汽车灯具设计原理与方法
1、汽车灯具主要有照明灯具和信号灯具两大类。
照明灯具包括汽车必备的远光与近光前照灯外, 还有一些辅助的照明灯具, 例如雾灯, 作业照明灯, 后照灯及倒车灯等。信号灯具主要用来显示汽车行驶状况及汽车外廓尺寸等, 主要有前后示宽灯, 制动信号灯及转向信号灯等。
随着汽车速度的提高, 对汽车车灯照明的要求也越来越严格, 汽车灯具设计的难点是前照灯, 本文对前照灯原理, 前照灯种类, 前照灯标准及前照灯设计方法作详细介绍。
2、汽车前照灯照明原理
汽车前照灯主要由光源, 反射镜及配光镜三部分组成。
2.1反射镜原理汽车灯具中常用的反射镜是抛物面反射镜。
抛物面是以抛物线为母线绕轴旋转180°而构成, 它的剖面图如图1 所示。抛物面反射镜有一个焦点F, 在其焦点F 上放置一个点光源, 则点光源发出的光线经抛物面反射镜反射后, 光线将平行ox 轴出射, 光线的光路为FAB 光线非常集中, 适宜于远距离照明, 远光主灯丝一般都置于抛物面反射镜的焦点附近, 由于灯丝有一定大小, 虽然置于焦点上, 经反射后仍有一个微小的发散角。如果将点光源从焦点F 向前移到S 时, 由S 点发出的光线经反射镜反射后光线光路为FAC, 考虑抛物面绕轴旋转对称性, 反射镜上部的反射光照明下方, 而反射镜下部的反射光照明上方, 图2 表示一段圆柱灯丝移到焦点前方照明情况。前照灯的近光灯丝就是置于焦点前面, 使上部的反射光照明下方路面, 而下部的反射光照明上方, 这对迎面而来的驾驶员会造成严重的眩光, 为了克服眩光,H4 灯在近光灯丝下方设置一个遮光罩, 使近光灯丝的光线不落在反射镜的下半部分, 避免下半部分反射光线射入驾驶员眼睛里。
2.2 H4 灯灯丝尺寸及遮光方法
H4 灯是双灯丝的卤钨灯泡, 两根圆柱状灯丝沿轴向安放, 主灯丝位于抛物面反射镜焦点附近, 用于远光照明, 副灯丝位于抛物面反射镜焦点的前方, 这样副灯丝被反射镜上部所反射的光可以照明路面。在副灯丝的下方有一个钼制的遮光罩, 遮光罩一侧沿水平遮光, 另一侧向下倾斜15°遮光, 经反射镜反射后, 前者形成一条水平明暗截止线, 后者形成一条向上倾斜15°的明暗截止线。
主灯丝, 副灯丝及安装基面之间的尺寸位置都有严格要求, 车灯制造厂一般通过调整LCL 的大小来调整灯丝在反射镜中的位置, 使远光、近光呈最佳配光状况, 如图5 所示。当LCL 较小时, 意味着整个H4 灯向前移动, 使近光灯丝向前离焦点较远, 因为光形尺寸变大, 中心暗区变大; 当LCL 较大时, 意味着整个H4 灯向后移动, 使近光灯丝向前离焦点较近, 因此光形尺寸变小, 中心暗区变小。远光灯丝(主灯丝) 中心在焦点上时, 远光光形较小, 中心偏离焦点时, 远光光形增大。
2．3配光镜的作用
H4 灯加上抛物面反射镜是不能符合汽车前照灯照明标准要求的, 因为从远光来看, 还需要沿水平方向左右略带扩散; 从近光来看, 由于灯丝移到焦点前方, 使照明光斑中心出现一个暗区。因此需要借助配光镜改变原有的光能量分布情况。
配光镜上常用折射单元有: (1) 柱面透镜(凹圆柱面或凸圆柱面) 使光线左右发散成一定角度。(2) 双曲平面(轮胎) 透镜, 使光线左右、上下均发散一角度。(3) 楔形棱镜, 使光线向下、向上或向斜方向偏折一个角度,光线经过楔形棱镜时总向棱镜厚的一侧偏折。
为了使前照灯满足道路照明标准, 必须通过配光镜上的花纹(折射单元) 使光线扩散或偏折, 而花纹划分至少应有3 个区域。A、B 区域花纹主要为了满足近光的配光,C 区域花纹为了完善提高远光的配光。
A、区域主要利用柱面透镜使光线左右扩散, 改善近光时左右前方照明, 同时要保证水平截止线明暗清晰。B、区域主要利用楔形棱镜和柱面透镜, 加强75m 及50m 距离处的车道右边线光照度, 同时要保证15°截止线明暗清晰。C、区域主要利用曲率半径较大的柱面透镜, 使远光左右略有扩散, 保证远距离道路照明。
