Устройство автомобилей

Осветительные приборы

Большую часть информации о дорожной обстановке, состояния автомобиля, как во время движения, так и на стоянке водитель получает посредством зрения. Видимость на дороге ухудшается с наступлением сумерек, выпадением осадков, появлением тумана, дождя и снегопада.
Для обеспечения безопасного и комфортного управления движением автомобиля в условиях недостаточной видимости служит система освещения, в которую входят головные фары (блок-фары), задние фонари, фонари освещения заднего номерного знака, фонари освещения салона, багажного отделения, моторного отсека и вещевого ящика.

Классификация систем освещения

Современные системы освещения можно разделять по следующим признакам:

• по назначению – ближнего и дальнего света, противотуманные, ходовые, передние и задние;
• по расположению – на приборы наружного освещения (фары, фонари, расположенные вне кузова автомобиля) и внутреннего освещения (лампы и фонари для освещения внутри кузова);
• по типам светораспределения – на европейскую и американскую;
• по способу реализации системы светораспределения – на двух- и четырехфарную систему;
• по форме оптических элементов – на круглые, прямоугольные и сложной формы (гомофокальные, эллипсоидные и т. п.);
• по типу источников света – на использующие лампы накаливания, галогенные, ксеноновые (газоразрядные) и светодиодные (матричные или LED) лампы, лазерный луч;
• по конструктивным признакам – на отдельные оптические приборы и приборы, объединенные в блоки.

Фары ближнего света предназначены для обеспечения водителям видимости в обычных световых и погодных условиях.
Фары дальнего света обеспечивают обзор дороги на большом расстоянии (до 100 м и более) в темное время суток. Однако высокая яркость света этих фар может стать источником опасности для водителей встречных машин — ослепленные, они теряют видимость и возможность управления автомобилем во время движения, поэтому дальний свет рекомендуется использовать на трассах за пределами крупных населенных пунктов.

Систему переключения между ближним и дальним светом предложили и внедрили в 1915 году специалисты компании Guide Lamp Company. На первых автомобилях, оснащенных двумя типами фар, для того чтобы переключить режим приходилось останавливаться, поскольку переключатели находились непосредственно рядом с фарами. В салон авто рычаг переключения света был перенесен в 1917 году компанией Cadillac (Кадиллак), но поначалу он был ножным.

Противотуманные фары могут использоваться на любом современном автомобиле при езде в плохих погодных условиях: тумане, дожде, снеговых осадках. Их конструктивная особенность заключается в направлении светового луча вниз, на полотно дороги.

Ходовые (дневные) огни – это внешние световые приборы, которые применяются для улучшения видимости в светлое время суток в качестве более экономичной замены ближнего света. Их применение связано, в основном, с требованием включать на движущемся автомобиле ближний свет фар.

Европейская и американская системы освещения различны как по структуре создаваемого светового пучка (нормам на светораспределение), так и по принципам его формирования. Это различие обусловлено, главным образом, особенностями организации дорожного движения и качеством дорог.

Американская и европейская система освещения

Американская система освещения представляет собой размещение в фокальной плоскости параболоидного отражателя источника дальнего света (нить лампы накаливания, ксеноновая дуга и т. п.). Источник ближнего света располагается несколько выше горизонтальной плоскости, проходящей через оптическую ось отражателя, и смещен в левую сторону от нее. Благодаря этому ось светового потока ближнего света наклонена вниз и смещена в сторону к правой обочине дороги; светораспределение симметрично, как показано на рис. 1.

Основной конструктивной особенностью этой системы освещения является использование при формировании светового пучка как ближнего, так и дальнего света всей рабочей поверхности отражателя.
Американская система освещения, как и европейская, допускает двухфарное и четырехфарное исполнение.

