Rozdział II.doc

Rozdział II

Analiza tendencji rozwojowych w konstrukcji samochodowych projektorów oświetleniowych i źródeł światła.

Projektory (reflektory) samochodowe w ostatnich latach przeżywają duże zmiany konstrukcyjne. Coraz większe prędkości pojazdów i nacisk na poprawę bezpieczeństwa wymusiły poprawę oświetlenia drogi, szczególnie nocą. Styliści samochodowi, wymuszając coraz niższe konstrukcje reflektorów wcale nie polepszają możliwości świetlnych reflektorów. Przy obecnym stanie techniki jesteśmy już w stanie stworzyć reflektor prawie idealny, w odniesieniu do konstrukcji z lat 70 gdzie królował reflektor paraboloidalny.

Każdy reflektor samochodowy jako zespół składa się z następujących części:

- obudowa

- urządzenie regulacyjne (mechaniczne lub elektryczne)

- źródła światła

- lustra, czyli odbłyśnika

- szyby

- urządzenia oczyszczające szyby reflektora

2.1 Odbłyśniki

Lustra (odbłyśniki) - istnieje wiele typów konstrukcji odbłyśników. Postaram się omówić najważniejsze, a zarazem najczęściej stosowane. Są to odbłyśniki: paraboloidalne, wieloparaboloidalne oraz elipsoidalne współpracujące z soczewką.

Odbłyśniki paraboloidalne

W rozwiązaniu najbardziej tradycyjnym lustro ma kształt paraboloidalny i wykonane jest z ciągnionej blachy stalowej o szlifowanej i lakierowanej powierzchni. Na powierzchnię tę nakłada się (właściwie naparowuje próżniowo) warstwę aluminium. Rozkład światła w tego typu odbłyśniku pokazuje rysunek 2.1. Punktowe źródło światła umieszczone w ognisku emituje promienie, które po odbiciu tworzą równoległą do osi reflektora wiązkę. Wykorzystuje się to przy konstrukcji świateł drogowych, gdzie wiązka wyemitowana równolegle do drogi zapewnia dostateczne oświetlenie oddalonych przedmiotów.

Rys 2.1  Reflektor paraboidalny z źródłem światła w ognisku [4]

Światła mijania realizuje się  poprzez przesunięcie źródła światła z ogniska. Wiązka świetlna biegnie wtedy jak na rys.2,2. W żarówce H4 lub R2 zastosowana jest przesłona żarnika, która zatrzymuje część promieniowania i odbłyśnik pracuje tylko górną połową. W ten sposób realizowane są światła mijania. Wadą odbłyśnika paraboidalnego jest mała sprawność ( ok. 27% ) przy światłach mijania, zwłaszcza że przeważnie to one najczęściej są używane przez kierowców na drodze.

Rys 2.2 Kierunki promieni świetlnych w reflektorze parboidalnym z źródłem światła przesuniętym z ogniska F (światła mijania)  [4]

Odbłyśnik wieloparaboloidalny
 

Kolejnym etapem rozwoju odbłyśników było stworzenie odbłyśnika wielo paraboloidalnego typu Free Shape (FF) czyli po prostu odbłyśnika ukształtowanego swobodnie. Jest to odbłyśnik zaprojektowany przy użyciu komputerowych metod obliczeniowych. Odbłyśnik składa się z wielu wycinków paraboloid o tym samym ognisku. Rozwój tego typu konstrukcji był możliwy dzięki wprowadzeniu do użycia tworzyw sztucznych wytrzymałych na wysoka temperaturę, np. duroplastu czy termoplastu. Żądany kształt odbłyśnika jest uzyskiwany poprzez wtryskiwanie lub prasowanie. Dzięki układowi wieloparaboloidalnemu możliwe jest pełne wykorzystanie powierzchni odbłyskowej w kształtowaniu promienia świetlnego. Strumień światła może być kształtowany bardzo precyzyjnie co pozwoliło wyeliminować stosowanie przysłony kierującej światło w dół w celu nie oślepiania kierowcy jadącego z naprzeciwka. Można zatem było doświetlić i wygasić odpowiednie strefy przed pojazdem biorąc pod uwagę potrzeby przeciętnego kierowcy. Dzięki swobodniejszemu kształtowaniu wiązki światła uzyskano lepsze doświetlenie poboczy i większy zasięg reflektora. Rozkład odbić promieni pokazuje rys.2.3.

