汽车车灯相关资料

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一、汽车车灯发展历史

据说第一个汽车前大灯是家用手提灯。

1887年，一个驾驶员在黑暗的旷野上迷路时，一位农民用手提灯把他引回家。

1898年，波士顿举办美国首届汽车展览会，美国哥伦比亚号汽车将电灯作为前灯和尾灯，车灯从此诞生。最初的前大灯不能调光，所以在会车时有些晃眼，为了克服这个缺点，后来采用了附加光度调节器。这种前大灯可以在垂直方向移动，但驾驶员必须下车搬动夹具装置。

1916年，美国一个名叫C·H·托马斯的人为了让对方驾驶员在晚上能看到他打的手势，把一个带电池的灯泡装在手套上，由此转向信号灯幽默登场。

1938年，别克汽车制造商提供了转向灯作为选用的附件，但当时只在汽车尾部安装，到1940年以后汽车前面也装有转向信号灯了，而且信号开关具有随时调节的功能。

1906年，世界上第一次用一个蓄电池供电的电灯照明。

1909年，首次把乙炔灯作为变光装置。

1916年，美国使用了行车灯。

1920年，当选用倒档装置时，使用了倒车灯。

1920年，美国通用汽车公司首次安装了内灯。

1926年，通用汽车公司把大灯变光开关从方向盘移到地板。

1938年，第一次采用封闭的内灯。

1898年，美国电气公司将电灯抛物面反射镜推广于大灯，侧灯和尾灯。

从早期乙炔气前照灯发展到当今的自由面反射镜气体放电前照灯，差不多经历了120年，其演变过程如下：

第一代--乙炔气前照灯

前照灯具有高的轮廓亮度，乙炔气火焰的亮度比当时的电光源所能达到的亮度高出一倍，因而，在1925年以前使用的汽车前照灯几乎全是乙炔前照灯。

第二代--电光源前照灯

1913年带螺旋灯丝的充气白炽灯泡问世，因其具有较高亮度，给电光源前照灯开辟了广阔的前景。然而由于当时汽车电气设备系统的制约，直到1925年，电气照明才得到广泛的应用。

第三代--双光灯芯前照灯

具备有高轮廓亮度充气灯泡的电前照灯一装在汽车上，就出现了在交会车时因前照灯的强光造成驾驶员炫目而导致发生交通事故和撞车的严重问题。因而，对前照灯的设计提出了两个互不兼容的要求：一个是如何在不小于100m的距离内使道路和高度至少为的障碍物得到良好的照明；另一个是如何使迎面车辆驾驶员不炫目。汽车会车时的这种炫目问题，仍是汽车照明技术中最难以解决的问题。为解决会车炫目的问题，1924年，欧洲发明了双光灯芯前照灯之后，美国也出现了带双丝灯泡的前照灯。然而，欧洲和美国具备不炫目近光的前照灯的光学系统结构原理不尽相同。其灯泡的差异在于灯丝的形状和位置不同：配光镜的差异在于折光单元的图案和计算不同，因而，近光的配光也有所不同。近光系统分为欧洲系统和美国系统两种，两大系统的协调问题是当今世界汽车灯光发展的重大课题之一。

第四代--不对称近光前照灯

双光灯芯前照灯系统属于对称近光系统，近光光型的左右两侧完全相同，因而左、右两侧行驶皆适用。但由于行车光(远光)变到会车光(近光)时，视见距离缩短，

迫使车速降低。为解决在会车过程中，前照灯既不产生炫目，又能保证对道路具有良好的照明，1932年美国发明了不对称前照灯，它是以基准轴为中心，将光束一分为二，*近来车一侧的落地距离短(即光束压低，从而防炫)，而另一侧光束的落地距离长(即光束抬高，从而增加视见)。