3、汽车前照灯的种类
常用的汽车前照灯有3 种: (1) 带配光镜的前照灯, (2) 自由曲面前照灯, (3) 多椭球射灯。
此种前照灯目前在我国用得最多, 老桑塔纳, 新桑塔纳及夏利等都用这种前照灯, 它由H4 灯加上抛物面反射镜和配光镜组成近、远光一体的前照灯, 它的原理如前面所述。在H4 灯前方还放置一个金属遮光罩, 主要作用是遮挡直射光线, 同时遮挡反射镜边缘误差较大的区域, 以便改善照明效果。
自由曲面前照灯外型这是近年来发展起来的一种新颖前照灯, 在国外已被广泛应用, 我国上海通用汽车公司1998 年投产的BU ICK 轿车的前照灯也采用了自由曲面。
自由曲面前照灯, 用一块光滑的玻璃替代了配光镜, 原来配光镜的配光功能将由反射镜承担, 在反射镜上划分了一块一块花纹, 它的光学原理类似配光镜, 每一块花纹都是由非规则的自由曲面构成, 它们的作用也是使光线左右, 上下扩散或使光线仅仅是偏折。图12 表示光线经自由曲面反射镜反射后在测试面上形成一个符合照明标准的配光分布。
自由曲面前照灯有以下特点: (1) 符合汽车车头向流线型发展潮流, 在前表面倾斜使用时, 它比配光镜光损失要小。(2) 适合于设计灯具高度较低的一体灯。(3) 自由曲面反射镜可使H4 灯省掉近光灯丝遮光罩, 提高光的利用率。(4) 自由曲面前照灯造型新颖, 设计灵活, 适用于多种光源。
自由曲面形状复杂, 必须采用计算机进行设计, 设计时根据光斑要求自动生成曲面, 并将设计的数据转换为加工指令, 然后用加工中心或数控铣床进行加工, 因此自由曲面的设计与加工必需依靠一套。
多椭球射灯
多椭球射灯形式的前照灯由光源, 多椭球反射镜, 遮光板及非球面透镜组成。多椭球是一种非旋转对称的曲面, 通过光轴的各个截面所得的椭圆具有不同的长半轴和短半轴, 它的作用是使光源成像在遮光板附近, 但垂直方向与水平方向具有不同的倍率, 从而控制光斑尺寸与形状。遮光板的作用可以产生清晰的明暗截止线, 最后采用非球面透镜将光斑投射到需要照明的区域。
多椭球射灯所用的光源可以是卤钨灯, 也可以是高压气体放电灯, 图13 所示的灯具就是采用高压气体放电灯, 这是一种新颖的车灯光源, 具有发光效率高, 被照路面光照度高的优点。
4、汽车前照灯的标准
不同用途的汽车灯具有不同的标准, 其中前照灯标准要求最高, 因此前照灯的设计难度也最大, 这里主要介绍前照灯标准。目前世界上对前照灯主要有3 个标准: 欧洲经济委员会ECE, 美国的SA E, 日本的J IS 。我国基本上参照ECE 的配光方式, 而国际上也有向ECE 靠拢的趋势, 所以这里主要介绍ECE 标准。
代表约50m 距离处迎面汽车的驾驶员眼睛位置, 该位置的照度越低越好, 可避免眩光、50R , 75R 分别表示约50m 和75m 距离处的车道右边线对光照度有要求的两个点的位置。
前照灯样品的实验室检验使用测试屏幕, 样品放在离垂直测试屏幕25m 距离处, 屏幕上测试点的位置如图15 所示, 图上测试点的位置与图14 是相对应的。垂直线VV ′相当于右侧车道的轴线, 直线HG′和HG 对应透视图右侧车道的左右边线。直线HF 代表左侧迎面车道的外边线, 直线HF ′代表左侧迎而车道的中线。因此直线HG′是整个路面的轴线。直线HE 近似代表迎面汽车驾驶员眼睛的轨迹线。根据ECE 标准, 对前照灯近光主要检查点。
前照灯远光的ECE 标准应是: 最大光照度点应位于H ′H ′线以上, 最大光照度在240lx～48lx 范围内, 同时要测量位于H ′H ′线上的5 个检查点。H 点的光照度应大于最大光照度的018 倍, 离H 点向左、向右11215cm 处的光照度不低于24lx, 离H 点向左、向右225cm 处的光照度不低于6lx 。针对远光及近光这样多检查点要求, 因此对前照灯的配光设计带来很大困难, 如果没有参考样灯, 完全靠经验进行配光设计, 很难一次成功。计算机辅助前照灯配光设计的目的就是要在没有样灯情况下, 能估算出在各检查点的光照度, 从而对光学设计不断进行修改, 使配光设计结果比较接近ECE 标准的要求。
