汽車燈具設(shè)計(jì)原理與方法
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上傳人：admin 上傳時(shí)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(duì)汽車車燈照明的效果也越來(lái)越加以重視。介紹了汽車燈具的設(shè)計(jì)原理與方法, 特別對(duì)汽車前照燈的設(shè)計(jì)給出了較詳細(xì)論述, 并對(duì)當(dāng)前國(guó)際較流行的新穎車燈設(shè)計(jì)原理作了介紹。
關(guān)鍵詞: 汽車燈具; 前照燈; 配光鏡; 自由曲面中圖分類號(hào): TH 7
1 引 言
汽車燈具主要有照明燈具和信號(hào)燈具兩大類。照明燈具包括汽車必備的遠(yuǎn)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(hào)燈具主要用來(lái)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(dòng)信號(hào)燈及轉(zhuǎn)向信號(hào)燈等。
隨著汽車速度的提高, 對(duì)汽車車燈照明的要求也越來(lái)越嚴(yán)格, 汽車燈具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是前照燈, 本文對(duì)前照燈原理, 前照燈種類, 前照燈標(biāo)準(zhǔn)及前照燈設(shè)計(jì)方法作詳細(xì)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(zhuǎn)180°而構(gòu)成, 它的剖面圖如圖1 所示。拋物面反射鏡有一個(gè)焦點(diǎn)F, 在其焦點(diǎn)F 上放置一個(gè)點(diǎn)光源, 則點(diǎn)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(yuǎn)距離照明, 遠(yuǎn)光主燈絲一般都置于拋物面反射鏡的焦點(diǎn)附近, 由于燈絲有一定大小, 雖然置于焦點(diǎn)上, 經(jīng)反射后仍有一個(gè)微小的發(fā)散角。如果將點(diǎn)光源從焦點(diǎn)F 向前移到S 時(shí), 由S 點(diǎn)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(zhuǎn)對(duì)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(diǎn)前方照明情況。前照燈的近光燈絲就是置于焦點(diǎn)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(duì)迎面而來(lái)的駕駛員會(huì)造成嚴(yán)重的眩光, 為了克服眩光,H4 燈在近光燈絲下方設(shè)置一個(gè)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(diǎn)前方照明情況
212 H4 燈的結(jié)構(gòu)在我國(guó)使用的前照燈中用得最多的光源是H4 燈, 其結(jié)構(gòu)及燈絲尺寸如圖3、圖4 所示。
 圖3 H4 燈結(jié)構(gòu)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(diǎn)附近, 用于遠(yuǎn)光照明, 副燈絲位于拋物面反射鏡焦點(diǎn)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(gè)鉬制的遮光罩, 遮光罩一側(cè)沿水平遮光, 另一側(cè)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(yán)格要求, 車燈制造廠一般通過(guò)調(diào)整LCL 的大小來(lái)調(diào)整燈絲在反射鏡中的位置, 使遠(yuǎn)光、近光呈最佳配光狀況, 如圖5 所示。當(dāng)LCL 較小時(shí), 意味著整個(gè)H4 燈向前移動(dòng), 使近光燈絲向前離焦點(diǎn)較遠(yuǎn), 因?yàn)楣庑纬叽缱兇? 中心暗區(qū)變大; 當(dāng)LCL 較大時(shí), 意味著整個(gè)H4 燈向后移動(dòng), 使近光燈絲向前離焦點(diǎn)較近, 因此光形尺寸變小, 中心暗區(qū)變小。遠(yuǎn)光燈絲(主燈絲) 中心在焦點(diǎn)上時(shí), 遠(yuǎn)光光形較小, 中心偏離焦點(diǎn)時(shí), 遠(yuǎn)光光形增大。
 圖5 H4 燈與反射鏡安裝基準(zhǔn)
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(biāo)準(zhǔn)要求的, 因?yàn)閺倪h(yuǎn)光來(lái)看, 還需要沿水平方向左右略帶擴(kuò)散; 從近光來(lái)看, 由于燈絲移到焦點(diǎn)前方, 使照明光斑中心出現(xiàn)一個(gè)暗區(qū)。因此需要借助配光鏡改變?cè)械墓饽芰糠植记闆r。
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(jiàn)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(jiàn)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(gè)角度, 分別見(jiàn)圖8 (a)、圖8 (b) 或圖8 (c) 所示, 光線經(jīng)過(guò)楔形棱鏡時(shí)總向棱鏡厚的一側(cè)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(biāo)準(zhǔn), 必須通過(guò)配光鏡上的花紋(折射單元) 使光線擴(kuò)散或偏折, 而花紋劃分至少應(yīng)有3 個(gè)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(yuǎn)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(kuò)散, 改善近光時(shí)左右前方照明, 同時(shí)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(qiáng)75m 及50m 距離處的車道右邊線光照度, 同時(shí)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(yuǎn)光左右略有擴(kuò)散, 保證遠(yuǎn)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(guó)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(yuǎn)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(gè)金屬遮光罩, 