Из чего состоит фара автомобиля – Фары автомобиля: описание,назначение,виды,устройство,маркировка,фото,видео. | НЕМЕЦКИЕ АВТОМАШИНЫ
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ФАРЫ И ЛАМПЫ | Наука и жизнь
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
‹
›
В современном автомобиле можно насчитать более полусотни всевозможных ламп, лампочек и светодиодов. Часть из них предназначена для освещения дороги впереди и позади машины, другая часть — для обозначения габаритов, третья — для того, чтобы информировать окружающих о намерениях водителя, четвертая — для освещения салона, его закутков, панели приборов, багажника, моторного отсека, пятая — сигнальные лампы. Сегодня речь пойдет о лампах так называемого головного света — фарах.
Любая автомобильная фара состоит из корпуса, отражателя, рассеивателя и источника света, которым обычно служит лампа накаливания или газоразрядная лампа. Иногда отражатель, рассеиватель и источник света объединены в неразъемную конструкцию, называемую лампа-фара. Ее преимущество состоит в том, что раскаленная спираль находится в большом объеме газа, и за счет этого лампа лучше охлаждается. Кроме того, лампы-фары герметичны, поэтому у них не портится зеркальная поверхность отражателя и не загрязняется рассеиватель. Однако, когда такая лампа-фара перегорает, а это, увы, случается, приходится менять ее целиком. Стоит же такое изделие в пять-семь раз больше самой дорогой галогенной лампы для обычных фар.
Несмотря на большое разнообразие, все фары по конструкции можно разделить на две группы: с подвижным или неподвижным рассеивателем. К первой относятся знакомые всем автолюбителям фары «Жигулей» первой модели. У них корпус фар неподвижен относительно кузова, а отражатель с рассеивателем и лампой может наклонять ся вверх-вниз и поворачиваться вправо-влево. Направление светового пучка регулируется обычно двумя винтами, расположенными на корпусе фары снаружи. Кому хоть раз приходилось это делать, прекрасно знает, как трудно бывает провернуть тонкие, насмерть заржавевшие регулировочные винты на старой машине. В фарах с неподвижным рассеивателем направление светового потока тоже задается положением отражателя и лампы, но регулировочные винты защищены от грязи и воды, поскольку обычно находятся под капотом.
Ближний и дальний свет могут давать две разные фары или одна — с двухнитевой лампой. Нить дальнего света располагается в ней точно в фокусе отражателя и полностью открыта, а нить ближнего света находится чуть дальше фокуса и закрыта снизу небольшим металлическим экраном, поэтому свет от нее попадает только на верхнюю часть отражателя. Край экрана проецируется на дорогу как линия раздела «свет-тень». При такой схеме свет фар распределя ется по типу «тень выше, свет ниже» с вполне приемлемой освещенностью и в то же время не слишком ослепляет встречных водителей.
Сегодня используются в основном галогенные двухнитевые лампы, а лампы с инертными наполнителями практически забыты. Главное преимущество галогенных ламп заключается в том, что их внутренняя поверхность со временем не темнеет. Светоотдача у них выше, чем у обыкновенных, например, лампа категории R2 (такие используются в «жигулевских» фарах) при мощности 55/50 Вт (соответственно ближний и дальний свет) выдает световой поток в пределах 400-550 лм (люмен — единица светового потока), а близкая к ней по мощности галогенная лампа категории Н4 мощностью 60/55 Вт — в пределах 1000-1650 лм. Немаловажно и то, что по сроку службы галогенные лампы превосходят обычные почти вдвое.
Не так давно в автомобильные фары стали устанавливать ксеноновые газоразрядные лампы. Они весьма надежны и обладают еще большей светоотдачей (при электрической мощности 35-40 Вт световой поток достигает 3200 лм). Срок службы газоразрядных ламп — 1500 часов. Но чтобы они работали, автомобильных 12-ти вольт не хватает, нужны специальные электронные системы управления и преобразователи напряжения, дающие от 10 до 20 кВ.
Существуют две системы требований к автомобильным осветительным приборам — европейская и американская. Они включают требования к габаритным огням, сигналам поворотов и к нормам распределения света фар. По европейскому стандарту ближний свет фар должен иметь четкую границу света и тени. В странах с правосторонним движением эта граница слева горизонтальна, а справа — отклонена вверх на 15 градусов для освещения обочины. В американской системе светотеневая граница для ближнего света не обозначена. Требования же к распределению дальнего света в обеих системах почти одинаковы. В заключение приведем несколько советов по оснащению автомобиля световыми приборами и уходу за ними, которые помогут автолюбителям уверенно чувствовать себя на дороге в темное время.
• Самое серьезное внимание следует уделить регулировке фар. О том, как это делается, журнал уже рассказывал (см. «Наука и жизнь» № 4, 1999 г., статья «Перед дальней дорогой»).
• Для того, чтобы фары светили ярко, они должны быть чистыми. Даже небольшое загрязнение стекол может снизить освещенность дороги впереди автомобиля в три-четыре раза.
• Загрязненные фары следует мыть, а не протирать «всухую». Не только грубые, но и легкие царапины на стекле способны существенно снизить освещенность дороги.
• Не стоит надевать на фары пластмассовые колпаки, они в два-три раза снижают световой поток и нарушают тепловой режим.
• Не ставьте в фары цветные лампы (они бывают желтые, голубые и синие). Ничего, кроме уменьшения светоотдачи, цветное стекло не дает.
• Устанавливая в фару галогенную лампу, не касайтесь ее колбы. Легкий жировой налет от пальцев начнет пригорать и замутнит стекло. Нагар неизбежно ухудшит условия охлаждения лампы, и она в скором времени оплавится.
• Не пытайтесь вставить в фару лампу, цоколь которой не подходит к гнезду в корпусе отражателя, установить ее точно не удастся. От тряски лампа неизбежно сместится, и фара будет светить неизвестно куда. Лучше найти подходящую лампу или переходник. Сейчас их выпускают.
• Проверьте герметичность фары после замены лампы. Если герметичность нарушена, на отражатель попадает грязь. А поскольку внутри работающей фары температура повышена, грязь пригорает. Очистить «внутренности» фары после этого невозможно, ее остается только менять.
• Не увлекайтесь лампами повышенной мощности. Некоторые автолюбители ставят на «Жигули» лампы мощностью 130/120 Вт. Они дают очень незначительное увеличение освещенности по сравнению со штатными лампами (при правильной регулировке фар), а последствия возникают самые нежелательные. Прежде всего, фары начинают перегреваться, от этого оплавляются лампы, идет коробление отражателей и выгорание их зеркального покрытия. Кроме того, подгорают и оплавляются контакты электропроводки и реле, возрастает нагрузка на генератор.
• Следите за состоянием контактов на проводах, ведущих к фарам. Особенно внимательно стоит отнестись к так называемому массовому проводу, соединяющему металлический корпус фары с кузовом. Даже незначительный слой окисла в месте крепления этого провода к кузову или корпусу фары существенно снижает силу света. Из-за этого фара может полностью отключиться.
• Не устанавливайте на автомобиль дополнительные мощные фары — они перегружают генератор. Помните, что их можно ставить только в определенных зонах, строго оговоренных в Правилах дорожного движения. Если вы все-таки решили поставить на машину дополнительные фары, обязательно подключайте их через реле. Стандартные отечественные реле подходят для любых импортных фар.
