Нормирование светотехнических характеристик головных фар

Основной задачей нормирования светотехнических характеристик является разработка совокупности требований к светораспре-делению, обеспечивающих рентабельность автотранспортных перевозок и безопасность движения в темное время суток.

Так как основой экономичности перевозок служит скорость доставки грузов, то очевидно, что использование скорости автомобиля желательно и при движении ночью. Наиболее скоростному режиму движения в темное время суток соответствует режим дальнего света фар. При этом безопасность ночного движения требует, чтобы дальность обнаружения S0бН и опознания препятствий, определяемая дальним светом, была достаточной для остановки автомобиля, т. е. S06H S S0CT.

 

где v - скорость автомобиля, км/ч; Т - суммарное время различения препятствия, реакции водителя и срабатывания тормозного привода до начала торможения, с; К_э - коэффициент эксплуатационного состояния тормозной системы; <р - коэффициент сцепления шин с дорогой; /₀ - запас остановочного пути до препятствия, м.

 

Полный остановочный путь автомобиля в зависимости от его скорости

Необходимая для обнаружения препятствий освещенность Е_кр, зависящая от таких факторов как прозрачность атмосферы, цвето­вые контрасты объектов и т. п., достаточно корректно может опре­деляться эмпирической формулой

 

Тогда необходимая сила света фар

 

 

Учитывая, что основное слагаемое остановочного пути S_0CT про­порционально квадрату скорости v² автомобиля, а необходимая сила света / - квадрату остановочного пути, необходимая сила све­та фар будет пропорциональна четвертой степени скорости авто­мобиля.

Нормативы ближнего света определяются по коэффициенту ос- лепленности, которым оценивается слепящее действие светового пучка от фары на водителей встречных транспортных средств, и дальности видимости в этом режиме освещения.

Коэффициент ослепленности

 

где C_L - коэффициент, зависящий от яркости L_a поля адаптации, кд/м²; Е_зр/ - освещенность, создаваемая фарами встречного авто­мобиля, на глазах водителя, лк; 0, - угол действия излучающего свет источника, отсчитываемый от оси движения встречного авто­мобиля, град; п - число фар на встречном автомобиле; т - показа­тель степени, зависящий от угла 0.

Дальность видимости г_пор зависит от создаваемой фарой осве­щенности объекта, удаленного от автомобиля на расстояние г₀. При условии гарантированного обнаружения (Е_кр = 0,2 + 0,01 S_0CT) дальность видимости

 

где Е - освещенность, создаваемая оптическим элементом в за­данной точке дороги, лк.

Определение этих критериев, наряду с определением физиоло­гического критерия - видимости, позволяет сформулировать требо­вания

к светораспределению режима освещения.

Видимость

 

где \/_ф и Кф - соответственно видимость и контраст объектов, ос­вещаемых фарами; уф ~ коэффициент неравномерности, учиты­вающий увеличение К_пор за счет неравномерности распределения яркости дорожного полотна; С_ф - коэффициент ослепленности, ха-рактеризующий увеличение К_пор из-за ослепляющего действия фар встречного транспортного средства; К_пор - пороговый контраст, т. е. лежащий на границе различения контраста при данных условиях наблюдения.

Пороговый контраст

 

где L_nop - пороговая разность яркостей объекта и фона; L_ф - яр­кость фона.

В европейских странах и странах СНГ применяется унифицирован­ная система фар с асимметричным ближним светом и резкой светоте­невой границей на ближнем свете. Светотехнические нормы для фар этой системы регламентированы правилами № 1, № 20 ЕЭК ООН (по­следние для фар с галогенными лампами) и ГОСТ 3544-75.

Для проверки головных фар в режиме ближнего света исполь­зуют специальный контрольный экран (рис. 4.4,а). Вертикальная линия VV‘ соответствует оси правой полосы движения, а линии HG и HG' изображают в перспективе края правой полосы дороги, по которой движется автомобиль. Линия НЕ соответствует внешнему краю левой стороны встречного движения, линия HF - середине левой полосы. Таким образом, линия HG' изображает ось дорожно­го полотна. Линия НЕ приблизительно соответствует траектории глаз водителя встречного автомобиля.