Система освещения, называемая европейской, конструктивно выполнена иначе, чем американская. Здесь источник дальнего света имеет подковообразную форму у обычных лам накаливания (типа А12-45 40) и цилиндрическую – у галогенных (ламп типа Н4), и сориентирована вдоль оптической оси отражателя.
Получение ближнего света фар достигается размещением выше источника дальнего света металлического щитка, направляющего пучок света вниз и влево. В европейской системе освещения в режиме ближнего света используется только часть рабочей поверхности отражателя.

Главное отличие — в Европе с 1957 года принято асимметричное светораспределение с лучшим освещением правой обочины и с четкой светотеневой границей. В США и Канаде использование фар с границей света и тени разрешили только с 1997 года, причем требование по этому вопросу отсутствует.
Свет «американских» фар распределяется почти симметрично, ослепляя встречных водителей. К тому же американцы регулируют фары только по вертикали.

В США и Канаде отсутствует единый порядок сертификации приборов освещения. Каждый производитель лишь гарантирует соответствие своих фар федеральному стандарту по безопасности движения транспортных средств (FMVSS), а подтверждать это приходится, например, в случае аварии по вине световых приборов. Предполагается, что официально импортируемые из США автомобили проходят проверку на соответствие европейским нормам.
«Американские» фары маркируются аббревиатурой DOT (Department Of Transport — Министерство транспорта), а «европейские» — буквой «Е» в кружочке с цифрой-кодом страны, где фара одобрена для использования (Е1 — Германия, Е2 — Франция, и т.д.).

Следует учесть, что при прохождении техосмотра в России «американские» фары и головная оптика «праворульных» машин могут создать проблемы, так как нормативный документ, ГОСТ Р 51709-2001, регламентирует «левоасимметричное» распределение света и четкую светотеневую границу.

Четырехфарная система освещения

Необходимость совмещения в одном оптическом элементе двух режимов работы приводит к ухудшению характеристик как дальнего, так и ближнего света. Поэтому, несмотря на ряд преимуществ двухфарной системы: относительно небольшая потребляемая мощность, малый объем при монтаже на автомобиле, низкая себестоимость и технологичность, в США в 60-е годы получила распространение четырехфарная система освещения, в основе которой лежит идея распределения функции освещения по двум типам фар.

Четырехфарная система освещения состоит из четырех фар диаметром 130 мм, которые могут быть установлены как горизонтально, так и вертикально. Наружные и верхние фары всегда являются двухрежимными. Внутренние и нижние фары обеспечивают только дальний свет. При включении дальнего света работают все четыре фары, внутренние фары создают при этом направленный четкий световой пучок прожекторного типа.

Блок-фары

Блок фары со встроенными указателями поворота получили широкое распространение в 80-е годы благодаря некоторому снижению себестоимости комплекта световых приборов и более органичному эстетическому оформлению передней части автомобиля.

Блок-фары, применяемые на современных автомобилях, обычно объединяют приборы освещения и световой сигнализации, к которым относятся фары ближнего и дальнего света, указатели поворотов и габаритные фонари.

Гомофокальные и эллипсоидные отражатели фар

Постоянно увеличивающийся дефицит горючего предопределил тенденцию к снижению коэффициента аэродинамического сопротивления воздушному потоку при движении автомобиля, для чего необходимо обеспечить узкий профиль передней части автомобиля и, следовательно, ограничить высоту фары до минимума.
Эти требования практически полностью исключают использование в конструкциях фар традиционные светооптические схемы, так как для сохранения необходимого светового потока в этом случае требуется значительное увеличение глубины отражателя, что вызывает технологические трудности.
Кроме того, традиционные светооптические схемы, где функция перераспределения светового потока выполняется рассеивателем с глубокими призмами, не допускает его наклона в вертикальной плоскости на угол, больше чем на 25 градусов.
Именно эти обстоятельства привели к разработке принципиально новых конструкций фар.

Фирмой «Лукас» (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 фокусов. Принцип объединения разнофокусных отражателей называется гомофокальным. Он позволяет подобрать и скомпоновать отражатель из отдельных секторов разнофоркусных отражателей таким образом, чтобы обеспечить формирование заданного светораспределения режимов ближнего и дальнего света с помощью отражателя. Реализация данной светооптической схемы позволила сконструировать фару, полностью удовлетворяющую современным аэродинамическим требованиям.

