Учебно-информационный
центр Автомобилиста.

 
 
По материалам сайта http://www.saintclements.net

Эволюция автомобильной фары

Эволюция автомобильных фар
28.09.2011

Необходимость регулярного автомобильного движения не только днем, но и ночью, с высокой скоростью, выдвинула на первый план проблему освещения пути перед автомобилем на достаточно большое расстояние, 60 - 100 м и более. Эта задача решалась установкой на автомобиле двух фар - фонарей прожекторного типа, в которых световой поток источника света отражался параболоидным отражателем и концентрировался в узком телесном угле, создавая световой пучок с большой силой света.

«Каменный век»
Первоначальные попытки применения электроэнергии для освещения пути перед автомобилем не дали положительных результатов. В начальный период применялись исключительно ацетиленовые фары, так как габаритная яркость пламени ацетиленовой горелки, составлявшая приблизительно 7,2-104 кд/м2, была почти вдвое выше. Кроме фар, на автомобилях в обязательном порядке применялся также и фонарь для освещения заднего номерного (регистрационного) знака, который часто снабжался красным глазком, обращенным назад, и мог также использовать в качестве источника света ацетиленовую горелку. Однако ненадежность и опасность подвода к нему ацетилена резиновой трубкой часто заставляла использовать независимые задние фонари с масляной или керосиновой горелкой.

Изобретение в 1913 г. газонаполненной лампы накаливания с нитью, свернутой в спираль и потому обладающей высокой габаритной яркостью, резко изменило положение и открыло дорогу применению фар с электрическим источником света. С этого момента, в сущности, и начинается история развития электрических световых приборов на автомобиле, быстро достигших высокой степени совершенства, как по конструкции, так и по качеству производственного выполнения.

Однако ацетиленовые фары продолжали применяться еще долгое время, постепенно вытесняясь электрическими. Это объясняется тем, что стандартные автомобили того времени обычно имели зажигание рабочей смеси в цилиндрах двигателя от магнето высокого напряжения, являвшегося автономным источником электроэнергии, а пуск двигателя производился вручную – вращением пусковой рукоятки.

Приход электричества
Изобретение в 1912 г. электрического стартера для пуска двигателя вызвало необходимость обязательной установки на автомобиле аккумуляторной батареи, а для ее подзаряда – электрического генератора постоянного тока. Так что применение электрического освещения стало технически и экономически целесообразным. По мере совершенствования автомобильных генераторных установок электрическое освещение применялось все шире и шире. Тем не менее, электрооборудование автомобиля (т. е. генератор, стартер, батарея и электрическое освещение) рассматривалось в то время как дополнительно устанавливаемое на автомобиле по желанию покупателя за отдельную плату. Только с 1925 г. практически все автомобили стали выпускаться с электрическим освещением, и система электрооборудования стала обязательной принадлежностью каждого автомобиля.

Конструкции
Таким образом, к 1925 г. оптическая система автомобильной фары окончательно сформировалась, и ее элементы остались неизменными до настоящего времени, подвергаясь лишь конструктивным изменениям.

В первые же годы применения на автомобилях электрических фар с газонаполнеными лампами высокой габаритной яркости возникла серьезная опасность аварий и столкновений при встречном движении автомобилей на шоссе из-за ослепления их водителей ярким светом фар. Конструкторы автомобильных фар были поставлены перед необходимостью удовлетворить два несовместимых требования: а) хорошо осветить дорогу и возможные препятствия высотой по крайней мере 2 – 2,5 м на расстояние не менее 100 м, для чего необходима сила света 10 000 кд, б) не вызывать ослепления водителей встречных автомобилей, а для этого сила света лучей, направленных в глаза водителя встречного автомобиля, должна быть, во всяком случае, меньше 1000 кд. Эта проблема слепимости при встречном разъезде автомобилей является специфической и труднейшей проблемой автомобильного освещения и, несмотря на крупные усовершенствования современных автомобильных фар, сохранила остроту и до настоящего времени. Постепенно сформировалось сознание необходимости изменять силу света и распределение светового потока фар при разъезде с встречными автомобилями, т. е. конструировать фары с двумя режимами: «дальнего» и «ближнего» света.