См. в номере на ту же тему
Автомобильное освещение появилось не сразу…
Назначение и устройство автомобильной фары
1.Корпус.
Содержит все компоненты фары – кабель, отражатель, лампу и т.д. Устанавливается в кузов автомобиля, защищает лампу от перегрева, влажности и механических повреждений. Изготавливается из термопластика.
2. Отражатель.
Лампа излучает неполяризованный свет, лучи которого не имеет одного направления, а испускаются во все стороны. Отражатель собирает лучи и направляет его в сторону дороги. Внутренняя поверхность сделана из латуни, пластика или стекла и покрыта отражающим слоем серебра, хрома или алюминия.
3. Рассеиватель.
Бывает двух видов: с рисунком и прозрачным покрытием.
1. Рассеиватель «с рисунком». Оптические элементы – углубления и засечки на линзе, рассеивают частично поляризованный отражателем свет, чтобы получить нужный угол освещения дороги. Конструкция устарела и сейчас используется крайне редко.
2. Рассеиватель с прозрачным покрытием не имеет оптических элементов. Используется для 3 типов фар: с биксеноновыми лампами, с дополнительной рассеивающей линзой, для фар свободной формы. Основная функция – защищать лампу от грязи и воды. Изготавливаются из стекла или пластика. Пластик имеет ряд преимуществ: более прочный, более легкий, из пластика легче сделать фару любого дизайна.
4. Излучатель.
1. Лампа накаливания. Традиционный излучатель. Внутри стеклянной колбы создан вакуум, внутри которого вольфрамовая нить нагревается электрическим током до 2000 град С.
2. Галогенная лампа. Стеклянная колба заполнена буферным галогенным газом – йодом или бромом. Благодаря галогенам работает до 1000 часов. Галогены – 17 группа элементов в таблице Менделеева. Обладают общими свойствами – неметаллы, сильные окислители.
3. Газоразрядная лампа (HID). Свет излучает нагретый газ (ксенон). Работает до 2000 часов. Ксенон – благородный газ. Не имеет вкуса, цвета или запаха. Применяется в лампах накаливания, для лечения травм головного мозга, медицинской диагностики, как рабочее тело лазеров.
4. Светодиоды (LED). Работают на основе заполнения электронами пустых «дырок» в полупроводнике с выделением фотона. Многократное выделение фотонов приводит к свечению. Энергоэкономичны.
Как устроены фары? | Журнал Популярная Механика
Водители задумываются о фарах только в двух случаях — когда они по той или иной причине по ночам не видят дорогу и когда их слепит встречная машина. Пока не перегорает лампа, о фарах обычно даже не вспоминают. И зря — ведь от них зависит не только комфорт, но и безопасность водителя. Да и вообще эволюция автомобильного света и устройство современной фары интересны сами по себе.
В первых автомобилях использовались самые примитивные фонари — керосиновые либо ацетиленовые. Лет сто назад на место открытого пламени вставили электрическую лампочку. С одной ее стороны имелся отполированный рефлектор, с другой — линза. Герметизации фар в то время не было, так что рефлектор очень быстро ржавел. И без того слабый свет становился еще тусклее, а главное, вокруг фары образовывался ореол, слепящий встречные автомобили. Запрет на фары этого типа ввели в 1941 году.
Лампочка h23 для ближнего/дальнего света. Компьютеризованные системы настройки в процессе сборки тщательно выверяют положение контактов и нити в каждой лампочке. При этом выдерживаются допуски не более 0,01 мм. Это значит, что, заменяя лампу, вам не потребуется заново подстраивать направление фар. Волосок для дальнего света расположен прямо в фокусе рефлектора, обеспечивая таким образом наилучшее освещение дороги. Волосок для ближнего света немного отведен от точки фокуса, исходящий от него свет обрезается в верхней части и меньше травмирует глаза встречных водителей. В конструкциях некоторых кварцевых ламп для эффективного обрезания верхних лучей используется металлический экран.
Герметичная лампа-фара мало отличается по своей сути от бытовой лампы — вольфрамовый волосок помещается в стеклянной колбе, заполненной инертным газом, но рефлектор установлен прямо внутри колбы. Эти лампы, как и обычные бытовые, постепенно теряют яркость, так как вольфрам испаряется с волоска и оседает на стенках колбы. Фары с переключением ближний/дальний свет появились только в 1920-х. До этого из-за огромных допусков тогдашней сборки все регулировки по направлению светового потока просто не имели смысла. Герметичные фары оказались весьма дешевы — в основном из-за унификации, позволявшей гнать огромные тиражи. Фары выпускали нескольких типов, и стандартизированный подход связывал руки автодизайнерам, ограничивая возможность придать машине индивидуальный облик. С 1973 года автопроизводители стали заменять лампы-фары на светильники с галогеновыми лампами.
На габаритах и стопсигналах светодиоды используются относительно давно. Это новшество развязало руки дизайнерам, позволяя оформлять фонари в любом стиле. Кроме того, светодиоды потребляют мизерные количества энергии, а загораются на 400−500 миллисекунд быстрее, чем лампа накаливания. Это не так уж мало — едущий за вами и болтающий по мобильнику раззява, при скорости около сотни км/ч будет иметь запас метров 12 чтобы успеть нажать на тормоза.
Галогеновые лампы с 1980-х — самая распространенная основа для автооптики. Это небольшая лампочка, которая вставляется внутрь сборки из рефлектора и линзы. Благодаря современным герметикам и технологии сборки сейчас рефлекторы уже почти не корродируют из-за попадания влаги внутрь. Колба лампы из термостойкого кварца позволяет поддерживать весьма высокую температуру волоска, так что по цветовому составу свет получается существенно ближе к естественному дневному. Более высокая температура означает еще и то, что лампа имеет большую световую отдачу на единицу поглощаемой энергии. С другой стороны, вольфрамовый волосок из-за этого испаряется быстрее, и чтобы этому противостоять, галогеновые лампочки заполняют теперь не только инертным газом, но и парами брома или йода. Галоген вступает в соединения с парами вольфрама, а при контакте с раскаленным волоском эти соединения снова распадаются и вольфрам оседает на том же волоске.
От HID («ксенон») к светодиодам
В лампах HID (High Intensity Discharge, газоразрядные высокой интенсивности, в просторечии «ксенон») вообще нет никаких волосков. Вместо них свет излучает высоковольтная дуга в атмосфере инертных газов. Для зажигания этих ламп требуется высокое напряжение и высокий стартовый ток (когда лампа уже заработала, она потребляет гораздо меньше энергии и выдает больше света, чем обычная галогеновая). Кроме того, электрическая дуга выдает более равномерный световой поток, который проще фокусировать.
Есть тут, правда, и один недостаток — на то, чтобы лампа зажглась, прогрелась и начала выдавать полную мощность, требуется несколько секунд. Поэтому в некоторых машинах лампы HID используют для ближнего света, а для дальнего оставляют обычные галогеновые. Альтернативный вариант — шторка с механическим приводом, тогда одна ксеноновая лампа может иметь распределение света под оба режима.
Тем не менее, будущее автомобильного света специалисты отдают полупроводниковым технологиям — светодиодам. Поскольку до сих пор не существует никаких стандартов на унифицированную светодиодную сборку, автопроизводителям приходится для каждой модели изготавливать оригинальную конструкцию, а это недешево. Но благодаря явным преимуществам (малый вес, стойкость к вибрациям, большие сроки эксплуатации, сверхнизкое потребление энергии) светодиоды, вероятно, вскоре вытеснят с рынка системы HID.