Эллипсоидные фары головного света, предложенные фирмой «Хелла» (Германия), представляют другое направление развития конструкции фар. Их характерной особенностью является более полное использование светового потока лампы при ближнем свете. Конструкция такой фары содержит эллипсоидный отражатель, в один из фокусов которого установлен источник света. 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 пучок корректируется с помощью достаточно простой линзы.

Для получения необходимых значений светотехнических характеристик отражатель снабжают элементами с параболоидными поверхностями, сопряженными с эллипсоидом, и преломляющими световой поток с помощью концентрических призматических элементов. К основным недостаткам этой системы следует отнести технологические трудности, высокую стоимость, а также ограничение в использовании – только в четырехфарной системе освещения.

Пути совершенствования светооптических схем и оптических элементов этим не исчерпываются. Продолжаются работы по использованию систем поляризованного света, волоконной оптики, с помощью компьютерного моделирования разрабатываются конструкции фар и формы отражателей с наиболее рациональным светораспределением.

В современных фарах могут применяться устройства, автоматически ослабляющие слепящие действие фар при встречном разъезде автомобилей и изменяющие направление светового потока при повороте автомобиля. Для управления осветительными и светосигнальными приборами широко используется электроника.

Устройство фар автомобиля

Светотехника на машине – основа безопасности и удобства на дорогах. Это такая же неотъемлемая часть транспортного средства, как колёса и руль. В то же время, видов и конфигураций световой техники на машину существует довольно много. В этой статье мы рассмотрим основные типы передних фар и их назначение.

По прямому функционалу передние фары автомобиля можно разделить на отдельные классы:

• Габаритные огни – предназначены для обозначения габаритов транспортного средства, стоят спереди и сзади.
• Ближний свет – основные фары, предназначенные для освещения дороги непосредственно перед машиной, светят они ярко, но только на ограниченное небольшое расстояние, около 40–50 метров.
• Дальний свет – фары, светящие на большое расстояние, на 200-300 метров. Они обеспечивают комфортный световой путь даже на очень большой скорости.
• Противотуманные фары – дополнительные фары для ухудшенных погодных условий (метель, туман и прочее). При одновременном использовании с ближним светом противотуманки сильно слепят других участников движения.
• Ходовые огни работают днём для дополнительного обозначения машины. Впервые получили применение в странах Скандинавии и Британских островов, там, где иногда днём освещение недостаточное для полного обеспечения безопасности.
• Специальные передние световые устройства, вроде раллийных фар, световых искателей, прожекторов и прочее.

Устройство фары

Устройство фары автомобиля примерно одно для всех модификаций. Свечение создаётся за счёт трёх сегментов фары.

Источник света

Излучение лампы не направлено прямо, как фонарь, на самом деле, она скорее светит во все стороны, направляя частицы света на следующий сегмент.

Отражатель

Он бывает разной формы, часто это относительно правильный конус, но может быть множество вариаций в зависимости от конфигурации фары и дизайна передней части машины в целом. Обычно это стекло или пластмасса с небольшим напылением алюминия. Как вполне ясно из внутренней формы слова – основная его задача – отражать, весь свет, который на него попадает. При этом отражении он усиливается. Специальные корректоры в свою очередь ограничивают световую зону, направляя луч света. В плане отражения света можно также выделить три основных подтипа:

