計算機能模擬光能量傳播規(guī)律, 計算和顯示在測試屏幕或照明面上光能量的分布情況, 判斷設計是否符合標準。
為了實現(xiàn)配光仿真設計, 必須采用復雜的三維(空間) 光線光路計算, 光線的分布應該與光能量分布相一致。計算工具應該采用速度快、存儲量大的工作站或高檔微型計算機。對各種類型的汽車燈具都必須由專人開發(fā)設計軟件和校驗軟件, 大型車燈公司一般都有軟件開發(fā)人員, 經(jīng)過實踐使用和改進提高, 然后提供設計人員使用, 這些軟件對廠家來說一般都是保密和不對外售的。
6 結束語 目前國內多數(shù)車燈廠家不能獨立開發(fā)新穎車燈, 關鍵是沒有高檔的設計軟件。近年來我們與有關廠家緊密合作, 開發(fā)研制了汽車燈具計算機仿真設計軟件, 為國內車燈工業(yè)發(fā)展做了一點工作, 但是該項工作與國外先進技術相比還有一定差距, 還要繼續(xù)努力, 以求在近期內得到提高。 |
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