На дорогих машинах фары HID (ксенон) зачастую ставят в качестве штатного оборудования. На рынке запчастей и аксессуаров тоже предлагается множество разнообразных комплектов «ксенона». (Нередки даже случаи, когда аббревиатурой HID маркируют обычные галогеновые лампы — так что будьте бдительны!) В них, как правило, имеется дуговая лампа и система запуска — все как в оригинале, только посадочные места рассчитаны на то, чтобы лампа подошла к стандартной «галогеновой» фаре. Такие комплекты стоят гораздо дешевле штатных, но… Форма вольфрамовой нити накаливания существенно отличается от формы электрической дуги. В результате распределение светового потока, исходящего от такой фары, оказывается совершенно непредсказуемым. Хотя водителю такой машины дорога будет видна прекрасно, встречным водителям не позавидуешь, поэтому такие самовольные переделки считаются незаконными.
Производство таких лампочек представляет собой немалое достижение в области высоких технологий. После того как электроды запаивают в стеклянную толщу донышка, воздух отсасывают из лампы через верхушку колбы. Язычок пламени нагревает верхнюю часть лампы до размягчения, а поток жидкого азота охлаждает основание почти до -200°С. Внутрь колбы бросают гранулу замороженных газов (обычно это инертные газы плюс галоген). В тот же момент мягкую верхушку лампы закупоривают, и когда гранула испаряется, давление в колбе поднимается до 4−5 атмосфер.
Европейские и американские нормы распределения светового потока (а следовательно, и конструкции фар) несколько отличаются. Для европейского света характерна более четкая светотеневая граница с подъемом справа, световой поток направлен на дорогу и правую обочину. Такое распределение минимизирует ослепление встречных водителей и позволяет видеть «пассажирскую» обочину на большее расстояние. В американском свете светотеневая граница менее выражена, световой поток почти симметричен.
Галогеновая лампа излучает свет с температурой 3400 К (цветовая температура естественного солнечного света примерно 6000 К). Последнее время на дорогах появляются лампы с бело-голубым свечением, заметно отличающимся от привычного желтоватого. Обычно это «тюнингованные» лампочки, в которых на колбу нанесены различные покрытия для имитации света от более дорогих газоразрядных ламп. Цветовая температура действительно несколько выше, но светоотдача не повышается ни на грош, так что цель этого — только престиж.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2011).Типы фар
Рефлектор (отражатель) — это зеркальная вогнутая поверхность, служащая для формирования светового пучка нужной формы. Источником света являются автомобильные лампы (подробнее о типах ламп…). На современных авто рефлектор имеет ступенчатую структуру, похожую на граненый стакан, каждый сегмент отвечает за освещение определенного участка дороги. При этом покровное стекло прозрачное и не участвует в формировании светового пучка.
Если в фаре один рефлектор (односекционные фары), то он используется одновременно и для ближнего, и для дальнего света; при внимательном рассмотрении в нем можно увидеть конструктивно выделеные области, соответствующие ближнему и дальнему свету (рис. 1). В таких фарах используются двухнитевые лампы типа h5. В двухсекционных фарах соответственно два рефлектора, один из которых формирует дальний свет и находится как правило ближе к центру кузова, другой отвечает за ближний свет (рис. 2). Очень редко встречаются машины с двухсекционными фарами, одна секция в которых отвечает за ближний/дальний, а другая за противотуманный свет.
| рис. 1 Одна секция. Ближний/дальний совмещен | рис. 2 Две секции. Раздельный ближний/дальний |
Хрустальные фары — фары с сегментным отражателем и гладким (прозрачным) стеклом или пластиком (рис.1 — рис.3).
Преимущества стеклянных фар перед пластиковыми фарами очевидны (в плане эксплуатации): стекло не царапается, не мутнеет, не желтеет и, соответственно, не ухудшает освещенности дороги. Однако, пластиковые фары при правильном уходе можно предохранить от подобных повреждений или восстановить с помощью полировки (рис. 4). У них есть и «плюсы» перед стеклянными — пластик лишен хрупкости и не разбивается при попадании камней, а при ДТП с участием пешеходов они более безопасны для последних.
рис. 4 Пластиковые фары (до и после полировки)
Рифленые фары — другой тип рефлекторных фар, в абсолютном большинстве они стеклянные . Их особенностью являются гладкий отражатель и рифленое стекло — рассеиватель, формирующий световой поток (рис. 5). У таких фар есть серьезные «минусы» при попытке модернизации. Во-первых, в них НЕЛЬЗЯ ставить ксенон, так как ослепление встречных машин гарантированно, причем гараздо более сильное, чем в случае с хрустальными фарами с ксеноном. Во-вторых, чтобы установить в фару линзованный модуль (для чего это нужно расскажем ниже), обязательное условие — шлифовка рифления стекла.
Модульная оптика — один из вариантов решения, если автовладельца не устраивает качество света или он хочет изменить облик своего любимца. В такие фары устанавливаются модули ближнего, дальнего и иногда противотуманного света, а также габариты и поворотники. Стекло заменяется маской из стеклопластика, обычно покрашенной в цвет авто. В таких фарах затруднена регулировка света, а корректор как правило не ставят вовсе, так как возникают проблемы в его работе (в зазор между маской и модулем набивается снег или грязь, что мешает движению модуля вверх/вниз). Цена и сроки изготовления таких фар достаточно высоки.
рис. 6 Модульные фарыМодули представляют собой герметичные самостоятельные оптические элементы, и также как фары бывают линзованными и рефлекторными (рис. 7). Различают моно- и бимодули. В бимодуле (билинзе) реализован одновременно ближний/дальний свет, а переключение происходит перемещением шторки, формирующей светотеневую границу (СТГ) ближнего света (рис. 8 ).
 |
 |
| рис. 7 Мономодули | рис. 8 Бимодуль со снятой линзой. Переключение ближний/дальний |
Принципиально галогеновый и ксеноновый модули отличаются цоколем лампы и светораспределением внутри светового пучка (для ксенона выше требования по равномерности распределения света на дороге). Также мономодули могут отличаться формой шторки, для ксенона всегда ступенька, для галогена может быть и ступенька, и галка.
рис. 9 Светотеневая граница для галогена и ксенона
Линзованные фары (прожекторная оптика) содержат в своей конструкции собирающую линзу и находят наибольшее предпочтение среди автовладельцев. Безусловно, у линзованных фар есть ряд преимуществ перед рефлекторной оптикой:
— выше КПД, т.е. бОльшая часть света от лампы попадает на дорогу;
— более эффективное светораспределение — перед машиной нет яркого слепящего светового пятна, бОльшая часть света переносится вдаль, освещенность дороги что в 10, что в 50 метрах одинаковая;
— более равномерное освещение дорожного полотна, нет чередующихся светлых и темных пятен;
— четкая светотеневая граница — отсутствует ослепляющий эффект, можно приподнять фары и светить дальше;
— шире освещенная часть дорожного полотна, видны обочины по обоим краям дороги;
— более экономное расходование омывающей жидкости из-за меньшего размера очищаемой области фары при использовании омывателя высокого давления;
— стильный современный вид;
— и, конечно же, главное достоинство — возможность установки ксенона (правильного ксенона!).