5、汽车灯具的设计方法
汽车灯具的设计包括造型设计、配光设计、结构设计, 其中造型设计与结构设计经过训练后设计者感到容易入手, 而配光设计虽然经过光学训练, 如果没有功能较强的计算机软件, 设计者很难把握住设计结果, 往往无法入手。而且不同类型的前照灯, 需要不同的计算机设计软件, 否则设计者很难独立完成设计。
随着汽车灯具设计技术的发展, 配光设计大体分为3 个阶段: (1) 实物模拟配光设计, (2) 光线走向设计, (3) 汽车照明计算机仿真设计。
5．1．1实物模拟配光设计
此种方法事先必须搜集各种曲率半径和各种宽度的柱面透镜, 各种楔形棱镜, 各种光源与反射镜。然后根据配光原理用镶拼的方法在实验室中试验配光效果, 对简单的汽车灯具, 镶拼后容易达到要求, 复杂的汽车灯具需要反复镶拼反复修改。这种方法早期美、欧车灯厂都有使用, 目前美国一些中小型车灯厂有时也用此种方法。此种方法的特点是比较直观, 能直接得到配光的结果, 根据镶拼后的实物去设计车灯, 试制结果差距不会太大。此种方法的缺点是受到镶拼实物的限制, 很难设计出超越实物的新灯具。对自由曲面等90 年代发展的新颖灯具, 无法用实物镶拼的方法得到模拟配光的结果。
5．1．2光线走向设计
这是一种非常近似的设计方法, 利用二维(平面) 的光线光路计算公式, 使用一台普通微型计算机, 可以把光线在柱面透镜或楔形棱镜某一截面上的光线走向计算和显示出来, 由此可以预见光线发散角度或偏折方向, 但是无法知道光能量的分布。此种方法的特点是光学原理简单, 只需经过光学培训, 就可以自己编写一些小型计算软件, 可以设计一些简单的汽车灯具, 对复杂的前照灯, 采用此种方法必须要有参考样灯, 对设计者要求有丰富的配光经验, 此方法的缺点是一种近似设计, 不能直接得到标准所要求的各点, 因此对配光的结果心中无数, 这就限制了设计者只能设计本人熟悉的或有先例的车灯形式, 很难自由发挥, 同样对90 年代发展的新颖灯具也无法设计。
5．1．3汽车照明计算机仿真设计
当客户向这些公司订货时, 在设计阶段, 公司就可以向客户提供: (1) 汽车灯具三维造型图; (2) 预见的车灯配光曲线(等光强曲线, 等光照度曲线等); (3) 预见的道路照明效果图(直行效果图, 转弯效果图), 以及工艺分析报告, 热量分析报告等设计资料。客户对某些结果不满意的话, 公司可以及时对设计进行修改, 以便满足用户要求。
90 年代以后, 随着CAD ?CAM 技术发展, 各种车灯形式越来越多, 这与仿真技术的发展有密切关系。配光设计的仿真技术必须包含两个内容: (1) 按照光学原理, 计算机能辅助产生一个合理的新颖车灯结构, (2) 计算机能模拟光能量传播规律, 计算和显示在测试屏幕或照明面上光能量的分布情况, 判断设计是否符合标准。
为了实现配光仿真设计, 必须采用复杂的三维(空间) 光线光路计算, 光线的分布应该与光能量分布相一致。计算工具应该采用速度快、存储量大的工作站或高档微型计算机。对各种类型的汽车灯具都必须由专人开发设计软件和校验软件, 大型车灯公司一般都有软件开发人员, 经过实践使用和改进提高, 然后提供设计人员使用, 这些软件对厂家来说一般都是保密和不对外售的。
6、结束语
目前国内多数车灯厂家不能独立开发新颖车灯, 关键是没有高档的设计软件。近年来我们与有关厂家紧密合作, 开发研制了汽车灯具计算机仿真设计软件, 为国内车灯工业发展做了一点工作, 但是该项工作与国外先进技术相比还有一定差距, 还要继续努力, 以求在近期内得到提高。
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