«Ближний-дальний»
Первоначально фары, спроектированные для хорошего освещения дороги вдаль, при появлении встречного автомобиля переводились в режим «встречного разъезда» следующими способами:

  1. понижением накала нитей ламп и их светового потока путем включения последовательно с ними добавочных сопротивлений (1916 – 1920 гг.);
  2. наклоном фар или их отражателей при помощи тросового привода или электромагнита таким образом, чтобы ось светового пучка пересекала поверхность дороги на расстоянии 15 – 20 м перед автомобилем (1921 – 1936 гг.). При этом большей частью отклонялся отражатель наружной (правой) фары, так что ее световой пучок, кроме наклона вниз, смещался несколько вправо, освещая обочину; внутренняя (левая) фара выключалась и оставались лишь габаритные огни, указывающие ширину автомобиля;
  3. на автомобилях высокого класса применялись два комплекта фар: один для дальнего освещения с лампами мощностью 20 – 35 Вт и выше, и почти горизонтальным направлением оси светового пучка, другой – для неслепящего встречного или ближнего света с лампами 10 – 20 Вт и большим наклоном оси светового пучка к поверхности дороги. Подобные вспомогательные фары устанавливались либо на крыльях, либо под главными фарами и использовались также и для освещения на стоянке, чтобы стоящий автомобиль и его габарит были хорошо видны ночью остальным участникам дорожного движения.

В 1924 г. в Европе изобрели фары с двухнитевыми лампами, в которых световой пучок дальнего света создавался главной нитью лампы, расположенной в фокусе отражателя; при разъезде с встречными автомобилями вместо главной включалась вспомогательная нить лампы, расположенная вне фокуса и создающая световой пучок ближнего света, в котором слепимость для водителей встречных автомобилей была смягчена.

Такой принцип стал широко применяться в автомобилестроении, подвергаясь лишь некоторым видоизменениям.

Работы по созданию фар с асиметричным ближним светом раньше всего развернулись в США. С 1932 г. стали появляться различные системы подобных фар, в которых за счет деформирования отражателя и специального расчета рассеивателя световой пучок каждой фары ограничивался по ширине и освещал лишь половину ширины дороги. При этом фары устанавливались так, что световые пучки их перекрещивались, т. е. правая фара освещала левую полосу движения, а левая – правую. Подобная система пригодна при изменении порядка переключения фар как для правостороннего, так и для левостороннего движения; однако конструкция описанных специальных фар значительно усложняется, при их изготовлении требуются очень жесткие допуски и они обходятся дорого. Подобные системы применялись в США в 1935-1940 гг. на автомобилях высокого класса, но в дальнейшем перестали разрабатываться.

В 1940 г. в США была разработана и введена в эксплуатацию лампа-фара, или, иначе, неразборный оптический элемент. Стеклянный отражатель и стеклянный же рассеиватель спаяны вместе. Внутренняя полость заполнена инертным газом, а держатели нитей накала впаяны в заднюю часть отражателя. Таким образом, оптическая система фары, включая источник света – нити накала, представляет собой одно неразборное целое.

В Европе работы по асимметричному ближнему свету начались позже, и только в 1957 г. была введена система асимметричного ближнего света на основе прежней конструкции лампы «Билюкс» с экраном.

С 1957 г. в США получила распространение четырехфарная система, являющаяся возрождением старой четырехфарной системы с раздельными фарами для дальнего и ближнего света, но на новом техническом уровне.

При двухфарной системе каждая фара может создавать как дальний, так и ближний свет, и поэтому при расчете элементов рассеивателя приходится искать компромисс между требованиями дальнего и ближнего света. В четырехфарной системе две фары с однонитевыми лампами мощностью 37,5 Вт используются только для дальнего света. Другие две фары, расположенные ближе к плоскостям бокового габарита автомобиля, имеют двухнитевые лампы, у которых основная нить мощностью в 50 Вт используется для ближнего света при встречном разъезде; вторая нить мощностью 37,5 Вт включается только одновременно с фарами дальнего света и служит для дополнительной подсветки ближних участков дороги при дальнем свете. Таким образом, при дальнем свете горят четыре фары, потребляя 150 Вт, при ближнем свете – две фары – 100 Вт.

Описанное разделение назначения фар облегчает конструирование рассеивателей, позволяя придать им оптимальные характеристики, так как теперь к ним предъявляются однозначные требования.

Четырехфарная система, основанная на описанных выше принципах, получила широкое применение в США, а несколько позже и в Европе.

Дизайн
В первоначальный период применения электрических фар на автомобилях, когда их светотехнические характеристики были еще недостаточно совершенны, стремились увеличивать диаметр отражателя.