рис. 10 Линзованные фарыРефлекторные фары можно модернизировать, установив в них любой линзованный модуль (примеры работ). Также с помощью установки линз можно решить проблему «неправильного» света на автомобилях с правым рулем, и, соответственно, проблему прохождения техосмотра. Внутри фары линза оформляется декоративным элементом или блендой, которая, как правило, является частью маски. Маска определяет цвет фары и обычно имеет зеркальное покрытие, она не участвует в формировании светового пучка. Окрасив маски, к примеру, в серебристый металлик, черный металлик или матовый черный можно изменить облик Вашего авто и придать ему неповторимый стиль.
 |
Написать сообщение
|
Одна из трех масляных фар (фирмы «Dietz Ideal»), которые были установлены на «Ford Model C» 1904 года.
|
Предыстория.Поскольку любое транспортное средство оснащается осветительными приборами, то современному человеку трудно представить, как обходились без них ранее. Скорее всего, создатели первых автомобилей даже и не предусматривали ночные поездки на своих изобретениях. Однако прогресс не стоит на месте, и со временем, машины из диковинных игрушек, стали превращаться в практичные средства передвижения. До изобретения лампочки главным источником света являлись свечи или масляные горелки, но свет от них был слабым и рассеянным, так что на машинах они могли использоваться только в качестве габаритных огней. В 1896 году, летчик и авиаконструктор, Луи Блерио предложил использовать для освещения дороги газ ацетилен. Ацетиленовые фары представляют собой сложную конструкцию, а их включение – это целый ритуал. Однако они нашли широкое распространение в качестве паровозных прожекторов, а затем и на автомобилях, в уменьшенном варианте. Для включения прожектора, механику необходимо было вручную открыть кран подачи ацетилена, а затем открыть фары и поджечь в них горелки. Первая попытка оснастить автомобиль электрическими источниками света закончилась безуспешно, динамо-машины, установленные в 1899 году на автомобиль фирмы «Columbia Automobile Company», не зарекомендовали себя. Французские лампы накаливания с угольной нитью накаливания, запатентованные фирмой «Bassee & Michel», были очень ненадежными, неэкономичными и требовали тяжелых батарей, которые можно было подзарядить только на определенных станциях подзарядки: автомобильные генераторы подходящей мощности еще не изобрели. Переворот в технологиях освещения произошел после изобретения вольфрамовых нитей накаливания, температура плавления которых составляет 3410°С. Первым «электризованным» автомобилем (с электрической системой освещения, электрическим стартером и зажиганием) стал «Cadillac Model 30 Self-Starter» 1912 года. Через год на электрическую систему освещения перешло треть американских автомобилей, а спустя еще четыре года почти все машины были оснащены ей. А после разработки адаптированной динамо-машины отпала необходимость и в зарядных станциях, поэтому можно судить, что использование электрического освещения технически и экономически целесообразно. Немного про изобретение лампочки.Впервые идея использовать в качестве источника света раскаленный материал возникла у немецкого часовщика Генриха Гебеля в 1854 году, который при помощи электричества раскалил до свечения обугленное бамбуковое волокно, вставленное в стеклянную колбу. Однако изобретателю попросту не хватило денег на патент. Немного позднее (когда в его мастерской отключили газ за неуплату) Томас Альва Эдисон принялся разрабатывать электрическую лампу накаливания. Уже к 1880 году он представил исчерпывающие обоснования того, что оптимальным будет использование лампы с угольной нитью накаливания, которая помещена в безвоздушное пространство стеклянного шара. Эдисон придумал и цоколь, но основная конструкция лампы накаливания принадлежит Александру Николаевичу Лодыгину – электротехнику из Тамбовской губернии, который представил свою разработку на шесть лет раньше, чем Эдисон. Ослепительные идеи.С появлением электрических и карбидных фар перед автоконструкторами возникла новая проблема – проблема ослепления встречных водителей. Варианты решения предлагались разные: выводили источник света из фокуса линзы, делая его более тусклым, ставили на пути света всяческие шторки, жалюзи и заслонки, включали в электрическую цепь добавочное сопротивление, которое снижало накал нити. Но лучший вариант решения проблемы был предложен фирмой «Bosch», в 1919 году компания разработала фары с двумя нитями накаливания – для ближнего и дальнего света. Первые переключатели располагались недалеко от самих фар, поэтому водители должны были останавливаться и выходить из автомобиля для смены режима свечения. К тому времени уже изобрели рассеиватель – стекло фары, которое покрыто призматическими линзами для отклонения света лампы по сторонам и вниз. К 1955 году французской фирмой «Cibie» была предложена идея ассиметричного распределения ближнего света, согласно которой «водительская» обочина освещалась слабее, чем «пассажирская». Через два года идея «ассиметричного» света была официально узаконена в Европе. С 1957 года в США стала активно применяться четырехфарная система освещения с раздельными фарами для ближнего и дальнего света. В данной конструкции две фары имеют одну нить накаливания и используются в качестве дальнего света, другие две (расположенные ближе к боковым габаритам) – двухнитевые, в которых основная нить выполняет функцию ближнего света, а вторая включается только вместе с фарами дальнего света для большей подсветки ближних участков дороги. Помимо проблемы ослепления встречных водителей, конструкторы испытывали и другую сложность – вольфрамовые нити при чрезмерном нагревании интенсивно испаряются, образуя на стекле фары темный налет. Решение проблемы пришло только во время Первой мировой войны: начиная с 1915 года, лампы стали заполнять смесью азота и аргона. Молекулы смеси газов образуют «барьер», благодаря которому вольфрамовая нить не испаряется. Следующий шаг к усовершенствованию автомобильной светотехники был проведен ближе к середине 20-го столетия. К аргону и азоту стали добавлять другие газообразные соединения брома или йода. Они восстанавливали нить накаливания, возвращая испаренные молекулы вольфрама обратно на спираль. Такая «регенерация» позволила повысить рабочую температуру с 2200 до 2900 градусов, светопередачу с 15 лм/Вт до 25 лм/Вт. Срок службы лампы увеличился в два раза, а теплоотдача снизилась с 90% до 40%, притом размеры стали поменьше. Эволюция формы.