第五代--H4卤钨前照灯

第一批装有卤钨灯泡的汽车前照灯是由法国“斯贝”公司在1964年生产的，其灯丝允许工作温度较普通白炽灯泡高，光效增加约50%，寿命也增加一倍。卤素灯，就是在灯泡内渗入少量的的惰性气碘，从灯丝蒸发出来的钨原子与碘原子相遇反应，生成碘化钨化合物，当碘化钨化合物一接触白热化的灯丝(温度超过1450℃)，又会分解还原为钨和碘，钨又重新归队回到灯丝中去，碘则重新进入气体中。如此循环不已，灯丝几乎不会烧断，灯泡也不会发黑，所以它要比传统的白炽前照灯寿命更长，亮度更大。现在的汽车普遍采用的都是这种前照灯。

第六代--自由面反射镜前照灯及氙气灯

自由面反射镜，即使用凸透镜聚光技术的前照灯。自由面反射镜前照灯为代表的现代汽车前照灯在发光原理、结构形式以及制造材料等方面又发生了一系列的重大变化。氙气灯所发出的光照亮度是普通卤素灯的两倍，而能耗仅为其三分之二，使用寿命可达普通卤素灯的十倍。氙气灯极大地增加了驾驶的安全性与舒适性，还有助于缓解人们夜间行驶的紧张与疲劳。氙气灯逐步成为现代汽车车灯的主流趋势。

二、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。

1.H4 灯的结构

图1H4灯结构图图2 H4灯灯丝尺寸及遮光方法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1、图2 所示。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3 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3H4 灯与反射镜安装基准

2. 反射镜原理

图4抛物面反射镜反射特性图5灯丝移到焦点前方照明情况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4 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5 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。

3.配光镜

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。

图6柱面透镜图7轮胎面透镜

图8楔形棱镜

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。

三、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) 多椭灯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

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。

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AD ?CAM 系统。

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。

*按光学组件的结构不同，可将前照灯分为半封闭式、封闭式两种。

1．半封闭式前照灯

半封闭式前照灯的结构如图5－11a、图5－12所示，其配光镜是靠卷曲反射镜边缘上的牙齿而紧固在反射镜上．两者之间垫有橡胶密封圈，灯泡只能从反射镜后端装入。当需要更换损坏的配光镜时，撬开反射镜边缘的牙齿，安上新的配光镜后，再将牙齿复原。由于半封闭式前照灯维修方便，因此得到广泛使用。

2．封闭式的前照灯

封闭式前照灯的反射镜和配光镜用玻璃制成一体，里面充以惰性气体。灯丝焊在反射镜底座的灯丝支架上，反射镜的反射面经真空镀铝。其结构如图5－11b、c所示。

为实现前照灯更亮、更远、更美观的要求，许多轿车上采用了投射式前照灯、高亮度弧光灯。

(1)投射式前照灯

投射式前照灯外形特点是装用很厚的无刻纹的凸型散光镜，由于反射镜是椭圆形的，所以外径很小，结构如图5—13所示。反射镜有两个焦点。第一焦点处放置灯泡，第二焦点在灯光中形成。凸形散光镜的焦点与第二焦点重合。来自灯泡的光利用反射镜

聚成第二焦点，再通过散光镜将聚集的光投射到前方。投射式前照灯采用的光源为卤素灯泡。

在第二焦点附近设有遮光板，可遮挡上半部分光，形成明暗分明的配光。由于它的这种配光特性可适用于前照灯近、远光灯，也可用作雾灯。

（2）高亮度弧光灯

高亮度弧光灯结构如图5－14所示，这种灯的灯泡里没有传统灯泡的灯丝，取而代之的是装在石英管内的两个电极，管内充有禄及微量金属（或金属卤化物加在电极上，加上足够高的弧电压）后，气体开始电离而导电发光。

图5-13

图5-14

弧光放电前照灯由弧光何组件、电子控制器和升压器三大部件组成。其灯泡发出的光色成分和日光灯非常相似，亮度是目前卤素灯泡的2．5倍，寿命可达卤素气体灯泡的5倍。由于灯泡点燃达到灯泡正常工作温度后，维持电弧放电的功耗仅为35 W，所以可节约40％的电能。