В дальнейшем совершенствование и улучшение качества оптики фар позволило ограничить их диаметр, что также отвечало и эстетическим, и компоновочным соображениям. Монтаж фар на автомобиле производился на кронштейнах, и они располагались по бокам радиатора. Позже, в связи с изменением формы кузовов и крыльев, прежде всего у легковых автомобилей, широкое распространение получил встроенный монтаж, при котором фары утапливались в крылья автомобиля до ободков, что упрощало конструкцию их корпуса, создавало более обтекаемые поверхности крыльев и капота, и облегчало мойку автомобиля. Встроенный монтаж (с 1945 г.) обусловил дальнейшее уменьшение диаметра светового отверстия фар, который теперь не превышает 180 мм.

И пришел галоген
Уже давно для фар применяют галогенные лампы. Для повышения яркости и световой отдачи необходимо повышать рабочую температуру вольфрамовой нити накала; однако при этом резко увеличивается испарение вольфрама нити, в результате чего появляются местные уменьшения диаметра вольфрамовой проволоки, из которой намотана спиральная нить накала, в свою очередь увеличивающие температуру дефектных участков и усиливающие испарение вольфрама с этих участков, что приводит к перегоранию нити. Испарившийся же вольфрам, оседая на стенки колбы, создает на них темный налет.

В 1960 г. появились автомобильные лампы накаливания с галогенным циклом, позволившие увеличить рабочую температуру нити до 3000-3200 К, а следовательно, и ее световую отдачу. Первые автомобильные фары с галогенными лампами были выпущены в 1964 г. французской фирмой «Сибье». Принцип действия галогенных ламп следующий. В нейтральную газовую смесь, наполняющую колбу лампы, вводится некоторое количество паров йода. Испарившиеся частицы вольфрама, оседающие на горячей стенке колбы лампы, соединяются с парами йода, образуя йодистый вольфрам WJ2. Это соединение испаряется, и, диффундируя в парообразном состоянии, попадает в зону высокой температуры вблизи нити, где распадается. Причем, частицы вольфрама оседают на нить обратно, а пары йода остаются в газе. Таким образом, описанный галогенный цикл возвращает испарившийся с нити вольфрам обратно на нить.

Лампы
Лампы категорий HI-НЗ были созданы почти одновременно различными фирмами и не являются взаимозаменяемыми. Лампы HI и Н2 имеют нить, расположенную вдоль оси цоколя, и отличаются между собой главным образом конструкцией последнего. Лампа НЗ, кроме другого цоколя, имеет нить накала, расположенную перпендикулярно оси.

В свое время очень популярной и наиболее распространенной была лампа НЗ. Как очень сложная в производстве, Н2 почти не применяется.

Появление двухнитевой галогенной лампы Н4 ограничило область применения однонитевых ламп категории HI и НЗ противотуманными фарами, фарами дальнего света в четырехфарных системах и дополнительными фарами дальнего света.

Рассеиватели и отражатели
Первые фары давали на дороге ограниченное яркое пятно, а «пляска» этого пятна при колебаниях автомобиля во время его движения по неровностям дороги чрезвычайно утомляла зрение водителя.

Для смягчения неравномерности освещения дороги стали применять матированные или травленные передние защитные стекла, или лампы с матированной колбой. Однако равномерность освещенности полотна дороги, достигнутая этим способом, недостаточно удовлетворяла требования водителей и, кроме того, матирование колбы лампы или переднего стекла фары увеличивало потери светового потока. Поэтому уже с начала 20-х годов в качестве переднего защитного стекла фары стали применять так называемые рассеиватели.

С 1950 г. в отражателях отечественных фар стало применяться алюминирование. Алюминиевый отражающий слой получался путем распыления алюминия в вакууме и осаждения его на предварительно окрашенную лаком внутреннюю поверхность штампованного стального отражателя. Осажденный алюминиевый слой не требует полировки и имеет высокий коэффициент отражения (примерно 0,90). Однако алюминиевый слой очень мягок и легко повреждается при прикосновении к нему.

В дальнейших конструкциях металлический отражатель и рассеиватель скреплялись вместе, образуя оптический элемент фары, представляющий собой одно целое, а лампа вставлялась с обратной стороны отражателя. Тем самым достигалось удобство замены перегоревшей лампы, предохранение отражающего слоя отражателя от случайных прикосновений и упрощение сборки фары.