主要作用是遮擋直射光線, 同時(shí)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(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新穎前照燈, 在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用, 我國(guó)上海通用汽車公司1998 年投產(chǎn)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(lái)配光鏡的配光功能將由反射鏡承擔(dān), 在反射鏡上劃分了一塊一塊花紋, 它的光學(xué)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(gòu)成, 它們的作用也是使光線左右, 上下擴(kuò)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(cè)試面上形成一個(gè)符合照明標(biāo)準(zhǔn)的配光分布。
 圖12 測(cè)試面上形成的配光分布
自由曲面前照燈有以下特點(diǎn): (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(shí), 它比配光鏡光損失要小。(2) 適合于設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)靈活, 適用于多種光源。
自由曲面形狀復(fù)雜, 必須采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)光斑要求自動(dòng)生成曲面, 并將設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為加工指令, 然后用加工中心或數(shù)控銑床進(jìn)行加工, 因此自由曲面的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)對(duì)稱的曲面, 通過(guò)光軸的各個(gè)截面所得的橢圓具有不同的長(zhǎng)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(chǎn)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(diǎn)。
4 汽車前照燈的標(biāo)準(zhǔn) 不同用途的汽車燈具有不同的標(biāo)準(zhǔn), 其中前照燈標(biāo)準(zhǔn)要求最高, 因此前照燈的設(shè)計(jì)難度也最大, 這里主要介紹前照燈標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上對(duì)前照燈主要有3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn): 歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)ECE, 美國(guó)的SA E, 日本的J IS 。我國(guó)基本上參照ECE 的配光方式, 而國(guó)際上也有向ECE 靠攏的趨勢(shì), 所以這里主要介紹ECE 標(biāo)準(zhǔn)。
圖14 是一幅道路的透視圖, 觀察者位于右側(cè)車道的軸線(對(duì)應(yīng)圖15 的垂直線VV ′) 駕駛位置。B50L
 圖14 道路透視圖及相應(yīng)檢查點(diǎn)
 圖15 ECE 近光檢驗(yàn)用的測(cè)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(duì)光照度有要求的兩個(gè)點(diǎn)的位置。
前照燈樣品的實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)使用測(cè)試屏幕, 樣品放在離垂直測(cè)試屏幕25m 距離處, 屏幕上測(cè)試點(diǎn)的位置如圖15 所示, 圖上測(cè)試點(diǎn)的位置與圖14 是相對(duì)應(yīng)的。垂直線VV ′相當(dāng)于右側(cè)車道的軸線, 直線HG′和HG 對(duì)應(yīng)透視圖右側(cè)車道的左右邊線。直線HF 代表左側(cè)迎面車道的外邊線, 直線HF ′代表左側(cè)迎而車道的中線。因此直線HG′是整個(gè)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(biāo)準(zhǔn), 對(duì)前照燈近光主要檢查點(diǎn)如表1 所示。
表1 屏幕檢查點(diǎn)照度要求
 前照燈遠(yuǎn)光的ECE 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是: 最大光照度點(diǎn)應(yīng)位于H ′H ′線以上, 最大光照度在240lx～48lx 范圍內(nèi), 同時(shí)要測(cè)量位于H ′H ′線上的5 個(gè)檢查點(diǎn)。H 點(diǎn)的光照度應(yīng)大于最大光照度的018 倍, 離H 點(diǎn)向左、向右11215cm 處的光照度不低于24lx, 離H 點(diǎn)向左、向右225cm 處的光照度不低于6lx 。針對(duì)遠(yuǎn)光及近光這樣多檢查點(diǎn)要求, 因此對(duì)前照燈的配光設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難, 如果沒(méi)有參考樣燈, 完全靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配光設(shè)計(jì), 很難一次成功。計(jì)算機(jī)輔助前照燈配光設(shè)計(jì)的目的就是要在沒(méi)有樣燈情況下, 能估算出在各檢查點(diǎn)的光照度, 從而對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)不斷進(jìn)行修改, 使配光設(shè)計(jì)結(jié)果比較接近ECE 標(biāo)準(zhǔn)的要求。 5 汽車燈具的設(shè)計(jì)方法 汽車燈具的設(shè)計(jì)包括造型設(shè)計(jì)、配光設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 其中造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后設(shè)計(jì)者感到容易入手, 而配光設(shè)計(jì)雖然經(jīng)過(guò)光學(xué)訓(xùn)練, 如果沒(méi)有功能較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)軟件, 設(shè)計(jì)者很難把握住設(shè)計(jì)結(jié)果, 往往無(wú)法入手。而且不同類型的前照燈, 需要不同的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件, 否則設(shè)計(jì)者很難獨(dú)立完成設(shè)計(jì)。