1. Параболический отражатель. Самый простой, дешёвый и распространённый. Это статичная конструкция, отражающая свет горящей лампы. Такую фару нельзя подкорректировать, яркость, интенсивность, направление света в них статичны.
2. Рефлектор свободной формы (Free Form Reflector). Такой рефлектор разделён на несколько зон (количество их может сильно варьироваться), каждая отражает и направляет свой пучок света. Свет таких фар также статичен, но более отчётлив, меньше светопотеря при рассеивании, значительно меньше вероятность ослепления других водителей или себя.
3. Линзовая оптика. Свет от лампы в этом случае рассеивается и усиливается специальным эллиптическим светоотражателем, но после этого направляется на второй фокус – специальный щиток, вновь собирающий этот свет. От этой перегородки свет снова рассеивается в сторону линзы, та собирает его, где-то обрезая, где-то перенаправляя. Такая оптика максимально исключает чрезмерную светопотерю и ослепление светом. Линзовая оптика дорога, но очень качественна и обеспечивает максимальную безопасность даже в условиях трудной видимости. Главная проблема – вся эта система довольно динамична, в ходе износа или повреждения стабильность линзы может понизиться, могут возникнуть неисправности, светопотери. В таком случае линза требует специфической корректировки в автосалоне.

Принцип работы ксеноновых фар

Рассеиватель

Это внешняя часть фары, также из стекла или специального материала. Видели на фото или киносъёмках огромные белые листы на штативе? Назначение автомобильного рассеивателя схожее. Его задачи – защищать фару от внешнего воздействия, а также рассеивать и направлять её свет. Скажем, противотуманные фары светят скорее не прямо вперёд, а как бы «под ноги», вниз — вперёд. Для этих функций форма рассеивателя может быть разной. Несколько иной метод работы у светодиодных и матричных фар, мы рассмотрим эту специфику чуть позже, когда будем говорить о светодиодах отдельно.

Это функциональное распределение фар, одинаковое для любого транспортного средства. Можно их разделить и по принципу устройства. Научный прогресс не стоит на месте, технологи и проектировщики задаются одним важным вопросом: как обеспечить максимальную безопасность и дальность освещения, при этом нивелируя ослепляющим фактором. Также важны принципиально надёжность фары, прочность, длительный ресурс использования, экологичность, не забываем о дизайне.

Виды ламп

Фары по методу действия лампы можно выделить в четыре типа:

• Лампы накаливания
• Галогенные
• Ксеноновые
• Светодиодные

Лампа накаливания

Самые простые, такие же, как обычные лампочки. Работа её обеспечивается вольфрамовой нитью, помещённой в безвоздушную стеклянную колбу. При подаче напряжения происходит нагрев вольфрамовой нити, что и порождает свет. Такие лампы не очень надёжны, они морально устарели: вольфрам постоянно испаряется с нити. Она утончается, что приводит в итоге к разрыву. Также такие устройства легко темнеют и очень восприимчивы к перепадам напряжения. Они ещё широко используются в быту, но постепенно выходят из употребления по причине множественных недостатков. На транспортных средствах уже не используются.

Галогенные лампы

Также часто используются в быту. Механизм её работы примерно такой же, – накаливание вольфрамовой нити, однако за счёт того, что внутрь колбы закачаны пары галогенов (йода или брома), которые взаимодействуют с атомами вольфрама и не дают последним осесть, они двигаются вокруг нити по спирали, периодически снова к ней прилипая.

Срок службы таких ламп во много раз дольше обычных ламп накаливания. Такие лампы имеют долгий ресурс эксплуатации, Здесь многое зависит от качества и, соответственно, стоимости. Хорошие галогенные лампы могут работать в течение нескольких лет постоянной эксплуатации. В технической документации обычно прописывают небольшие сроки службы, около тысячи часов непрерывной работы и далее, по факту же качественная галогенная лампа может прослужить в два–три раза дольше, чем предполагает срок эксплуатации. Важна здесь также полная исправность проводки в автомобиле. Неполадки с электроникой или аккумулятором сказываются на длительности работы фар.

Ксеноновые лампы (газоразрядные)

Также распространены в автомобильной промышленности. Первыми здесь были, как всегда, немцы – они поставили ксеноновые фары на BMW седьмой серии в 1994 году. Работает такое устройство за счёт нагревания газа ксенона – благородного газа, при нагревании выделяющего множество света. Такие лампы значительно мощнее газоразрядных. Скажем, при мощности в 35 Вт ксеноновая лампа рождает световой поток в 3000–3200 лм, что на треть больше, чем способна выдать галогенная лампа при вдвое большей мощности.

