ПРОТИВОТУМАННАЯ ФАРА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1998 года по МПК F21M3/08 

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано в фарах транспортных средств.

Известна противотуманная фара [1], содержащая лампу с перпендикулярным относительно оси фары горизонтальным цилиндрическим телом накала, рефлектор с осью, лежащей в вертикальной плоскости, проходящей через середину тела накала, защитное стекло.

Фара имеет усовершенствование, заключающееся в том, что поверхность рефлектора является поверхностью без разрывов. Эта поверхность формирует на контрольном экране изображения тела накала такие, что все точки изображений располагаются ниже горизонтальной секущей и горизонтальная полоса света, создаваемая фарой, имеет приблизительно постоянную ширину.

Фара имеет следующие недостатки. Во-первых, поверхность рефлектора не является непрерывной поверхностью второго порядка, т.к. у нее существует локальный дефект в вертикальной плоскости, проходящей через ось фары. Дефект состоит в том, что на линии пересечения указанной плоскости и поверхности рефлектора поверхность рефлектора имеет непрерывность первого порядка. Это нарушает равномерность светового потока, отраженного от рефлектора, и может привести к образованию лучей, направленных на верхнюю половину экрана.

Во-вторых, рефлектор не обеспечивает достаточное боковое расхождение лучей света, поэтому необходимо применение защитного стекла с оптическими элементами, обеспечивающими требуемое боковое расхождение света.

Введем термины, которые будем использовать в дальнейшем, и уточним некоторые уже использовавшиеся. Меридиональной плоскостью будем называть любую плоскость, содержащую ось рефлектора. Полупараболой будем называть одну ветвь квадратичной параболы вместе с вершиной. Ось полупараболы это ось соответствующей квадратичной параболы. Если граница между секторами рефлектора лежит в меридиональной плоскости и является полупараболой, то такую границу будем называть граничной полупараболой. Рефлектор будем описывать в Декартовой системе координат XYZ с осью OY, направленной вверх, с горизонтальной осью ОХ, параллельной контрольному экрану, и осью OZ перпендикулярной плоскости XOY и направленной в сторону контрольного экрана. Считаем, что ось рефлектора и ось фары совпадают и будем использовать эти термины как синонимы. Вершиной рефлектора будем называть начало координат координатной системы XYZ. Расстояние от вершины рефлектора до плоскости, перпендикулярной оси рефлектора и содержащей центр тела накала, будем называть базисным фокусным расстоянием. Гладкой поверхностью будем называть поверхность, у которой в каждой точке можно провести единственную касательную плоскость, или другими словами поверхность второго порядка непрерывности.

Известна фара ближнего света [2], содержащая рефлектор, состоящий из четырех соединенных между собой секторов с общей вершиной, причем каждый сектор формируется различными кривыми конических сечений, обеспечивающими гладкие переходы между секторами, с граничной полупараболой между двумя верхними секторами, имеющей фокус в окрестности конца тела накала, обращенного к вершине рефлектора, с граничной полупараболой между двумя нижними секторами, имеющей фокус в окрестности конца тела накала, обращенного к световому отверстию рефлектора; лампу с продольным цилиндрическим телом накала, возможно, смещенным вверх в радиальном направлении по отношению к оси фары; защитное стекло, размещенное перед рефлектором и, возможно, имеющее несколько оптических элементов для небольшой коррекции светового пучка.

Четыре сектора рефлектора разделены попарно вертикальной плоскостью, проходящей через ось фары, при этом правая пара секторов разделена горизонтальной плоскостью, а левая пара секторов разделена плоскостью, расположенной под горизонтальной плоскостью под углом, равным углу смещения среза пучка ближнего света на правой половине контрольного экрана. Все границы между секторами являются ветвями парабол. Фокус граничной полупараболы, разделяющей два левых сектора, лежит в окрестности заднего конца тела накала. Фокус граничной полупараболы, разделяющей два правых сектора, лежит около середины тела накала. Левая пара секторов рефлектора обеспечивает освещение правой половины контрольного экрана, а правая пара секторов в основном - левой половины контрольного экрана.

Эта фара может рассматриваться как прототип по отношению к предлагаемой фаре. Предлагаемая фара в отличие от прототипа предназначена для использования в качестве фары ближнего света, и при формировании поверхности рефлектора предлагаемой фары нет необходимости использовать кривые конических сечений, отличающиеся от параболы.

При осуществлении предлагаемого технического решения свет на контрольном экране распределяется в горизонтальной полосе, имеющей протяженность, освещенность и четкость верхней светотеневой границы, удовлетворяющие правилам ЕЭК ООН.