Наиболее важными контрольными точками являются: B50L - точка, соответствующая положению глаз водителя встречного ав­томобиля, находящегося на расстоянии 50 м, и точки 50R и 75R, которыми задается освещенность правого края полосы движения на расстояниях, равных соответственно 50 и 75 м.

Зона ///, лежащая выше светотеневой границы, представляет собой совокупность точек, освещенность в которых определяет слепящее действие фары, вследствие чего для нее установлены низкие значения максимально допустимой освещенности экрана. Освещенность дорожного полотна практически определяет яркость адаптации и видимость дороги, поэтому для нее установлена минимально допустимая освещенность контрольного экрана.

Значения освещенности в точках 25R и 25L характеризуют видимость обочин дороги на расстоянии 25 м перед автомобилем. Чтобы избежать излишней яркости ближнего к автомобилю участка дороги, т. е. зоны /, и чрезмерного контраста по сравнению с более удаленными точками, освещенность в этой зоне ограничивают достаточно низкими максимально допустимыми значениями.

 

Рис. 4.4. Разметка контрольного экрана для проверки ближнего света фар европейской системы (а) и контрольные точки экрана для проверки даль­него света фар с европейским светораспределением (б). Размеры даны всантиметрах

 

Нормативные значения освещенности в контрольных точках светораспределения режима ближнего света содержатся в отече­ственных и международных стандартах (табл. 4.1).

Разметка контрольного экрана для проверки дальнего света и зна­чения освещенности в контрольных точках показана на рис. 4.4,б.

Ось светового пучка дальнего света создает на экране точку максимальной освещенности, расположенную выше линии НН' (см. рис. 4.4,а). Освещенность нормируется в пяти точках, расположен­ных на линии h'h (см. рис. 4.4,б). По ГОСТ Р41.1-99 нормируется

дополнительно пять точек (три до линии VV и две на периферии светового пятна, ниже линии h'h).

 

Контроль­ные точки экрана	Направления измерения, соответст­вующие кон­трольным точкам	Освещенность экрана, лк, в соответствии с Правилами ЕЭК ООН
Металлостеклян­ная фара типов CR и С (правило 1), цельностеклянная типов SCR и SC (правило 5)	Металло­стеклянная фара с гало­генной лам­пой Hi - Нз типов НС и HCR (правило 8)	Металлостеклян­ная фара с гало­генной лампой Н4 (правило 20), цельностеклянная с галогенной лам­пой Н4 типов HCR и CR (правило 31)	Металлостеклянная фара с лампой Р2
0 136 мм типа CR-136	0 170 мм типа CR-170 и 136 мм типа C-136
B50L	35В - 3°25'	max 0,3	max 0,3	max 0,4	max 0,3	max 0,3
75R	35Н-Г20П	min 6,0	min 12,0	min 12,0	min 4,0	min 8,0
50R	50Н - 1°45Т1	min 6,0	min 12,0	min 12,0	min 10,0	min 12,0
25R	1 °45*Н - 9°Н	min 1,5	min 2,0	min 2,0	min 1,5	min 1,5
25L	1°45Н-9°Л	min 1,5	min 2,0	min 2,0	min 1,5	min 1,5
Зоны:
II!	В любой точке	max 0,7	max 0,7	max 0,7	max 0,7	max 0,7
IV	То же	max 2,0	min 3,0	min 3,0	min 1,5	min 2,0
I	it	max 20,0	max 2E50R	max 2E50L	-	-
75L	35Н - 3°25'Л	-	max 12,0	-	-
50L	50Н - 3°25'Л	-	max 15,0	-	-
50V	50Н - 0	-	min 6,0	-	-

Примечание. В таблице приняты обозначения: В - выше; Н - ниже; Л - влево; П - вправо; ESOR и E50L - фактически измеренные освещенности.