Ксеноновые лампы экономят электричество, выдают много света и долго служат (срок службы ксеноновой фары составит около двух тысяч часов, примерно в два–три раза больше, чем у своего галогенного аналога.), но дорого стоят. В таком устройстве кроме простых трёх агрегатов, о которых мы уже говорили, есть ещё и специальные нагреватели ксенона, состоящие из блока розжига и электронной системы управления температурой и мощностью. Эти механизмы повышают цену на фару в несколько раз.

Светодиоды

В основе светодиодного фонаря – полупроводниковый кристалл, который преобразует электрический ток в свет. Сначала такие устройства появились в промышленной сфере, но теперь они широко интегрированы в быт. В автомобильной промышленности светодиоды начали использоваться для побочного освещения — стоп-сигналы, подсветка приборной доски, освещение в салоне и так далее.

Считалось, что светодиодные лампы недостаточно ярки для установки в головные фары. Сейчас они светят очень ярко за счёт того, что устанавливаются целыми сегментами-сотами внутрь фары. Один светодиод выделяет меньше света, чем ксеноновая лампа, но установленные вместе они вполне покрывают нужное для безопасности количество освещения. Светодиод сам по себе представляет самодостаточный источник света. На некоторых моделях авто светодиодная фара состоит из двух–трёх десятков отдельных диодов. В каждом из них есть линза, кристалл, анод и катод, обеспечивающие постоянно напряжение тока. Перегорание или неисправность одного диода обычно не тащит за собой поломку остальных.

Лазер

Самая новая технология, которую активно развивают, это лазерные фары. Впервые такие фары применили на футуристичном автомобиле BMW i8. Технология фары достаточно проста — лазер светит на линзу с фосфором, который в свою очередь начинает излучать яркий свет, а отражатель направляет этот свет на дорогу.

Они превосходят светодиодные фары по освещению и энергопотреблению, а срок службы сопоставим. Существенным недостатком этих фар является их стоимость, они являются самыми дорогими фарами современности, не менее 10 тыс. евро, за эту сумму можно купить новый бюджетный автомобиль.

Современные разработки

Момент устройства светодиодной фары доведён до технологического абсолюта в фаре матричной. В ней водитель может менять и подстраивать под себя и нужды дорожной ситуации отдельный диод. Такие матричные светодиоды могут индивидуально подстроиться под любую, даже сложную обстановку с видимостью.

Головные лампы на светодиодах появились десять лет назад. Светодиодные фары на машинах становятся всё популярнее по причине того, что у них практически нет недостатков. Они потребляют мизерное количество электроэнергии, их ресурс в несколько раз может превышать срок службы других фар, при соблюдении температурного режима ресурс эксплуатации такой лампы будет от пяти тысяч часов и более. Единственный, но ощутимый минус – дороговизна. На современном автомобильном рынке фары в целом – удовольствие не из дешёвых и приближается к стоимости лазерных фар – за цену светодиодной фары иногда можно купить целый автомобиль, пускай и подержанный. С другой стороны, такая лампа при правильной эксплуатации может прослужить много лет и ни разу о себе не напомнить, что в итоге может вылиться в солиднейшую экономию.

Изначально светодиодные фары ставились на машины премиум-класса, на некоторые модели Cadillac, Audi. Сейчас же некоторые производители делают фары на светодиодах, которые можно поставить на место фар ксеноновых, так что светодиодное освещение теперь можно ставить и на марки, изначально на это не рассчитанные. В целом мнение автомобилистов сходится в том, что светодиодные фары, так или иначе, захватят рынок.

Проблема с недостатком света решена благодаря технологическим новшествам, а цена будет постепенно снижаться под натиском спроса и уменьшения цен на материалы. Возможно, в недалёком будущем большая часть автомобилей будет оснащена именно светодиодными фарами. Но пока, по объективным причинам основой рынка остаются фары ксеноновые и галогенные.