Предлагаемая фара имеет защитное стекло без оптических элементов. Это позволяет придавать защитному стеклу любую форму, в частности с большим углом наклона в вертикальной плоскости, и это не скажется отрицательно на светотехнических характеристиках фары. Отсутствие оптических элементов на защитном стекле улучшает качество светового потока фары, т.к. при наличии оптических элементов на их гранях может происходить рассеивание света и образование лучей, направленных на верхнюю половину контрольного экрана.

Поскольку в предлагаемой фаре происходит достаточно полное использование света лампы, то можно или уменьшить габариты фары, или получить увеличение светового потока перед транспортным средством при неизменных габаритах фары.

Для осуществления предлагаемого технического решения необходимо и достаточно, чтобы противотуманная фара содержала симметричный относительно вертикальной плоскости рефлектор, состоящий из четырех секторов с плавными переходами между секторами, причем граница между двумя верхними и двумя нижними секторами лежит в вертикальной плоскости, содержащей ось рефлектора, а граница между двумя левыми секторами и двумя правыми секторами лежит в горизонтальной плоскости, содержащей ось рефлектора; лампу с перпендикулярным относительно оси фары горизонтальным цилиндрическим телом накала; защитное стекло без оптических элементов.

Фара отличается тем, что поверхность рефлектора спроектирована так, что изображения тела накала на контрольном экране располагаются в основном ниже горизонтальной секущей и не выходят за пределы некоторой горизонтальной полосы. Высшие точки изображений тела накала расположены около некоторой горизонтальной линии, что обеспечивает высокую четкость верхней светотеневой границы.

Все секторы рефлектора образованы составным движением полупараболы, лежащей в меридиональной плоскости рефлектора. Эта полупарабола участвует в двух движениях: в повороте меридиональной плоскости относительно оси рефлектора; в повороте в меридиональной плоскости оси полупараболы относительно фиксированной точки на оси рефлектора, называемой в дальнейшем опорной точкой.

Форма полупараболы определяется заданием фокусного расстояния для каждого значения угла поворота меридиональной плоскости при условии, что вершина полупараболы расположена на оси полупараболы на фиксированном расстоянии от опорной точки. Расстояние от вершины полупараболы до опорной точки будем называть опорным фокусным расстоянием. Таким образом, при вращении меридиональной плоскости вокруг оси рефлектора фокус полупараболы, образующей поверхность рефлектора, описывает в пространстве замкнутую гладкую кривую.

Угол между осью рефлектора и осью полупараболы будем называть углом смещения полупараболы. Для каждого сектора угол смещения полупараболы, а также фокусное расстояние полупараболы являются дифференцируемыми функциями угла поворота меридиональной плоскости.

Для обеспечения непрерывности второго порядка для всей поверхности рефлектора указанные функции должны обеспечивать существование единственной касательной плоскости в любой точке любой границы между секторами рефлектора.

Для обеспечения распределения светового потока фары в узкой полосе, имеющей четкую верхнюю светотеневую границу, необходимо выполнить следующие условия.

Опорная точка должна находиться на оси рефлектора в окрестности тела накала.

Фокус граничной полупараболы, разделяющей два верхних сектора, должен располагаться на расстоянии от вершины этой полупараболы меньшем, чем базисное фокусное расстояние, фокусы остальных граничных полупарабол должны лежать на расстояниях от вершин соответствующих граничных полупарабол, превышающих базисное фокусное расстояние.

Ось граничной полупараболы, расположенной между двумя левыми секторами, должна иметь некоторый разворот в сторону левой половины рефлектора, а ось граничной полупараболы, расположенной между двумя правыми секторами, должна иметь некоторый разворот в сторону правой половины рефлектора.

Дополнительно фара может иметь следующие отличия:
оси граничных полупарабол, расположенных между двумя верхними секторами рефлектора и между двумя нижними секторами, могут иметь некоторый разворот вниз относительно оси рефлектора;
поверхность рефлектора сверху или(и) снизу, или(и) справа, или(и) слева может быть ограничена секущими плоскостями;
тело накала лампы может быть смещено вверх на расстояние, приблизительно равное радиусу тела накала;
в качестве функции, задающей зависимость угла между осью полупараболы и осью рефлектора от угла поворота меридиональной плоскости, и функции, задающей зависимость фокусного расстояния полупараболы от угла поворота меридиональной плоскости, можно использовать полиномы степени не ниже третьей;
для любой точки границы между секторами угол между касательной плоскостью к поверхности рефлектора и меридиональной плоскостью, проходящей через эту точку, равен 90^o;
для ликвидации ярких световых пятен, расположенных в районе левого и правого концов световой полосы, можно увеличить диаметр слепого отверстия, а сверху и снизу слепого отверстия оставить две криволинейные трапеции.