В течение долгих лет фары оставались круглыми, поскольку это самая дешевая и простая в изготовлении форма параболического отражателя. По соображениям аэродинамики фары стали интегрировать в кузов автомобиля (самые первые интегрированные фары были у «Pierce-Arrow» в 1913 году). Потом на смену круглым фарам пришли прямоугольные (такими был оснащен «Citroen AMI 6» 1961 года). Прямоугольные фары требовали больше места под капотом, они были сложнее в производстве, но в тоже время имели большую площадь отражателя и увеличенный поток света. Глубину параболического необходимо увеличивать с целью получения более яркого отраженного светового потока. Однако сделать это чересчур трудоемко. Привычные для всех оптические схемы не подходили для дальнейшего развития. Английская фирма «Lucas» предложила использовать в качестве отражателя комбинацию из двух усеченных параболоидов с общим фокусом, но разными фокусными расстояниями. Новинка была применена на автомобиле «Rover Maestro» в 1983 году. В этом же году фирмой «Hella» была представлена концептуальная разработка – «трехосные» фары с эллипсоидным отражателем (Dreiachs Ellipsoid, DE). У эллипсоидного отражателя два фокуса. Лучи, которые выпущены галогенной лампой из первого фокуса, собираются во втором, откуда направляются в собирающую линзу. Лампы такого типа называются прожекторными. Эллипсоидная лампа в режиме ближнего света превосходит параболическую на 9%. Поэтому эти фары хорошо подходят в качестве противотуманок и ближнего света. Первый серийный автомобиль с «трехосными» фарами – BMW седьмой серии 1986 года. Через пару лет эллипсоидные фары получили приставку «Super DE» именно так их назвала фирма «Hella». Теперь профиль отражателя отличался от чисто эллипсоидной формы – он был «свободным» (Free form), причем рассчитан таким образом, чтобы большая часть света проходила над экраном, который отвечает за ближний свет. Благодаря этому нововведению эффективность фар возросла до 52%. Последующее развитие отражателей без задействования математического моделирования, потому что только компьютер способен создать сложные комбинированные рефлекторы. Если внимательно рассмотреть фары Daewoo Matiz, Hyundai Getz то можно заметить, что отражатели поделены на сегменты, причем у каждого свое фокусное расстояние. Каждая часть многофокусного отражателя отвечает за освещение своего участка дороги. Свет от лампы используется почти в полном объеме, кроме прикрытого колпачком торца лампы. В отражающих фарах нет рассеивателя, поскольку с распределением света и созданием светотеневой границы отлично справляется сам отражатель. Эффективность данных фар сравнима с прожекторными. Современные отражатели делают из магния, алюминия, термопластика и металлизированного пластика, а закрывают фары поликарбонатом, а не стеклами. Благодаря применению новых материалов удалось снизить массу фары почти на целый килограмм, а впервые пластиковый рассеиватель был установлен на седан «Opel Omega» в 1993 году. Щеточные фары, которые в 1971 году предложила выпускать фирма «Saab», вышли из производства, поскольку поликарбонатные стекла гораздо хуже сопротивляются истиранию, нежели стекла настоящие. «В новом свете».Почти век прослужила лампа накаливания на пользу автомобилистам и вот ее время подходит к концу. Достойно «сойти с дистанции» ей помогают благородные газы ксенон и криптон. Первый является одним из лучших наполнителей для ламп накаливания – ксенон позволяет поднять температуру нити накаливания почти до точки плавления вольфрама и приблизить спектр свечения лампы к солнечному. Правда, нужно различать обычные лампы накаливания, наполненные ксеноном и «ксенон» с ярким голубым свечением, которые устанавливают на дорогие автомобили – это совершенно разные вещи. Ксеноновые газоразрядные фары работают совершенно по другому принципу: вместо нити накаливания, в них светится электрическая дуга, возникающая между электродами при газовом разряде. Впервые лампы с такой системой («Bosch Litronic») были установлены в 1991 году на серийный автомобиль «BMW 750iL». Газоразрядный «ксенон» по эффективности на голову выше самых совершенных ламп накаливания. КПД таких ламп составляет около 90%, против 60% у галогенных (по потребляемой мощности: 35 Вт против 55 Вт) и светят при этом почти вдвое ярче (3200 лм против 1500 лм). А так как нет нити накаливания, то и перегорать нечему, следовательно и служат такие лампы значительно дольше обычных. Газоразрядные лампы устроены значительно сложнее, чем кажется на первый взгляд. Необходимо зажечь газовый разряд. Для этого требуется из 12 вольт бортовой сети получить короткий импульс на 25 киловольт переменного тока с частотой до 400 Гц. С этой функцией справляется специальный модуль зажигания. Когда лампа зажглась, напряжение снижается электроникой до 85 вольт, которых достаточно для поддержания разряда. Из-за сложности конструкции и инерции при зажигании газоразрядные лампы использовались исключительно в качестве ближнего света. Роль «дальнего» по-прежнему выполняли галогенные лампы. Только спустя шесть лет конструкторам удалось объединить дальний и ближний свет в одной лампе. Существует два способа получить «биксенон»: 1. При использовании прожекторной фары (наподобие тех, что разработала «Hella») режимы света переключаются экраном, который находится во втором фокусе эллипсоидного отражателя: в режиме ближнего света он отсекает часть лучей. При дальнем свете экран не препятствует световому потоку. 2. В отражающем типе фар «двойное действие» газоразрядной лампы происходит за счет взаимного перемещения рефлектора и источника света. За счет изменения фокусного расстояния меняется и светораспределение. Интересен тот факт, что фирма «Valeo» опытным путем доказала эффективность раздельного применения газоразрядных ламп для дальнего и ближнего света. По освещенности такой вариант выигрывает до 40%, однако и требует не два модуля зажигания, а четыре. Такими фарами оснащен «Volkswagen Phaeton W12». Несмотря на все преимущества газоразрядных ламп, у них нет перспектив в развитии. Наибольший успех специалисты пророчат светодиодам. Светодиод – это полупроводниковый прибор, который излучает свет при прохождении тока. Первоначальное применение светодиодов ограничивалось индикацией – уж слишком тусклыми они были. Но уже в 1992 году фирма «Hella» установила на «BMW Cabrio» центральные стоп-сигналы на основе светодиодов, а сегодня все чаще можно увидеть светодиодные задние фонари, «габариты», стоп-сигналы. Светодиоды срабатывают на 0,2 секунды быстрее обычных ламп накаливания, затрачивают меньше энергии (на примере стоп-сигналов – 10 Вт против 21 Вт) и отличаются почти неограниченным сроком эксплуатации. Вот только целый ряд препятствий не позволяет светодиодам вытеснить своих конкурентов. Во-первых, даже самые качественные светодиоды можно сопоставить по эффективности только с галогенными лампами (светоотдача – около 25 лм/Вт), но при этом они дороже и требуют специальной системы охлаждения, как и остальные полупроводниковые приборы (компьютерный процессор…). По заверениям конструкторов светодиодные лампы достаточной мощности появятся уже в ближайшее время, а пока им отводят второстепенные функции – дневной свет «Audi A8 W12» (по 5 светодиодов в каждой фаре). Вслед за рулем.