Rys 2.3  Zasada odbić promieniowania świetlnego odbłyśnika wieloparaboloidalnego. [19]

Z racji swojej budowy w reflektorach wieloparaboloidalnych możliwe jest stosowanie wyłącznie żarówek jednowłóknowych. Dlatego w samochodach z tym odbłyśnikiem mamy oddzielne światło mijania i światło drogowe. Są one najczęściej umieszczane w jednej obudowie.

Projektor czyli zespół odbłyśnik soczewka DE (Dreiachsiger Ellipsoid - elipsoida trójosiowa).

Zasada działania tego typu układu jest niemalże identyczna jak w rzutniku. Odbłyśnik ma formę elipsoidy obrotowej (najczęściej trzyosiowej-oznaczany jest DE). Elipsoida obrotowa ma dwa ogniska. Umieszczenie punktowego źródła światła w jednym z nich zapewnia, po odbiciu od jego powierzchni zwierciadlanej, przejście promienia przez drugie ognisko. Otrzymany w ten sposób rozsył wiązki świetlnej ma charakter bardzo rozproszony. Zastosowanie następnie soczewki płasko - wypukłej umożliwia skupienie strumienia świetlnego w kierunku zgodnym z wymaganiami światła samochodowego. Zastosowanie między soczewka skupiającą a odbłyśnikiem mechanicznej przesłony jest konieczne aby zapewnić wymaganą granicę światła i cienia. W reflektorach tego typu stosuje się żarówki jedno włóknowe (halogenowe) jak również lampy wyładowcze (ksenonowe). Taki układ pokazuje rysunek 2.4.

Rys 2.4 Zasada odbić promieniowania świetlnego projektora DE (Dreiachsiger Ellipsoid - elipsoida trójosiowa). [5]

2.2 Szyby

Jak z pewnością każdy zauważył we współczesnych samochodach mamy do czynienia z dwoma rodzajami szyb stosowanych w reflektorach.

Szyba rozpraszająca (szkło rozpraszające)

W realnych warunkach funkcjonowania samochodowych urządzeń oświet­leniowych nie zawsze układ źródła światła i odbłyśnik jest w stanie zrealizo­wać złożone wymagania fotometryczne. To spostrzeżenie uzasadnia istnienie szyby rozpraszającej jako ostatecznego miejsca kształtowania rozsyłu strumienia świetlnego. Składa się ona z bardzo wielu soczewek lub pryzmatów zaprasowanych w szybie. Soczewki i pryzmaty pozwalają otrzymać pionowy i boczny rozdział światła. Szyby tego typu wytwarza się ze szkła lub coraz częściej z tworzywa sztucznego.

Rys 2.5. Elementy optyczne samochodowych szyb rozpraszających:  a- pas soczewkowy, b- pierścień soczewkowy, c- prostokąt soczewkowy, d- soczewka okrągła, e- pas pryzmatyczny, f- pierścienie pryzmatyczne [4]

Typowy przykład zastosowania tego typu szyby to Fiat 126p, Fiat Uno, niektóre wersje Opla Astry Classic i wiele innych. Przykład szyby rozpraszającej wykonanej z tworzywa sztucznego pokazuje rysunek 2.6.

Rys.2.6 Przykład szyby rozpraszającej [19]

Wyposażenie klosza w elementy optyczne rozprasza strumień świetlny opuszczający projektor czy lampę sygnałową, a tym samym wnętrze układu optycznego staje się rozmyte. Jako szyba rozpraszająca rozumiane będzie urządzenie optyczne, utworzone na bazie klosza zamykającego otwór układu optycznego, którego zewnętrzna powierzchnia jest gładka, wewnętrzna natomiast jest wyposażona w różnorodne elementy optyczne (ryfle). W szybach rozprasza­jących jako elementy optyczne są używane albo soczewki albo pryzmaty w najróżniejszych konfiguracjach geometrycznych

Tab. 2.1. Podział elementów optycznych stosowanych w samochodowych szybach rozpraszających [4]

Szyba gładka

Jest ona niczym innym jak przeźroczystym elementem zabezpieczającym lampę przed wpływami z zewnątrz. Najczęściej jest wykonywana z tworzywa sztucznego odpornego na zarysowania i inne uszkodzenia mechaniczne.