隨著汽車燈具設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展, 配光設(shè)計(jì)大體分為3 個(gè)階段: (1) 實(shí)物模擬配光設(shè)計(jì), (2) 光線走向設(shè)計(jì), (3) 汽車照明計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)。
5．1．1 實(shí)物模擬配光設(shè)計(jì)
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(shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)配光效果, 對(duì)簡(jiǎn)單的汽車燈具, 鑲拼后容易達(dá)到要求, 復(fù)雜的汽車燈具需要反復(fù)鑲拼反復(fù)修改。這種方法早期美、歐車燈廠都有使用, 目前美國(guó)一些中小型車燈廠有時(shí)也用此種方法。此種方法的特點(diǎn)是比較直觀, 能直接得到配光的結(jié)果, 根據(jù)鑲拼后的實(shí)物去設(shè)計(jì)車燈, 試制結(jié)果差距不會(huì)太大。此種方法的缺點(diǎn)是受到鑲拼實(shí)物的限制, 很難設(shè)計(jì)出超越實(shí)物的新燈具。對(duì)自由曲面等90 年代發(fā)展的新穎燈具, 無(wú)法用實(shí)物鑲拼的方法得到模擬配光的結(jié)果。
5．1．2 光線走向設(shè)計(jì)
這是一種非常近似的設(shè)計(jì)方法, 利用二維(平面) 的光線光路計(jì)算公式, 使用一臺(tái)普通微型計(jì)算機(jī), 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(jì)算和顯示出來(lái), 由此可以預(yù)見(jiàn)光線發(fā)散角度或偏折方向, 但是無(wú)法知道光能量的分布。此種方法的特點(diǎn)是光學(xué)原理簡(jiǎn)單, 只需經(jīng)過(guò)光學(xué)培訓(xùn), 就可以自己編寫一些小型計(jì)算軟件, 可以設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的汽車燈具, 對(duì)復(fù)雜的前照燈, 采用此種方法必須要有參考樣燈, 對(duì)設(shè)計(jì)者要求有豐富的配光經(jīng)驗(yàn), 此方法的缺點(diǎn)是一種近似設(shè)計(jì), 不能直接得到標(biāo)準(zhǔn)所要求的各點(diǎn), 因此對(duì)配光的結(jié)果心中無(wú)數(shù), 這就限制了設(shè)計(jì)者只能設(shè)計(jì)本人熟悉的或有先例的車燈形式, 很難自由發(fā)揮, 同樣對(duì)90 年代發(fā)展的新穎燈具也無(wú)法設(shè)計(jì)。513 汽車照明計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)
這種方法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的, 在國(guó)外大型車燈公司已開(kāi)始采用, 據(jù)報(bào)道德國(guó)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(shè)計(jì)。當(dāng)客戶向這些公司訂貨時(shí), 在設(shè)計(jì)階段, 公司就可以向客戶提供: (1) 汽車燈具三維造型圖; (2) 預(yù)見(jiàn)的車燈配光曲線(等光強(qiáng)曲線, 等光照度曲線等); (3) 預(yù)見(jiàn)的道路照明效果圖(直行效果圖, 轉(zhuǎn)彎效果圖), 以及工藝分析報(bào)告, 熱量分析報(bào)告等設(shè)計(jì)資料。客戶對(duì)某些結(jié)果不滿意的話, 公司可以及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改, 以便滿足用戶要求。
90 年代以后, 隨著CAD CAM 技術(shù)發(fā)展, 各種車燈形式越來(lái)越多, 這與仿真技術(shù)的發(fā)展有密切關(guān)系。配光設(shè)計(jì)的仿真技術(shù)必須包含兩個(gè)內(nèi)容: (1) 按照光學(xué)原理, 計(jì)算機(jī)能輔助產(chǎn)生一個(gè)合理的新穎車燈結(jié)構(gòu), (2) 計(jì)算機(jī)能模擬光能量傳播規(guī)律, 計(jì)算和顯示在測(cè)試屏幕或照明面上光能量的分布情況, 判斷設(shè)計(jì)是否符合標(biāo)準(zhǔn)。
為了實(shí)現(xiàn)配光仿真設(shè)計(jì), 必須采用復(fù)雜的三維(空間) 光線光路計(jì)算, 光線的分布應(yīng)該與光能量分布相一致。計(jì)算工具應(yīng)該采用速度快、存儲(chǔ)量大的工作站或高檔微型計(jì)算機(jī)。對(duì)各種類型的汽車燈具都必須由專人開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)軟件和校驗(yàn)軟件, 大型車燈公司一般都有軟件開(kāi)發(fā)人員, 經(jīng)過(guò)實(shí)踐使用和改進(jìn)提高, 然后提供設(shè)計(jì)人員使用, 這些軟件對(duì)廠家來(lái)說(shuō)一般都是保密和不對(duì)外售的。
6 結(jié)束語(yǔ) 目前國(guó)內(nèi)多數(shù)車燈廠家不能獨(dú)立開(kāi)發(fā)新穎車燈, 關(guān)鍵是沒(méi)有高檔的設(shè)計(jì)軟件。近年來(lái)我們與有關(guān)廠家緊密合作, 開(kāi)發(fā)研制了汽車燈具計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)軟件, 為國(guó)內(nèi)車燈工業(yè)發(fā)展做了一點(diǎn)工作, 但是該項(xiàng)工作與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比還有一定差距, 還要繼續(xù)努力, 以求在近期內(nèi)得到提高。 |
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