При проверке по известным источникам информации не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предложения.

На фиг.1 показан принцип построения поверхностей секторов рефлектора; на фиг.2 -продольный разрез фары плоскостью XOZ; на фиг.3 представлена проекция на плоскость XOY предлагаемого рефлектора; на фиг.4 - освещенность, создаваемая предлагаемой фарой на правой половине европейского контрольного экрана; на фиг. 5 показан пример расположения изображений тела накала на контрольном экране; на фиг. 6 представлена проекция на плоскость XOY варианта рефлектора со слепым отверстием малого диаметра; на фиг.7 - освещенность, создаваемая фарой с рефлектором, изображенным на фиг.6, на правой половине европейского контрольного экрана; на фиг.8 - проекция на плоскость XOY рефлектора со слепым отверстием увеличенного диаметра; на фиг.9 - освещенность, создаваемая фарой с рефлектором, изображенным на фиг.8, на правой половине европейского контрольного экрана.

Фиг. 1 поясняет принцип построения секторов рефлектора. XYZ - система координат, связанная с рефлектором. O - начало координат системы XYZ, совпадающее с вершиной рефлектора 1. OZ - ось системы координат, совпадающая с осью 2 фары. OX и OY - горизонтальная и вертикальная оси соответственно. S - поверхность сектора. G1 и G2 - граничные полупараболы сектора S. M - меридиональная плоскость в некотором промежуточном положении. P - полупарабола, лежащая в плоскости M и являющаяся образующей сектора S. Y'O'Z'- система координат в плоскости M. В системе координат Y'Z' построена полупарабола P. O' - начало координат системы Y'Z', совпадающее с вершиной полупараболы P. O'Z' - ось полупараболы P. O'Y' - ось, перпендикулярная оси O'Z'. B - опорная точка, точка пересечения осей OZ и O'Z'. F - фокус полупараболы P. Psi - угол между плоскостью M и осью OY. Delta - угол между осями OZ и O'Z', т.е. угол смещения полупараболы P. 3 - слепое отверстие рефлектора. O'B - опорное фокусное расстояние. Fi -угол между осью O'Z'и вектором, направленным из фокуса F в некоторую точку параболы P.

На фиг. 2 показан продольный разрез фары плоскостью XOZ, где 4 - рефлектор, 5 - продольное тело накала лампы, 6 - защитное стекло без оптических элементов, Fб - базисное фокусное расстояние.

На фиг. 3 показана проекция на плоскость XOY рефлектора, предлагаемой фары, где 7 - левый верхний сектор, 8 - правый верхний сектор, 9 - правый нижний сектор, 10 - левый нижний сектор, 11, 12, 13 и 14 - границы между секторами (проекции граничных полупарабол на плоскость XOY), 15 - линии уровня поверхности рефлектора, 16 - след плоскости, ограничивающей рефлектор сверху, 17 - след плоскости, ограничивающей рефлектор справа, 18 - след плоскости, ограничивающей рефлектор снизу, 19 - след плоскости, ограничивающей рефлектор справа, 20 - трапецевидный выступ.

На фиг.4 показано светораспределение, создаваемое предлагаемой фарой, на правой половине Европейского контрольного экрана, где 21 - вертикальная ось экрана, 22 - горизонтальная ось экрана, 23, 24, 25 и 26 - изолюксы, соответствующие освещенности 0,1 лк, 1 лк, 6 лк и 8,7 лк соответственно. Освещенность 8,7 лк это 0,9 от максимальной освещенности, полученной на контрольном экране. 27 - область на контрольном экране, в которой на каждом вертикальном отрезке должна существовать точка, имеющая освещенность не менее 6 лк. 28 - область на контрольном экране, в которой на каждом вертикальном отрезке должна существовать точка, имеющая освещенность не менее 1 лк.

На фиг. 5 показано расположение изображений тела накала на контрольном экране при угле Fi, равном 70^o, и повороте меридиональной плоскости от -180^o до 0^o против часовой стрелки, если смотреть с конца оси OZ. 29 - изображения тела накала.

На фиг. 7 показано светораспределение, создаваемое фарой с рефлектором, изображенным на фиг. 6. 30 - изолюкса, соответствующая освещенности 11 лк.