Сразу после изобретения фар у многих конструкторов возникла идея поворотного механизма, что и логично: освещается только та часть дороги, куда едет машина. По первым попыткам реализации этой идеи сложно было что-нибудь сказать: дельного механизма синхронизации руля и фар сделать не удалось, а правила того времени не позволяли использовать адаптивный свет. Спустя время, фирма «Cibie» попыталась возродить давнюю идею. В 1967 году французами был представлен первый механизм динамической регулировки угла наклона фар, а еще через год поворотные фары дальнего света стали устанавливать на «Citroen DS». В настоящее время идея поворотного освещения возрождается на новом, «электронном» уровне. Наиболее простое решение – это использование дополнительной боковой лампочки, которая включается при повороте руля или включенном «поворотнике» на скорости до 70 км/ч. На «Porsche Cayenne» и «Audi A8» установлены подобные фары. Следующей ступенью является использование действительно поворотных фар. В них биксеоновый прожектор с учетом угла поворота руля, угловой скорости автомобиля вокруг вертикальной оси («датчик поворота») и скорости движения поворачивается вслед за рулем в диапазоне 22° — на 7° внутрь и на 15° наружу. Такие фары можно увидеть на «Lexus», «Mercedes», «BMW» и даже «Opel Astra». Третий вариант «адаптивного» света – комбинированный. Статическое освещение работает на небольших скоростях и медленном маневрировании, а на высокой скорости включается только поворотный прожектор. Комбинированными фарами оснащен «Opel Signum». Но самая интересная из разработок – это «Varilis» (Variable Intelligent lighting system): над этой системой работает фирма «Hella» совместно с другими автопроизводителями. Как вариант существует еще и другая система – «VarioX», позволяющая фарам работать в пяти режимах света. Для этого в «ксеноновом» прожектора вместо экрана, который включает ближний свет, находится цилиндр сложной формы. Режимы свечения переключаются при вращении цилиндра. На скоростных трассах форма светового пучка сужается для большей дальнобойности, а в городе фары светят близко, но широко. В дальнейшем возможна связь навигационной системы GPS с работой фар автомобиля, объединение головного света и систем ночного видения, но это – тема отдельного разговора. Европа – Америка.Европейский подход к системам освещения кардинально отличается от Американского: в Америке вплоть до 1975 года под запретом находились фары некруглой формы и галогенные лампы. Причем в Штатах лампы и фары были объединены в одно целое, и использовались с 1939 года. Герметичность таких приборов позволяла покрывать поверхность рефлектора серебром, отражающая поверхность которого составляет 90% (против 60% у хромированных рефлекторов, которые были распространены в те времена), но в случае поломки менять лампу-фару приходилось целиком. В Европе с 1957 года принято ассиметричное распределение света с лучшим освещением «пассажирской» обочины и четкой светотеневой границей. На американских дорогах такое нововведение стало появляться лишь с 1997 года, но по-прежнему у большинства машин свет от фар распределялся симметрично, вовсю ослепляя встречных водителей. К тому же в Канаде и США отсутствует единый порядок сертификации осветительных приборов. Производители лишь гарантируют соответствие своего продукта федеральному стандарту по безопасности движения транспортных средств (FMVSS), а подтверждать это приходится, к примеру, в случае аварии по вине приборов освещения. Предполагается, что официально импортируемые из США машины проверяются на соответствие европейским нормам. «Американские» фары маркируются аббревиатурой DOT (Department of Transport, Министерство транспорта), а «европейские» – буквой «Е» в кружочке с цифрой-кодом страны, где лицензировали фару. Маркировка фар.Основные отличия, по которым различают автомобильные фары – это светоотдача и конструкция цоколя. В двухфарных системах чаще всего используют лампы h5 – с двумя нитями накаливания, для ближнего и дальнего света. Их световой поток – 1000/1650 лм. В качестве «противотуманок» используются лампы H8 – с одной нитью и световым потоком в 800 лм. Другие однонитевые лампы H9 – HB3 способны обеспечить только дальний свет (световой поток 2100 и 1860 лм. соответственно). А «универсальные» однонитевые лампы H7 и h21 могут использоваться и для дальнего, и для ближнего света в зависимости от того, в каком отражателе они установлены. Газоразрядный «ксенон» маркируется иначе. Первые ксеноновые приборы имеют индексы D1R и D1S – они объединены с модулем зажигания. За индексами D2S и D2R подразумеваются газоразрядные лампы второго поколения (S – для прожекторной оптической схемы, а R – для «отражающей»). В этой статье мы детально рассмотрели принцип и устройство автомобильной фары, что же касается фары для мотоциклов, то приобрести их можно — тут. |
Автомобильные фары. История развития. Автомобильные фары в современных автомобилях
Ни для кого не секрет, что системы освещения и световой сигнализации в таком виде, в каком мы привыкли их видеть на современных автомобилях, появились не сразу, а относительно недавно. Автомобильная оптика прошла долгий путь развития с момента ее появления на транспортных средствах. Если не брать во внимание фонари, работавшие на керосине, которые не освещали дорогу, а, скорее, служили для обозначения движущегося экипажа, то датой рождения автомобильных осветительных приборов можно считать 1896 год — именно тогда авиаконструктор Луи Блерио предложил использовать на автомобилях ацетиленовые светильники.
Чтобы «включить» такую несложную по конструкции фару требовалось время и некоторые навыки. Для начала требовалось засыпать карбид кальция F (Рис. 1) в отведенную для этого емкость, затем через пробку H залить воду. С помощью клапана G можно регулировать количество подаваемой воды в реакторную трубку. В процессе реакции карбида с водой выделялся горючий газ ацетилен, который по шлангу D подавался к горелке A в фаре. Через некоторое время после начала реакции можно было зажечь горелку спичкой. Пламя горелки отражалось от зеркала B и фокусировалось на дороге.
Рис. 1. Устройство ацетиленовой фары
Свет от ацетиленовой фары был теплого спектра (Рис. 2) и, благодаря параболическому отражателю, изобретенному Иваном Кулибиным, освещал дорогу перед автомобилем на сотню метров. Основным недостатком такого типа фар было малое время работы из-за необходимости пополнять запас карбида и воды, а также удалять с горелки и отражателя сажу и копоть.
Рис. 2. Ацетиленовая фара
Дальнейшей эволюцией автомобильных фар стали фары с лампами накаливания. Первая фара такого типа была изготовлена в 1899 году французской фирмой «Bassee & Michel». Ее сделали по модели Эдисона с угольной нитью (Рис. 3), однако, такая конструкция оказалось неудачной и малопригодной для автомобиля — большой расход электроэнергии требовал наличия на автомобиле тяжелых аккумуляторных батарей, которые, в свою очередь, нуждались в частых зарядках — генераторы на тот момент в автомобилях не применялись. К тому же, угольные нити ламп накаливания были очень чувствительны к тряске на неровностях и быстро выходили из строя.
Рис. 3. Лампа накаливания с угольной нитью (слева) и первая накаливания с вольфрамовой нитью
Они оказались намного экономичней ламп с угольными нитями и почти не боялись тряски автомобиля на неровностях, к тому же, тугоплавкость вольфрама позволяла намного увеличить срок службы нити, которая не выгорала. В 1906 году американская компания «General Electric» покупает у Лодыгина патент на вольфрамовую нить и начинает производство подобных ламп. Однако массовая установка таких источников света на автомобили стала возможна после появления в 1911 году автомобильного генератора. Первым автомобилем, который серийно комплектовался фарами с лампами накаливания с вольфрамовой нитью и генератором стал Cadillac Model 30 Self Starter (Рис. 4), причем генератор был одновременно еще и стартером. То есть генератор запускал двигатель, используя энергию аккумуляторных батарей, а после пуска двигателя заряжал аккумуляторы. Чуть позже на основе этой схемы немецкая фирма «Bosch» рекламировала набор «Bosch-Light», который позволил системе освещения работать по замкнутому циклу вне зависимости от зарядных станций. «Bosch-Light» состоял из фар, генератора, аккумуляторной батареи и реле-регулятора для управления подзарядкой батареи. Система оказалась настолько удачной, что всего за год было продано более 3 тысяч комплектов для установки на автомобили.
