汽车灯具设计原理与方法.doc

汽车灯具设计原理与方法1.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。212H4 灯的结构在我国使用的前照灯中用得最多的光源是H4 灯, 其结构及灯丝尺寸如图3、图4 所示。图3H4 灯结构图4 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。图5H4 灯与反射镜安装基准213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,见图6所示。(2) 双曲平面(轮胎) 透镜, 使光线左右、上下均发散一角度, 见图7 所示。(3) 楔形棱镜, 使光线向下、向上或向斜方向偏折一个角度, 分别见图8 (a)、图8 (b) 或图8 (c) 所示, 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, 如图9 所示。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。图9配光镜花纹区域划分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。3.1带配光镜的前照灯如图10 所示。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。 图10带配光镜的前照灯3.2自由曲面前照灯如图11所示图11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BUICK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图12测试面上形成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CAD CAM 系统。3.3多椭球射灯如图13 所示: 图13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。图14 是一幅道路的透视图, 观察者位于右侧车道的轴线(对应图15 的垂直线VV ) 驾驶位置。B50L图14道路透视图及相应检查点图15ECE 近光检验用的测试屏幕 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如表1 所示。表1屏幕检查点照度要求屏幕检查点带H4 卤钨灯的前照灯B50L 小于014lx75R 大于12lx50R 大于12lx25R 大于2lx25L 大于2lx区域 小于017lx区域 大于3lx区域 小于2 倍50L75L 小于12lx50L 小于15lx50V 大于6lx前照灯远光的ECE 标准应是: 最大光照度点应位于HH线以上, 最大光照度在240lx 48lx 范围内,同时要测量位于HH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 车灯常用材料的成型参考温度材料品种 注射温度（） 模具温度（） 最低 推荐 最高 最低 推荐 最高 ABS 200 230 280 25 50 80 PA 12 230 255 300 30 80 110 PA 6 230 255 300 70 85 110 PA 66 260 280 320 70 80 110 PBT 220 250 280 15 60 80 PC 260 305 340 70 95 120 PC|ABS 230 265 300 50 75 100 PC|PBT 250 265 280 40 60 85 PE-HD 180 220 280 20 40 95 PE-LD 180 220 280 20 40 70 PEI 340 400 440 70 140 175 PET 265 270 290 80 1