FAWA1汽車前照燈的光學設計

1、 畢 業(yè) 設 計（論 文）faw-a1汽車前照燈光學設計年級專業(yè)2009級機械工程及自動化學號姓名指導教師評 閱 人二一三年六月中國 常州摘要由于汽車的造型很大程度上是取決于前照燈，而且，前照燈的照明質(zhì)量對于行車的安全也是至關重要的，所以，在本文以faw-a1汽車前照燈的設計制造為研究背景，介紹了faw-a1汽車前照燈的設計和制造的主要模塊，主要包括：外觀分析設計，結構分析設計，光學分析和反射鏡設計，前照燈振動分析和前照燈模流分析。同時，在對faw-a1前照燈整體設計的基礎上，重點對前照燈的光學設計進行了研究和學習。設計主要滿足了汽車前照燈在光學方面的行業(yè)標準。也在滿足各項要求的同時，力爭使設

2、計成本低廉，品質(zhì)優(yōu)良，外觀優(yōu)美融于車身。依據(jù)論文內(nèi)容，主要工作如下：第一，了解任務書的內(nèi)容，明確設計任務；閱讀大量與車燈前照燈相關的資料和文獻；翻譯與車燈相關的英文文獻。第二，通過和工程師的溝通以及搜集學習汽車前照燈的相關信息，明確各自的設計任務，列出設計任務安排和進度表，通過與結構設計和震動分析的組員討論，得出相對合理的方案簡圖。第三，依據(jù)法規(guī)的要求，認真對比選擇，篩選性價比比較高的前照燈光源，并依據(jù)光源設計出合理的前照燈反射器，能夠與結構設計的組員相配合。第四，通過公司的軟件，將數(shù)據(jù)模擬出前照燈光源照射出來的光強分布，合理的調(diào)整光源與反射器的角度，使之與法規(guī)相符合，檢驗與完善前照燈的光學設

3、計。撰寫畢業(yè)設計論文，同時總結出本設計中的改進和不足之處，展望未來該車型前照燈設計的趨勢和值得努力的方向。最后，給出畢業(yè)設計的心得體會。關鍵詞：faw-a1前照燈設計 光學設計 光源的選擇對比 反射器設計abstract as car modeling is largely depends on the headlamps, and headlamps lighting quality is important for traffic safety, therefore, in this article to auto works - a1 as the research background

4、, design and manufacturing of automobile headlamps faw-a1 car headlamps are introduced the main module design and manufacturing, mainly include: appearance analysis and design, structure analysis and design, analysis and reflection optical lens design, analysis and headlamps headlamps vibration mold

5、 flow analysis. at the same time, in which a1 headlamps, on the basis of the overall design, focus on the optical design of headlamp has carried on the research and study. designed to satisfy the vehicle headlamps in the optics industry standards. also to meet the requirements at the same time, stri

6、ve to make the design cost is low, good quality, beautiful appearance into body.based on the thesis, the main work is as follows:first, understand the contents of the specification, design task; reading a lot of useful information related with headlights headlamps and literature; translation english

7、 literature related to light.second, through the communication and engineers, and related information collecting learning automobile headlamps, clear their respective design task, design task arrangement and schedule listed, with the structure design and vibration analysis of group discussion, draw

8、a relatively reasonable plan diagram.third, according to regulatory requirements, serious contrast selection, screening of high cost performance of lamps, and according to the light source to design reasonable headlamp reflector, can be made to match the structure design of the team members.fourth,

9、through the companys software, the data simulate the lamps light intensity distribution, reasonable adjust the angle of light source and reflector, and consistent with laws and regulations, inspection and improve the optical design of headlamp. writing graduation design paper, at the same time, summ

10、arized the improvement and deficiency in the design, looking forward to the future of the car headlamp design trends and worth the effort direction. finally, the experience of graduation design is given.key words: faw-a1; headlamps designed; optical design; the choice of light source; the design of