Рис. 4. Cadillac Model 30 Self Starter
Фары с лампами накаливания породили другую проблему — они слепили ярким светом встречных водителей. Поначалу с этим пытались бороться механическим способом — установкой с внешней стороны фар различных задвижек и шторок. Так, фирма «Zeiss» предлагала оптику, в которой с помощью электромагнитов перед лампочкой выдвигался фильтр из желтого стекла. Потом яркость света стали уменьшать, включая в систему добавочное сопротивление, снижавшее накал нити. А в 1919 году «Bosch» нашла оптимальное решение — это была лампочка с двумя нитями накаливания, для дальнего и ближнего света. Тогда уже вместо обычного стекла применялся рассеиватель с призматическими линзами, отклоняющими свет вниз, на дорогу. С тех пор перед конструкторами стоят две противоположные задачи: максимально осветить дорогу и не допустить ослепления встречных водителей. Примерно в то же время лампы накаливания стали заполнять смесью аргона и азота, который препятствовал испарению вольфрама с нити, что благоприятно сказывалось на долговечности ламп. В 50-е годы срок их службы стали продлевать с помощью галогенидов — газообразных соединений йода или брома. В такой лампе галогенный газ вступал в соединение с испарившимся вольфрамом, затем при высоких температурах это соединение распадалось на составляющие вещества, и атомы вольфрама оседали на спирали. Первую галогеновую лампу в 1962 году на автомобильном рынке представила фирма «Hella». Технология заполнения колбы галогенами позволила поднять рабочую температуру с 2500К до 3200К. Это увеличило светоотдачу в полтора раза — с 15 лм/Вт до 25 лм/Вт. При этом ресурс ламп вырос вдвое, теплоотдача снизилась с 90% до 40%, а размеры стали меньше (галогенный цикл требует близости нити и стеклянной колбы). Главный шаг в решении проблемы ослепления был сделан в 1955 году — французская фирма «Cibie» предложила идею асимметричного распределения ближнего света для того, чтобы правая обочина освещалась дальше левой. И через два года асимметричный свет в Европе был узаконен. Вплоть до 1961 года фары автомобиля были круглой формы — впервые прямоугольные фары стали устанавливаться на Citroen AMI 6 (Рис. 5). Такие фары были сложнее в производстве, требовали большего подкапотного пространства, но вместе с меньшими вертикальными габаритами имели большую площадь отражателя и увеличенный светопоток.
Рис. 5. Citroen AMI 6
Чтобы заставить такую фару ярко светить при меньших габаритах, следовало придать параболическому отражателю (в прямоугольных фарах — усеченный параболоид) еще большую глубину. Это было трудоемко, поэтому привычные оптические схемы для дальнейшего развития не годились. Тогда английская фирма «Lucas» предложила использовать гомофокальный отражатель — комбинацию двух усеченных параболоидов с разными фокусными расстояниями, но с общим фокусом. Одним из первых новинку примерил Austin-Rover Maestro в 1983 году. В том же году фирма «Hella» представила концептуальную разработку — «трехосные» фары с отражателем эллипсоидной формы (DE, DreiachsEllipsoid). Дело в том, что у эллипсоидного отражателя сразу два фокуса. Лучи, выпущенные галогенной лампой из первого фокуса, собираются во втором, откуда направляются в собирающую линзу. Такой тип фар называют прожекторным. Эффективность эллипсоидной фары в режиме ближнего света превосходила параболическую на 9% (обычные фары отправляли по назначению лишь 27% света) при диаметре всего в 60 миллиметров. Эти фары предназначались для противотуманного и ближнего света (во втором фокусе размещался экран, создающий асимметричную светотеневую границу). А первым серийным автомобилем с «трехосными» фарами стала BMW седьмой серии в конце 1986 года (Рис. 6). Еще через два года «Hella» представила эллипсоидные фары Super DE. На этот раз профиль отражателя отличался от чисто эллипсоидной формы — он был «свободным», рассчитанным таким образом, чтобы основная часть света проходила над экраном, отвечающим за ближний свет. Эффективность фар возросла до 52%.
Рис. 6. BMW 7 серии Е32
Дальнейшее развитие отражателей было бы невозможно без математического моделирования — компьютеры позволяют создавать самые сложные комбинированные рефлекторы. Отражатели современных фар поделены на сегменты, каждый из которых имеет свой фокус и фокусное расстояние. Каждая «долька» многофокусного отражателя отвечает за освещение «своего» участка дороги. Свет лампы используется почти полностью — за исключением разве что торца лампы, прикрытого колпачком. А рассеиватель, то есть стекло с множеством «встроенных» линз, теперь не нужен — отражатель сам отлично справляется с распределением света и созданием светотеневой границы. Эффективность таких фар, называемых отражающими, близка к прожекторным. Современные отражатели «формируют» из термопластика, алюминия, магния и термосета (металлизированного пластика), а накрывают фары не стеклами, а поликарбонатом. Впервые пластиковый рассеиватель появился в 1993 году на седане Opel Omega. Это позволило снизить массу фары почти на килограмм. Но зато поликарбонатные «стекла» гораздо хуже сопротивляются истиранию, нежели стекла настоящие. Поэтому щеточных очистителей фар, которые еще в 1971 году предложил Saab, больше не делают. Новым витком в развитии автосвета стала установка на автомобиль фар с газоразрядным источником света (Рис. 7), попросту «ксенона». Принципиальное отличие таких ламп от галогеновых в том, что в них свет излучает электрическая дуга, возникающая между двумя электродами в среде инертного газа при подаче высоковольтного напряжения. Впервые такие лампы серийно устанавливались на BMW 7 серии в кузове E38 с 1991 года.
Рис. 7. Газоразрядная лампа
Газоразрядные лампы на голову эффективнее самых совершенных ламп накаливания — на бесполезный нагрев здесь расходуется не 40% электроэнергии, а всего 7—8%. Соответственно, газоразрядные лампы потребляют меньше энергии (35 Вт против 55 Вт у галогенных) и светят при этом вдвое ярче (3200 лм против 1500 лм). А поскольку нити нет, то и перегорать нечему — ксеноновые газоразрядные лампы служат гораздо дольше обычных. Но устроены газоразрядные лампы сложнее. Главная задача — зажечь газовый разряд. Для этого нужен короткий импульс из 25 киловольт — причем переменного тока, с частотой до 400 Гц! Для этого служит специальный блок розжига. Когда лампа зажглась (для разогрева требуется некоторое время), электроника снижает напряжение до 85 вольт, достаточных для поддержания разряда. Высокая светоотдача газоразрядных источников света потребовала внедрение автоматического корректора наклона пучка света, а так же омывателя фар высокого давления (Рис. 8). Без всего этого возможно сильное ослепление встречных водителей.
Рис. 8. Омыватель фары
Сложность конструкции и инерция при зажигании ограничили первоначальное применение газоразрядных ламп режимом ближнего света. Дальний свет использовал галогенную лампу. Объединить ближний и дальний свет в одной фаре конструкторы смогли через шесть лет, причем существует два способа получить «биксенон». Если используется прожекторная фара (как та, что придумала «Hella»), то переключение режимов света осуществляется экраном, находящимся во втором фокусе эллипсоидного отражателя: в режиме ближнего света он отсекает часть лучей. При включении дальнего света экран прячется и не препятствует световому потоку. А в отражающем типе фар «двойное действие» газоразрядной лампы обеспечивается взаимным перемещением рефлектора и источника света. В итоге, вслед за фокусным расстоянием изменяется и светораспределение. Но по данным французской фирмы «Valeo», применив отдельные газоразрядные лампы для ближнего и дальнего света, можно достичь на 40% лучшей освещенности, чем у «биксенона». Правда, модулей зажигания требуется уже не два, а четыре — такие фары имеет Volkswagen Phaeton W12, например (Рис. 9).
Рис. 9. Фара Volkswagen Phaeton W12
Несмотря на многочисленные преимущества газоразрядных ламп над всеми остальными, они постепенно утрачивают популярность, уступая светодиодам. До недавнего времени их светоотдача была слишком мала, чтобы использовать их в качестве основного света, поэтому поначалу им нашли применение в дневных ходовых огнях. Но технологии стремительно развивались, и вот впервые полностью светодиодный ближний свет появился на Audi A8. Новые светодиодные фары Matrix LED – одна из самых заметных инноваций на модернизированном Audi А8, причем заметных не только внешне. Главное – их начинка: матрица из 25 мощных светодиодов (Рис. 10), независимое включение и отключение которых позволяет изменять форму светового пучка фар и тем самым предотвращать ослепление встречных водителей и обеспечивать подсветку поворотов.