四、汽车前照灯检测有关内容

1、前照灯光束照射位置要求

（1）机动车在检验前照灯的近光光束照射位置时,前照灯在距离屏幕10m处,光束明暗截止线转角或中点的高度应为为前照灯基准中心高度,下同),其水平方向位置向左向右偏差均不得超过100mm。

（2）四灯制前照灯其远光单光束灯的调整,要求在屏幕上光束中心离地高度为水平位置要求左灯向左偏不得大于10O mm,向右偏不得大于170mm；右灯向左或向右偏均不得大于170mm。

（3）机动车装用远光和近光双光束灯时以调整近光光束为主。对于只能调整远光单光束的灯,调整远光单光束。

（4）机动车每只前照灯的远光光束发光强度应达到表1的要求。测试时,其电源系统应处于充电状态。

2、前照灯发光强度要求

表 1 前照灯远光光束发光强度要求

允许四灯制的机动车其中两只对称的灯达到两灯制要求视为合格。

3、用屏幕检测前照灯的光束照射位置

如图1所示,在距前照灯10m处设有一专用屏幕,按前述规定的检验条件,在屏幕上画有三条垂直线和三条水平线,中间垂直线V-V与被检车辆的纵向中心线对正。两侧的垂直线V左-V左和V右- V右分别为被检车辆的左右前照灯的中心线；水平线h-h与被检车辆的前照灯的中心等高,距地面高度为H(mm)；其下一条水平线的高度为H1,与被检车辆的前照灯远光光束中心的上限值等高,最下面的一条水平线的高度为H2,与被检车辆的前照灯近光光束中心的上限值等高。标准规定远近光光束中心高度的偏差范围分别为与,即其下限值分别为和。

图1

检测时,先遮住一边的前照灯,然后打开前照灯的近光开关,未遮盖的前照灯的近光明暗截止线转角或光束中心应落在由高度为H2、H2一的两条水平线及距汽车纵向中新鲜为1/2s+100、1/2s-100（mm）两条垂线所围的矩形面积内，否则表明近光光束照射位置偏斜不合格。

对于远光单光束前照灯，则要检测远光光束的照射位置，检测方法与前相同，但其光束中心应落在由高度为H1、的两条水平线及距汽车纵向中心线为1/2S+170、

1/2S-170(mm)(为右灯，左灯左为1/2S+100，右灯右为1/2S-170)两条垂线所围的矩形面积内，方为合格。

用屏幕法检测前照灯，其方法简单易行，但它只能检测出光束的偏斜方向和偏斜量，不能检测发光强度，而且为适应不同车型，还需经常更换屏幕，检测效率较低。

4、用前照灯检测仪检测发光强度和光轴偏移量

*前照灯检测仪检测原理

前照灯检测仪，一般是采用具有把吸收的光能变成电流的光电池元件，按照前照灯主光轴照射光电池产生电流的比例，来测量前照灯的发光强度和光轴偏斜量的。

（1）发光强度的检测原理

如图2所示，把光电池3与光度计1连接起来，以适当距离使前照灯照射光电池后，光电池根据前照灯发光强度的大小产生电流使光度计指针动作，从而指示出前照灯的发光强度。

（2）光轴偏斜量的检测原理

如图3所示，把光电池分为S上、S下、S左、S右、四份，在S上和S下上接有上下偏斜指示计3，在S左和S右上接有左右偏斜指示汁1，当光电池受到前照灯照射后，各分

光电池分别产生电流，当S上和S下或S左和S右的受光量不等时产生的电流也不相等。根据其差值便可使上下偏斜指示计3或左右偏斜指示计1动作，从而可测出前照灯光轴的偏斜量。

光电池生产出来，无论使用与否，时间长久以后，其灵敏度均会下降。

5、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 道路透视图及相应检查点

图15 ECE 近光检验用的测试屏幕

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

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。

五、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。

（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。

（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。

（3）汽车照明计算机仿真设计

这种方法是随着计算机技术发展而发展起来的, 在国外大型车灯公司已开始采用, 据报道德国的BO SCH 公司、HELLA 公司和日本的小糸车灯公司等都已采用仿真设计。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。