Конструкция фары не такая простая, как кажется на первый взгляд. Например, только поверхность отражателя современной фары имеет несколько слоев. Это обеспечивает отсутствие коррозии на протяжении всего периода службы автомобильной фары, она не окисляется. Сначала на стальной лист наносится слой грунтовки, потом лак специальный, два слоя различных лаков, потом алюминиевое напыление, и еще защитный слой прозрачного лака. Это довольно таки дорогая технология, но только так можно обеспечить продолжительный срок службы фары.

До определенного эволюционного момента рассеиватель работал по принципу, когда определенный участок стекла отвечал за распределение света на определенный участок дороги под определенным углом. Таким образом, левая и правая фары могли отличаться друг от друга. Следующим эволюционным шагом стала разработка отражателя по сегментируемому принципу. Это был отражатель, каждый участок которого отвечал за распределение света на определенный участок дороги. С этого момента стало возможным использование прозрачного защитного стекла, так как за рассеивание света отвечал отражатель.

Другая светотехника
Автомобили 20-х годов имели тормоза только на задних колесах. В 1925 – 1927 гг. появились и быстро вошли в эксплуатацию автомобили с тормозами на все четыре колеса, имеющие значительно более короткий путь торможения. В связи с этим появилась необходимость обозначения этих новых автомобилей и введения сигнала торможения, предупреждающего водителей сзади идущих автомобилей о намерении водителя переднего автомобиля тормозить. Особенно остро этот вопрос стоял в переходный период, когда одновременно эксплуатировались автомобили с обоими системами тормозов.

Первоначально применялись предостерегающие надписи или знаки в форме красного треугольника, отмечающие автомобили с тормозами на четыре колеса; затем появились световые сигналы торможения, загоравшиеся при нажиме на тормозную педаль. Световые сигналы оформлялись на первых порах в виде освещаемого изнутри транспаранта со знаком «опасность» (красный треугольник) или словом «стоп».

Однако вскоре было решено применять сигнал торможения в виде простого огня, достаточно яркого, чтобы быть хорошо заметным днем при свете солнца. В 1927 г. в США появились нормы на подобный сигнал торможения, и он стал обязательным для всех автомобилей.

Таким образом, обязательный комплект световых приборов автомобилей 30-х годов состоял из:

  1. двух фар дальнего и ближнего света с лампами 21 или 32 кд;
  2. заднего фонаря красного цвета с окошком для освещения номерного знака и лампой 3-5 кд, расположенного с левой стороны;
  3. сигнала торможения красного или интенсивного желтого цвета с лампой 21 кд.

На протяжении 30 – 40-х годов предлагались и осуществлялись различные конструкции указателей поворота, считавшиеся в то время необязательными.

В континентальной Европе большую популярность завоевал указатель поворота семафорного типа, введенный фирмой «Бош» и устанавливаемый по бокам автомобиля в стойках лобового стекла. Крыло семафорчика при помощи встроенного в корпус прибора электромагнита поднималось в горизонтальное положение; одновременно внутри загоралась лампочка, освещавшая полупрозрачное крыло изнутри. В некоторых, более поздних конструкциях указателей поворота семафорного типа их крыло при включении тока не фиксировалось в горизонтальном положении, но совершало колебательные движения, чтобы больше привлекать внимание окружающих.

В США получил распространение более практичный указатель поворота в виде мигающего огня, включаемого с той стороны, куда совершается поворот. Впервые появившиеся в 1927 г. и переработанные в 1938 г. американские нормы на мигающие указатели поворота в основном сохранились до сегодняшнего дня.

В послевоенный период мигающие указатели поворота были повсеместно приняты также и в континентальной Европе, и автомобили, как правило, стали оборудоваться двумя передними и двумя задними мигающими указателями поворота.

При большой длине автомобиля (6 м и более) предписывалась, кроме того, установка боковых повторителей указателей поворота на боковых сторонах крыльев, кабины или кузова.

С 1930 г. начинается применение световозвращателей, представляющих собой особый вид отражателей, у которых направления падающих и отраженных лучей практически совпадают, причем это свойство сохраняется при изменении угла падения лучей в пределах ±20°.

Световозвращатели предназначены для обозначения ночью автомобиля, стоящего на дороге с погашенными огнями. Они размещаются по бокам задней части автомобиля и отражают свет фар приближающегося сзади другого автомобиля, заменяя в этом случае габаритные огни. При большой длине автобусов или грузовых автомобилей предписывается помещать световозвращатели также и на боковых сторонах кузова.