Рис. 10. Фара Matrix LED Audi A8
Несмотря на сложность конструкции, подобные технологии уже начинают внедрять в свои автомобили некоторые производители премиум-сегмента. Например, новый KIA Quoris щеголяет двумя матрицами из четырех светодиодов (Рис. 11). Еще у светодиодов есть большой недостаток — они очень чувствительны к температуре окружающей среды и требуют охлаждения при работе.
Рис. 11. Светодиодные матрицы KIA Quoris
Среди последних новинок — лазерные фары BMW i8. Под лазерным светом баварцы подразумевают люминофорные фары с лазерным возбуждением. В каждой фаре три микроскопических лазерных диода (они компактнее традиционных в десять раз) с синим излучением (длина волны 450–480 нм). Оно направлено на люминесцирующий полупроводник – люминофор. Это фосфорная точка диаметром 0,4 мм, которую лазерные лучи разогревают до 200ºС! Синие лучи проходят через фосфор, тысячекратно усиливаются и преобразуются в пучок белого света, который бьет в отражатель. Он тоже сверхкомпактный: высота всего 30 мм против привычных девяноста. Темноту такие фары прорезают приятным глазу ярким белым светом, причем освещают дорогу намного эффективнее газоразрядных фар (они на фото слева). Дальний свет эффективен на дистанции до 600 м (Рис. 12)! Поскольку лазерный свет монохромный, пучок получается очень четкий. Его можно настроить предельно точно. За это отвечает High Beam Assistant, который следит за тем, чтобы дальний свет не слепил как встречных водителей, так и попутных.
Рис. 12. Лазерно-люминофорные фары BMW i8 в режиме ближнего (слева) и дальнего света
Можно бесконечно совершенствовать источники света в автомобильных фарах, но улучшить эффективность головного света можно и другими способами! Уже во второй половине прошлого века инженеры пытались адаптировать свет фар под условия движения. Так в 1967 году на Citroën DS23 появились сдвоенные фары, располагавшиеся под общим рассеивателем. При этом внутренняя поворачивалась вместе с поворотом руля, а внешняя меняла свой наклон в зависимости от загрузки автомобиля (Рис. 13).
Рис. 13. Поворотные фары Citroën DS23
Большее распространение получил принцип подсветки поворота соответствующей противотуманной фарой или дополнительной секцией в фаре (Рис. 14).
Рис. 14. Дополнительная секция освещения поворота в фаре (показана стрелкой)
С появлением газоразрядных источников света в фарах возникла необходимость динамически корректировать угол наклона пучка света, чтобы исключить ослепление других водителей. Система состоит из датчика положения кузова, который, как правило, связан с задней осью автомобиля, управляющего модуля и сервопривода наклона линзы в фаре. Вслед за этим фару «научили» поворачивать линзу не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной. Это позволило динамически корректировать угол поворота света фар в зависимости от поворота руля. Современная же оптика умеет изменять пучок света перед автомобиля в зависимости от скорости автомобиля, погодных условий (дождь, туман). Например, фары Skoda A7 имеют следующие режимы работы фар: город, трасса, магистраль, поворот и перекресток (Рис. 15).
Рис. 15. Режимы работы головного освещения Skoda A7: 1-режим «перекресток»; 2-городской режим; 3-режим «трасса»; 4-режим поворота; 5-режим «магистраль»
Ведущие мировые автопроизводители пошли еще дальше — они «научили» оптику изменять направление светового пучка в зависимости от движения встречных или попутных автомобилей, пешеходов, связали модуль управления светом с навигационной системой, чтобы заранее подсвечивать повороты.
Пионером в гонке технологий стала BMW со своей системой BMW Intelligent Headlight Technology. Камера, расположенная около зеркала заднего вида на ветровом стекле следит за положением объектов на дороге, а специальная шторка в блок-фаре, повинуясь командам блока управления, «отрезает» часть светового потока (Видео 1).
Видео 1. BMW Intelligent Headlight Technology
Mercedes пошел принципиально иным путем — за линзой имеется матрица светодиодов, каждый из которых управляется отдельно (Видео 2).
Видео 2. Mercedes Benz Multibeam LED headlights
Наконец, самой совершенной на сегодняшний день системой располагает Audi c Matrix LED (Видео 3). В отличие от Mercedes, используется пять матриц, в каждой из которых по пять светодиодов.
Видео 3. Matrix LED system by HELLA
Технологии не стоят на месте. Не так давно появились лазерно-люминофорные фары, но и они когда-то канут в лету и на автомобили придут принципиально новые источники света.
Дмитрий Никольский.
Источники:
http://rad.livekuban.ru/blog/291113,
https://ru.wikipedia.org/wiki/Citro%C3%ABn_DS
Автомобильные отражатели (рефлекторы) фар
Свет от источника, типа нити лампы, при использовании 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 вбок от дороги и вниз используются линзы, которые служат также защитным стеклом фары. На рисунке показано, как линзы и рефлекторы могут быть использованы для задания направления луча света.
Рис. Характеристики света фар, получаемые при правильно подобранной конструкции линз и рефлекторов
Назначение отражателя фары заключается в том, чтобы собрать свет, излучаемый лампой во все стороны, в концентрированный пучок. Если нужно получить определенное направление к форму луча, важно положение нити лампы относительно рефлектора, это показано на рисунке а. Сначала источник спета (нить лампы) находится в фокусе, поэтому отраженный луч будет параллелен основной оси. Если нить находится между фокусом 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 сходиться к основной оси.
Отражатель или рефлектор представляет собой гладкую, полированную поверхность, например медную или стеклянную, на которой осажден слой серебра, хрома или алюминия. 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
Рис. Формирование ближнего света лампой со сдвоенной нитью
Парабола — кривая, похожая по форме на траекторию камня, брошенного под углом к горизонту. Если источник света помещен в фокус параболического отражателя (см. рис. а), пучок выходящих из отражателя лучей будет параллелен оптической оси; каждый луч от источника будет отражаться параллельно оси независимо от того, а каком месте луч попадает на поверхность отражателя. Следовательно, такой отражатель создает яркий параллельный отраженный пучок света постоянной интенсивности. С помощью параболического отражателя большая часть светового лампочки отражается вдоль основной оси, и только малая часть прямых лучей рассеивается как случайный свет.
Интенсивность отраженного света максимальна около оси луча и понижается при приближении к внешнему краю луча. На рисунке в общем виде показано устройство отражателя и лампочки, в которой нить ближнего света оборудована экраном. Это дает хорошую форму луча ближнего света и используется, главным образом, с асимметричными фарами.
Бифокальный отражатель
Бифокальный отражатель (см. рис. в), как и предполагает его название, имеет две секции отражения 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
Софокусиый отражатель (см. рис. 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
Рис. Улучшенный луч ближнего света Полиэллипсоидальной фары
Полиэллипсоидальная система (poly-elipsoidal system — PES), показанная на рисунке, 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 см2. Это было достигнуто при использовании отражателя и прожекторной оптики, разработанной при помощи программы автоматизированного проектирования (CAD). 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.