 

Нормативные значения освещенности в контрольных точках светораспределения режима «дальний свет» по отечественным и международным стандартам приведены в табл. 4.2.

 

Таблица 4.2

Контрольные точки экрана	Освещенность экрана, лк
Двухфарная система	Четырехфарная система
Фара с двухните- вой лампой 0 178 мм типа CR- 170	Фара с двухните- вой лампой 0 146 мм типа CR- 136	Фара даль­него света с одноните- вой лампой 0 146 мм типа R-136	Фара ближ­него и до­полнитель­ного даль­него света с двухнитевой лампой 0 146 мм типа С-136
Н
H-2.5R и 2.5L
H-5R и 5L
42Д — 12R и 12L	1,2	-	1,2	1,2
2Д — V		-
ЗД-V		-	2,5	1,5
4Д - V

 

Примечания. 1. Отношение максимальной освещенности в любой точке экрана к освещенности в точке Н должно быть не менее 0,9.

2. Для точки 4Д - V указаны максимальные значения освещенности, для остальных точек - минимальные.

3. Нормы в таблице приведены для металлостеклянных фар.

Характерными отличиями стандарта США являются отсутствие резкой светотеневой границы в режиме «ближний свет» и несколько большие значения силы света в слепящей зоне и зоне адаптации.

4.5. КОНСТРУКЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ ГОЛОВНЫХ ФАР

Основными конструктивными элементами головных фар являются: корпус; регулировочный механизм; оптический элемент, со-

держащий отражатель; рассеиватель; экран прямых лучей; одно- или двухрежимный источник света. Одной из важных конструктив­ных характеристик фары служит ее форма - круглая или прямо­угольная. На протяжении почти 40 лет основной формой фары бы­ла круглая со стандартизованными размерами оптического элемен­та - 0 178 мм у двухфарной системы и 0 146 мм у четырехфарной системы освещения.

Оптический элемент 1 круглой фары (рис. 4.5) выполнен в виде склеенных между собой стеклянного рассеивателя и металлическо­го отражателя, в слепое отверстие которого установлен источник света с одним или двумя (в зависимости от режима работы) телами накала. На отбортовке горловины установлен опрессованный фла­нец с пружинными зажимами, поджимающими опорный фланец лампы к опорному торцу отражателя.

Источник света 6 установлен таким образом, чтобы тело нака­ла дальнего света было расположено в фокусе отражателя, а те­ло накала ближнего света было расфокусировано относительно фокуса отражателя вперед и вверх. В современных конструкциях применяются обычные лампы типа Е, например А12-45+40 и гало­генные источники света типа Н: Н1, НЗ, Н4, Н7, Н9, Н11, Н13.

 

 

Рис. 4.5. Устройство круглой фары:

1 - оптический элемент; 2 - ободок; 3 — регулировочные винты; 4 - держа­тель; 5-корпус; б - источник света; 7- токоподводящая колодка;

8 - винты крепления ободка

 

К отражателю на кронштейнах приклепывается экран прямых лу­чей от лампы, что позволяет несколько снизить ослепление водите­лей встречных автомобилей (при ближнем свете) и уменьшить яр­кость свечения атмосферы при ее малой прозрачности. Экран вы­полняют из тонкой металлической ленты сферической формы. Отра­жатель круглых фар имеет параболоидную форму с фокусным рас­стоянием, варьируемым в различных конструкциях от 19 до 28,5 мм.

Держатель 4 подвижно установлен в корпусе фары и за счет уп­ругой подвески пружинами сжатия и распором двумя винтами 3, имеет возможность поворачиваться в двух плоскостях - вертикаль­ной и горизонтальной, обеспечивая тем самым регулировку свето­вого пучка относительно дороги.