На фиг. 9 показано светораспределение, создаваемое фарой с рефлектором, изображенным на фиг. 8.

Рассмотрим фиг. 1. Поверхность сектора S образуется при вращении меридиональной плоскости M вокруг оси 2 от граничной полупараболы G1 до граничной полупараболы G2.

При заданной функциональной зависимости между фокусным расстоянием F полупараболы P и углом Psi(F=F(Psi)) и при заданной функциональной зависимости угла смещения Delta полупараболы P и углом Psi (Delta=f(Psi)) поверхность сектора S однозначно определяется заданием углов поворота Psi1 и Psi2 меридиональных плоскостей, содержащих граничные полупараболы G1 и G2, а также их фокусных расстояний F1, F2 и их углов смещения Delta1 и Delta2.

Для обеспечения непрерывности второго порядка на внутренней поверхности сектора S и на его границах с соседними секторами функции F(Psi) и f(Psi) должны быть дифференцируемыми, должны обеспечивать выполнение равенств
F1 = F(Psi1);
F2 = F(Psi2);
Delta1 = f(Psi1);
Delta2 = f(Psi2);
и производные функций F(Psi) и f(Psi) в точках Psi1 и Psi2 должны принимать заданные значения.

В качестве функций F(Psi) и f(Psi) могут быть использованы полиномы степени не ниже третьей. Можно принять, что производные функций F(Psi) и f(Psi) в точках Psi1 и Psi2 равны нулю. При этом угол между касательной плоскостью в любой точке границы между секторами и меридиональной плоскостью, содержащей эту границу, будет равен 90^o.

Например, указанными выше свойствами обладают полиномы
F = P1(Psi);
Delta = P2(Psi).

Полиномы P1(Psi) и P2(Psi) представлены в виде сложных функций:
P1(Psi) = F1 + 3•(F2 - F1)•u² - 2•(F2 - F1)•u³;
P2(Psi) = Denta1 + 3•(Delta2 - Delta1)•u² - 2•(Delta2 - Delta1)•u³,
где u = (Psi - Psi1)/(Psi2 - Psi1).

Очевидно, что
F1 = P1(Psi1);
F2 = P1(Psi2);
Delta1 = P2(Psi1);
Delta2 = P2(Psi2).

Дифференцирование полиномов показывает, что их производные в точках Psi1 и Psi2 равны нулю.

Если у граничных полупарабол G1 и G2 их фокусные расстояния F1 и F2 совпадают и их углы Delta1 и Delta2 равны нулю, то сектор S является сектором параболоида вращения.

Для обеспечения протяженности световой полосы, удовлетворяющей Европейскому стандарту, ось граничной полупараболы, находящейся между левыми секторами рефлектора, должна иметь разворот в сторону левой половины рефлектора. Т. е. ось этой граничной полупараболы должна быть повернута по часовой стрелке на некоторый угол смещения Delta относительно оси фары, если смотреть с конца оси OY. Ось граничной полупараболы, находящейся между правыми секторами рефлектора, должна иметь разворот в сторону правой половины рефлектора. Т. е. ось этой граничной полупараболы должна быть повернута против часовой стрелки на некоторый угол смещения Delta относительно оси фары, если смотреть с конца оси OY. Фокусные расстояния этих полупарабол должны превышать базисное фокусное расстояние. Следовательно, левая пара секторов рефлектора будет в основном обеспечивать освещение левой половины контрольного экрана, а правая пара секторов - правой половины контрольного экрана.

При построении поверхности рефлектора возможно появление неоднозначности в задании поверхности в окрестности вершины рефлектора из-за отклонения оси полупараболы, образующей поверхность, от оси рефлектора. Однако при реальных геометрических размерах рефлектора и реальных углах смещения область неоднозначности гораздо меньше слепого отверстия.

Рассмотрим фиг. 5. При повороте меридианальной плоскости от угла Psi=-180^o до угла Psi=-90^o изображения тела накала на контрольном экране перемещаются почти горизонтально от среднего положения до крайнего правого. При повороте меридианальной плоскости от угла Psi=-90^o до угла Psi=0^o изображения тела накала возвращаются в исходное среднее положение.

На фиг. 7 видно, что при малом диаметре слепого отверстия по краям световой полосы образуются яркие пятна. Для исключения образования таких пятен, исходя из рассмотрения фиг.5, области рефлектора, прилегающие к горизонтальным граничным полупараболам, должны быть удалены. После этого слепое отверстие рефлектора становится таким, каким оно показано на фиг. 3.