Таким образом, к 1945 – 1947 гг. окончательно оформился минимальный обязательный комплект светосигнальных приборов для всех легковых и грузовых автомобилей, а именно:

  • два передних габаритных огня белого цвета;
  • два задних габаритных огня красного цвета;
  • два сигнала торможения красного цвета, расположенных сзади;
  • два световозвращателя красного цвета, расположенных сзади;
  • два передних и два задних мигающих указателя поворота.

А дальше…

Поиски новых конструктивных решений, призванных улучшить условия езды в темное время суток, не прекращались никогда. Нет предела совершенству, и надо признать, что существующие сегодня системы головного освещения автомобилей еще далеки от идеала. Однако не будем отрицать и очевидное – путь, пройденный разработчиками автомобильной светотехники, впечатляет, и были на этом пути свои важные вехи.

Автомобили действительно превратились во всепогодные и круглосуточные транспортные средства только после того, как на них начали устанавливать фары и фонари с лампами накаливания. Лампы подобного типа встречаются и поныне, но все реже и реже, и, видимо, скоро о них будут вспоминать лишь в прошедшем времени.

Лампочки накаливания небезупречны по целому ряду параметров. Такие лампы имеют крайне низкую светоотдачу, потому что большая часть потребляемой ими энергии тратится не на освещение, а впустую. Точнее, даже во вред – на нагрев светотехнического прибора, отчего со временем мутнеют рассеиватель и отражатель фары, уменьшается прозрачность ее стекла.

Чтобы увеличить срок службы лампы накаливания, ее спираль должна работать в среде инертного газа. Присутствие галогенов внутри лампы позволило безболезненно повысить температуру ее нити накаливания.

Ксеноновые лампы и вовсе не изменяют своей светоотдачи в течение всего срока службы, а по долговечности на порядок превосходят рассмотренные выше конструкции. Причиной такого результата является отсутствие спиралей, в результате чего перегорать в таких лампах просто нечему. Принцип работы ксеноновых ламп, как и других газоразрядных осветительных приборов, основан на свечении дуги раскаленного газа, образующейся между двумя электродами. Дуга генерирует световой поток, по интенсивности превышающий поток, вырабатываемый лампой Н1. Эффективность ксеноновых ламп чрезвычайно высока, и если вернуться к показателям светоотдачи, то говорить придется уже о величинах порядка 80 лм/Вт. И голубоватый свет «ксенонок» еще ближе к дневному, чем в случае с галогенными лампами.

Газоразрядные лампы впервые были запатентованы компанией Бош. И названа эта технология – «Litronic». Это более прочная, современная система, постоянно совершенствуется, блок зажигания уже в самой фаре. Часто блок зажигания и блок управления находятся в одном модуле.

Например, Мерседес использовал конструкции фары по данной технологии, но не уменьшал их. Первое время ксенон использовался в качестве ближнего света, так как технология была инертна. Газу чтобы растопиться нужно было время, для переключения на дальний свет.

После ксенона был би-ксенон. Здесь уже дальний, и ближний свет получали при использовании газонаполненной лампы. Есть традиционные фары не полиэлипсоидных технологий, в которых распределение дальнего и ближнего света достигалось за счет движения самой лампы вперед-назад. За счет этого при отодвигании лампы освещаются разные участки дороги. Другая технология, которая используется в основном в полиэлипсоидных лампах, это, когда за счет движения заслонки или призмы, заслонка закрывает часть светового потока. Фара работает уже в режиме дальнего света, дальше распределение идет через линзу или через призму.

Но и на этом не остановились. Ведутся активные разработки фар с адаптивным распределением света Такая фара может освещать различные участки дороги, учитывая различные факты: скорость автомобиля, навигация. На сегодняшний день в Европе пока не разрешено использование таких технологий на практике. Тем не менее, все прототипы автомобилей выпускаются только с фарами адаптивного свечения.

Необходимо также упомянуть о светодиодах. Многие предполагают им «светлое» будущее. В частности, на автомобильном транспорте массовое их использование начинается с внедрения в конструкцию третьих стоп-сигналов. Сейчас существует очень много подходов в проектировании светодиодов и возможностей их использования.

Антон Бухарский

P.S. Благодарим за помощь в подготовке материала Сергея Перехожих, руководителя отдела продаж «Роберт Бош Лтд.».

Приходько Валентин Иванович , Copyright © 2011-2016 г. E-mail: adm-site-val@rambler.ru , Украина .
Перепечатка материалов автора с обязательной ссылкой на авторство и сайт - ПРИВЕТСТВУЕТСЯ !.