Рассеиватель оптического элемента представляет собой круглое или прямоугольное стекло, на внутренней поверхности которого на­ходятся преломляющие элементы: цилиндрические и сферические линзы, призмы и призмолинзы. Рассеиватели фар изготавливаются, как правило, из бесцветного силикатного стекла. В последнее время ведутся работы по замене стекла абразивостойкой пластмассой, од­нако дешевых способов ее получения до сих пор не найдено.

Корпус 5 круглых фар выполняется металлическим с фланцем для крепления к кузову автомобиля и имеет кронштейн для уста­новки ободка 2, поджатого к поверхности оптического элемента. В тыльной части корпуса имеется отверстие для установки жгута коммутирующих проводов со штекерными токоподводящими разъ­емами с обоих концов, один для подключения к источнику света, другой - к сети автомобиля.

Другой разновидностью традиционных конструкций фар является прямоугольная фара, получившая распространение в 60-х годах. Ее характерной особенностью является использование усеченного пара­болоида с большим диаметром светового отверстия (до 250 мм), что обеспечивает увеличение работающих зон в горизонтальном направ­лении, чем существенно улучшается светораспределение в режиме ближнего света. Кроме того, такая форма позволяет снизить верти­кальный габарит фары и обеспечивает тем самым предпосылки к сни­жению коэффициента аэродинамического сопротивления воздушному потоку, чем повышает топливную экономичность автомобиля.

К недостаткам прямоугольных фар следует отнести их худшую технологичность, большую стоимость и потребность в большем подкапотном пространстве для размещения.

Принцип работы светооптической схемы этих фар, а следова­тельно, и требования к ее элементам такие же, как и к фарам круг­лого исполнения, а их конструкция в силу особенностей формы имеет ряд существенных отличий. Из-за большего горизонтального размера поворот оптического элемента такой фары при регулиров­ке на 4° сопровождается большим линейным перемещением боко­вых краев рассеивателя и выступанием их из-за декоративного ободка на 15...20 мм. Это обстоятельство заставляет крепить рас­сеиватель неподвижно, а направление светового пучка регулировать поворотом только отражателя внутри корпуса фары.

На рис. 4.6 изображена типовая конструкция прямоугольной фары. В корпусе 2, выполненном из пластмассы, закреплен винтами через ободок рассеиватель 1. (В других вариантах рассеиватель к корпусу может приклеиваться, поджиматься плоскими пружинами или хомутами.) Отражатель 3 смонтирован внутри корпуса подвижно на трех опорных шаровых шарнирах 10.

Шаровой шарнир 4 является неподвижной опорой. Поворот отражателя в горизонтальной плоскости обеспечивается вращением винта 6, перемещающего шарнир 7; отражатель при этом поворачивается вокруг вертикальной оси, проходящей через центры шарниров 4 и 5. Крайние положения отражателя показаны на рис. 4.6 штриховой линией.

Регулировка наклона светового пучка фазы осуществляется двумя винтами 8 и 9. Начальная (установочная) регулировка производится винтом 9г, отражатель при этом поворачивается вокруг горизонтальной оси, проходящей через центры шарниров 4 и 7. Корректировка угла наклона светового пучка фазы (например, при изменении нагрузки автомобиля), т.е. изменение положения пучка в вертикальной плоскости, осуществляется винтом 8, от которого может быть сделан привод в кабину водителя.

На основе изображенной на рис. 4.6 конструкции легко изготавливается блок-фара с встроенным внутрь корпуса (рис. 4.7,а) или смонтированными сбоку (рис. 4.7,6) необходимыми светосигнальными приборами.

Блок-фары получили широкое распространение в 1980-е годы за счет некоторого снижения себестоимости комплекта световых при-боров и более органичного эстетического оформления передней части автомобиля.

В США, Японии и ряде других стран оптические элементы традиционных конструкций фар, как круглых, так и прямоугольных, выполняют в виде неразъемных ламп-фар. Рассеиватель и отражатель этих приборов изготавливают из стекла, после чего отражатель алюминируют, монтируют в нем систему нитей накала, сваривают

 

отражатель с рассеивателем, откачивают из образовавшейся кол­бы воздух и окончательно заваривают колбу.