Для улучшения качества верхней светотеневой границы оси граничных полупарабол, расположенных между двумя верхними секторами рефлектора и двумя нижними секторами могут иметь некоторый разворот вниз относительно оси рефлектора, и тело накала лампы может быть смещено вверх на расстояние, приблизительно равное радиусу тела накала.

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано в качестве противотуманной фары транспортного средства. Согласно изобретению поверхность рефлектора является гладкой поверхностью второго порядка непрерывности. Рефлектор обеспечивает распределение света на контрольном экране в виде горизонтальной полосы, имеющей протяженность, освещенность и четкость верхней светотеневой границы, удовлетворяющие правилам ЕЭК ООН. Поэтому нет необходимости помещать оптические элементы на защитном стекле фары. Это позволяет придавать защитному стеклу фары любую форму, в том числе с большим углом наклона в вертикальной плоскости. Поскольку в предлагаемой фаре происходит достаточно полное использование света лампы, то можно или уменьшить габариты фары, или получить увеличение светового потока перед транспортным средством при неизменных габаритах фары. Фара состоит из рефлектора, составленного из четырех секторов, являющихся однотипными поверхностями, плавно переходящими друг в друга; лампы с перпендикулярным относительно оси фары горизонтальным цилиндрическим телом накала; защитного стекла без оптических элементов. 6 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Противотуманная фара транспортного средства, содержащая симметричный относительно вертикальной плоскости рефлектор, состоящий из четырех параболоидных секторов, границы между двумя верхними и двумя нижними секторами лежат в вертикальной плоскости, содержащей ось рефлектора, а границы между двумя левыми секторами и двумя правыми секторами лежат в горизонтальной плоскости, содержащей ось рефлектора, лампу с перпендикулярным относительно оси фары горизонтальным цилиндрическим телом канала, защитное стекло, отличающаяся тем, что все секторы рефлектора образованы составным движением полупараболы, лежащей в меридиональной плоскости рефлектора, одно из которых определено поворотом меридиональной плоскости относительно оси рефлектора, а другое - поворотом в меридиональной плоскости оси полупараболы относительно точки, образованной пересечением оси параболы и оси рефлектора, при этом форма полупараболы определена в зависимости от положения фокуса на оси этой полупараболы при условии, что вершина полупараболы расположена на оси полупараболы на фиксированном расстоянии от указанной точки пересечения оси параболы и оси рефлектора, причем для каждого сектора угол между осью полупараболы и осью рефлектора и фокусное расстояние полупараболы являются дифференцируемыми функциями угла поворота меридиональной плоскости, которые обеспечивают наличие касательной плоскости в любой точке любой границы между участками секторов рефлектора, точка пересечения оси параболы и оси рефлектора находится около середины тела накала, фокус граничной полупараболы, разделяющей два верхних сектора, расположен на расстоянии от вершины этой полупараболы меньшем, чем расстояние от вершины рефлектора до центра тела накала, фокусы остальных граничных полупарабол лежат на расстоянии от вершин соответствующих полупарабол, превышающих расстояние от вершины рефлектора до центра тела накала, ось граничной полупараболы, расположенной между двумя левыми секторами, имеет разворот в сторону левой половины рефлектора, а ось граничной полупараболы, расположенной между двумя правыми секторами, имеет разворот в сторону правой половины рефлектора. 2. Противотуманная фара по п.1, отличающаяся тем, что оси граничных полупарабол, расположенных между двумя верхними секторами рефлектора и между двумя нижними секторами, имеют разворот вниз относительно точки, образованной пересечением оси параболы и оси рефлектора. 3. Противотуманная фара по п.1, отличающаяся тем, что поверхность рефлектора сверху или/и снизу, или/и справа, или/и слева ограничена секущими плоскостями. 4. Противотуманная фара по п.1, отличающаяся тем, что тело накала лампы смещено вверх на расстояние, равное радиусу тела накала. 5. Противотуманная фара по п.1, отличающаяся тем, что в качестве функции, задающей зависимость угла между осью полупараболы и осью рефлектора от угла поворота меридиональной плоскости, и функции, задающей зависимости фокусного расстояния полупараболы от угла поворота меридиональной плоскости, используются полиномы степени не ниже третьей. 6. Противотуманная фара по п.1, отличающаяся тем, что для любой точки границы между секторами угол между касательной плоскостью к поверхности рефлектора и меридиональной плоскостью, проходящей через эту точку, равен 90^o. 7. Противотуманная фара по п.1, отличающаяся тем, что рефлектор имеет слепое отверстие, образованные двумя криволинейными трапециями.