67

Zastosowanie tworzywa zamiast szkła pozwala obniżyć masę całkowitą pojazdu. Tworzywo cechuje się także większą przejrzystością. Łatwość kształtowania tworzywa sztucznego pozwoliła odkryć zupełnie nowe możliwości wzornicze.

Reflektor paraboliczny - składa się z lustra jedno paraboloidalnego oraz szyby rozpraszającej odpowiedzialnej za kształtowanie strumienia światła. W tym przypadku istnieje możliwość stosowania dwu włóknowych źródeł światła. Przykład takiego reflektora pokazuje Rys.2.9.

Reflektor całopowierzchniowy – składa się z odbłyśnika wieloparaboloidalnego (FF) czyli ukształtowanego swobodnie oraz z szyby gładkiej. W tym przypadku stosujemy tylko jednowłóknowe źródła światła. Przykład takiego reflektora pokazuje Rys.2.8 (jedno światło drogowe i jedno światło mijania oba z lustrem typu FF). Reflektor projektorowy - składa się z odbłyśnika elipsoidalnego (DE) oraz szyby gładkiej. Stosowanym tutaj źródłem światła jest lampa halogenowa lub wyładowcza. Przykład takiego reflektora pokazuje Rys.2.10. Ściślej ujmując jest to światło mijania (światło na środku pokazanego reflektora) Zaznaczyłem je celowo ramką koloru niebieskiego.

Oczywiście na co dzień mamy do czynienia z układami łączonymi, np. zastosowaniem w jednej obudowie reflektora projektorowego i całopowieszchniowego. Pierwszy z nich pracuje jako światło mijania, a drugi jako światło drogowe. Dokładnie taki układ pokazany został na rys. 2.11. Porównując reflektor świateł mijania wieloparaboloidalny do jedno paraboloidalnego stwierdzono, że daje on przy tych samych wymiarach o 60% więcej światła. W przypadku reflektora świateł drogowych różnica wynosi 50%.

Rys.2.11 Zespół czterech reflektorów  1- przewody instalacji elektrycznej 2- sterownik elektroniczny, 3 urządzenie zapłonowe lampy wyładowczej, 4 – układ optyczny Litronic (światła mijania) 5 – światło drogowe z żarówką halogenową  [13]

2.3 Samochodowe źródła światła

Obecnie na rynku jest dostępnych wiele typów żarówek samochodowych. Konstruktorzy oświetlenia mają obecnie do dyspozycji wiele rodzajów źródeł światła. W ostatnich latach rozrosła się rodzina żarówek halogenowych z czterech podstawowych: H1, H3, H4, H7, do kilkunastu odmian wymienionych żarówek różniących się parametrami elektrycznymi jak i świetlnymi.

W latach 90 poprzedniego stulecia opracowano także nowy rodzaj źródła światła na potrzeby motoryzacji – lampy wyładowcze nazwane potocznie ksenonami ze względu na zawartość tego gazu w lampie wyładowczej. Niestety lampy wyładowcze też mają swoje wady:

- wysoka temperatura w otoczeniu oprawki lampy,

- duże napięcie zasilania,

- długi czas do osiągnięcia pełnego strumienia świetlnego po włączeniu,

- utrudniony ponowny zapłon gorącej lampy.

Wady te usunięto częściowo lub w zupełności dopiero w generacji lamp typu MPXL.

Należy pamiętać jednak, że lampa ksenonowa ma znacznie większy strumień świetlny od żarówek halogenowych, co doprowadza do zwiększenia ryzyka oślepiania kierowców jadących z przeciwka. Nie należy również zapominać o dużym rozwoju żarówek halogenowych będących gorszym rozwiązaniem oświetlenia drogi, ale znacząco tańszym od lamp wyładowczych.

Poprawę oświetlenia drogi uzyskuje się poprzez zastosowanie nowych układów optycznych w reflektorach. Kolejnym krokiem w rozwoju oświetlenia samochodowego jak się wydaje będzie zastosowanie jako źródła światła diod LED, które mają już seryjne zastosowania jako światła sygnalizacyjne w pojazdach samochodowych.

Tab. 2.2 Wybrane typy samochodowych źródeł światła i niektóre ich parametry

[9] [19] [23] [26]