Постоянно увеличивающийся дефицит топлива предопределил устойчивую тенденцию к снижению коэффициента аэродинамиче­ского сопротивления воздушному потоку при движении автомоби­ля, реализация которой потребовала обеспечения узкого профиля передней части автомобиля, а следовательно, и резкого ограни­чения высоты фары до 60...90 мм вместо 120...150 мм. Эти требо­вания практически исключают возможность использования в кон­струкциях фар традиционных светооптических схем, так как для сохранения необходимого светового потока в этом случае требу­ется значительное увеличение глубины отражателя, что вызывает технологические трудности. Кроме того, традиционные светоопти­ческие схемы, в которых функция перераспределения светового потока выполняется рассеивателем с глубокими призмами, не до­пускает его наклона в вертикальной плоскости на углы, большие чем 25°. Именно эти обстоятельства привели к разработке прин­ципиально новых решений.

Фирмой Lucac (Великобритания) была предложена конструкция фары, в которой отражатель выполнен в виде объединения не­скольких (двух-трех) усеченных параболоидных элементов с раз­личным фокусным расстоянием 20 и 40 мм при совмещенных по­ложениях их фокусов. Этот принцип объединения разнофокусных отражателей называется гомофокальным. Использование этого прин­ципа позволяет подобрать и скомпоновать отражатель из отдельных секторов разнофокусных отражателей таким образом, чтобы обеспе­чить формирование заданного светораспределения режимов ближнего и дальнего света практически за счет отражателя.

Реализация этой светооптической схемы позволила сконструировать фару, полностью удовлетворяющую современным требованиям автомобилестроителей по аэродинамике. На рис. 4.8 показан профиль автомобиля с такими фарами.

Рис. 4.7. Блок-фары легкового автомобиля с указателем поворотов: а - встроенным, б - смонтированным на боковой поверхности

 

 

Рис. 4.8. Профиль автомобиля с гомофокальными фарами

 

Практическая реализация гомофокальной конструкции потребо­вала пересмотра технологии изготовления, так как сложный про­филь отражателя с высокой точностью можно получить лишь из легко формуемых материалов, т. е. пластмасс, обладающих также высокой термостойкостью, что обеспечивает работу фары с гало­генными лампами. Стоимость материалов пока очень высока, а технологический процесс их формования достаточно трудоемок, что является сдерживающим фактором широкого применения кон­струкции этого типа.

Эллипсоидные фары головного света, предложенные фирмой Hella, представляют другое направление развития конструкции. Их характерной особенностью является более полное использование светового потока лампы при ближнем свете, т. е. относительно большой КПД. Конструкция такой фары (рис. 4.9) содержит эллип­соидный отражатель 2, в один из фокусов которого установлен ис­точник света 1. Весь световой поток, отраженный таким отражате­лем, концентрируется в его втором фокусе, где в режиме ближнего света частично экранируется, что позволяет создать четкую свето­теневую границу. Затем используемый пучок корректируется с по­мощью достаточно простой линзы 3. Для достижения необходимых значений светотехнических характеристик отражатель снабжают элементами параболоидных поверхностей, сопряженными с эллип­соидом, и преломляющими концентрическими призматическими элементами.

К основным недостаткам светооптических схем этого типа следует отнести технологические трудности, высокую стоимость, а также ограниченное их использование только в четырехфарной системе освещения.

Естественно, что этими направлениями не исчерпываются пути совершенствования светооптических схем оптических элементов и систем освещения в целом. Продолжает совершенствоваться система поляризованного света, ведутся поиски использования в системах освещения волоконной оптики.

Рис. 4.9. Эллипсоидная фара голов­ного света

 

4.6. ПРОТИВОТУМАННЫЕ ФАРЫ

Противотуманные фары предназначены для улучшения видимости при движении в тумане, снегопаде и других тяжелых метеорологических условиях. Необходимость использования специальных противотуманных фар обусловлена тем, что светораспределение головных фар при включении их в туманах, ливневых дождях, сне-гопадах ухудшает условия видимости. Основной причиной ухудшения видимости из автомобиля в туманах и осадках при включенных фарах головного света является характер светораспределения головных фар (дальнего и ближнего света), обусловливающий относительно малый градиент изменения сил света в пучке фар в вертикальной плоскости, что при увеличенном рассеянии на частичках дождя и тумана резко снижает яркостный контраст.

Светораспределение противотуманных фар различных фирм разнообразно. Общим являются низкое расположение этих фар и резкое ограничение лучей, проходящих выше горизонтальной плоскости, проведенной через ось фары. Поэтому нормы светораспре-деления противотуманных фар, установленные правилом № 19 ЕЭК ООН (рис. 4.10), представляют собой компромисс, охватывающий характеристики существующих конструкций противотуманных фар.

Светотехнические характеристики противотуманных фар в России регламентированы требованиями ГОСТ Р41.19-99 (передние) и Р41.38-99 (задние) (табл. 4.3).

 

Рис. 4.10. Нормы для светораспределения противотуманных фар

 

Таблица 4.3

 

Точки на изме­рительном эк­ране	Параметры рационального светораспределения про­тивотуманных фар
Координаты положения на экране	Нормируемая сила света, кд (лк)
Обычная лампа	Галогенная лампа
НЛ1; НП1	0-0	3000 (4,8)	6000-10 000 (9,6-166,0)
0 - 30°Л	500(0,8)	-
0-30°П	500 (0,8)	-
НЛ2; НП2	СЛ о	-	-
СЛ о	-	2388 (0,38)
3°В	0-3°В	300 (0,48)	300 - 600 (0,48 - 1,0)
Любая точка зоны А	Над линией 3-3 параллельно	300(0,48)	6000(1,0)

Примечание. Обозначения координат см. в табл. 4.1.

 

Конструкция и светооптическая схема противотуманной фары показаны на рис. 4.11. Отражатель такой фары выполняется параболоидным и имеет либо круглое, либо прямоугольное световое отверстие (в последнем случае параболоид выполняется усечен­ным). В зависимости от формы светового отверстия отражателя противотуманные фары имеют круглое или прямоугольное испол­нение. В качестве источников света в противотуманных фарах ис­пользуются лампы А-12-35 и Н1, Н2, ИЗ - галогенные лампы, полу­чившие вследствие более высоких светотехнических свойств самое широкое распространение.

Рис. 4.11. Традиционная конструкция противотуманной фары:

1 - экран прямых лучей; 2 - отражатель; 3 - источник света; 4 - корпус; 5-узел крепления; 6 - рассеиватель

 

Рассеиватель противотуманных фар выполняется с регулярной структурой преломляющих элементов в виде усеченных прямолиней­ных цилиндрических линз. Вследствие малого объема, а поэтому и большой термонагруженности рассеиватель делают из стекла. Совре­менные стандарты допускают выполнение рассеивателя белого или желтого цвета. Создание желтого спектра излучения противотуманных фар иногда обеспечивается нанесением соответствующего покрытия на рабочую поверхность отражателя или выполнением желтой колбы источника света. Следует отметить, что спектр изучения фар практиче­ски не влияет на условия видимости в тумане.

Конструкция светооптической схемы противотуманных фар имеет экран прямых лучей. Его применение объясняется необходимостью исключить взаимодействие прямых лучей от источника света с час­тицами тумана, в результате которого происходит сильное рассеяние несформированного излучения источника света, которое создает вуалирующую пелену и резко снижает дальность видимости.

Корпус противотуманных фар выполняется, как правило, из ме­талла вследствие высокой термонагруженности. На корпусе разме­рен узел регулировки и крепления противотуманных фар, который обеспечивает регулировку в двух, а в некоторых вариантах конст­рукций в трех плоскостях.