11、the reflector目錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 選題背景11.1.1 前照燈與行車安全11.1.2 前照燈的發(fā)展歷程21.1.3研究現(xiàn)狀31.1.4 前照燈設計常用軟件51.2 選題目的及意義6第2章 前照燈設計基礎及設計過程概述72.1 前照燈系統(tǒng)72.1.1 前照燈的基本結構72.1.2 前照燈的工作原理82.2 前照燈的主要部件92.2.1 光源92.2.2 反射器102.3 前照燈的相關標準112.3.1 概述112.3.2 中國汽車照明標準122.4 前照燈設計的理論基礎152.4.1 光學基礎15第3章 光源的選擇193.1 常用前照燈光源193.2

12、本論文所選用的光源193.2.1 h4光源193.2.2 h7光源21第4章 反射器設計234.1 基礎面234.2 分區(qū)設計234.2.1 h4光源的反射面分區(qū)244.2.2 h7光源的反射面分區(qū)254.3 總體設計264.3.1 采用h4光源的反射面274.3.2 采用h7光源的反射面284.4 光型圖與等照度圖的繪制304.4.1 h4反射器304.4.2 h7反射器32第5章 小結355.1 近光比較355.2 遠光比較35總結36致謝37參考文獻38附錄41汽車前照燈標準41第1章 緒論1.1 選題背景1.1.1 前照燈與行車安全汽車是現(xiàn)代社會中不可或缺的交通和運輸工具，它給我們的生

13、活帶來了便利，也帶來了問題。其中最突出的就是安全問題，尤其是夜間的安全。全世界每年發(fā)生的汽車交通事故不計其數(shù)。汽車的安全性，是汽車運行中一個極為重要的性能。汽車燈具擔負著照明和信號兩種功能，是重要的安全部件。汽車的照明質(zhì)量直接影響著行車安全。盡管夜間路上的行人比白天少，事故數(shù)據(jù)顯示，不包括駕駛者在內(nèi)的事故數(shù)目仍以夜間為多：導致行人致命傷害的事故有60發(fā)生在夜間。世界汽車安全事故統(tǒng)計資料表明：夜間發(fā)生交通事故的概率是白天的三倍，照明狀況不良時的事故率又是照明狀況良好時的三倍。1可見汽車燈具對于汽車的安全至關重要。汽車燈具按其作用可分為兩大類：照明裝置(照明燈)和光信號裝置(信號燈)。照明燈的功能

14、，是在黑暗環(huán)境中照亮汽車行駛前方路面。信號燈則是向其它道路使用者表明本車的存在，以及本車將要轉(zhuǎn)向某一方向或正在制動減速等等，以引起其它道路使用者對本車的特別關注。在各種汽車燈具中，前照燈的重要性尤為突出。前照燈是汽車在夜間或雨天、霧天行駛時，用來照明道路、辨認前方障礙物的汽車照明裝置。前照燈就好比汽車的雙眼，是汽車最主要的外部照明燈具，它的主要功能是確保駕駛者對前方場景有良好的視認性，而同時又不能給迎面來車的駕駛者造成眩光。因此對于前照燈的空間光強分布，業(yè)內(nèi)有著十分精確的標準。前照燈近光的光分布完全不對稱，中間是一個高光強區(qū)，主要照亮汽車正前方的路面；光束在水平方向有所擴散，兼顧整個路面及路邊

15、的情況：在前照燈燈光所產(chǎn)生的明區(qū)與暗區(qū)之間有一條清晰的截止線(分界線)。正是由于前照燈的重要性和復雜性，前照燈的設計一直是汽車工業(yè)關注的重點之一。1.1.2 前照燈的發(fā)展歷程前照燈是要求最高、結構最復雜、設計和制造難度最大的車燈。它的發(fā)展變化也代表了車燈的整體演變。從早期乙炔氣前照燈發(fā)展到當今的自由面反射鏡氣體放電前照燈，差不多經(jīng)歷了120年，其演變過程如下2,3:1、 煤油燈，最初的前照燈是簡單安裝在汽車前部的煤油燈。由于煤油燈發(fā)光強度太低，不能滿足照亮前方足夠遠路面的要求。后來利用1779年克魯平發(fā)明的帶片式拋物面反光條（反射器的雛形），將煤油燈的光通量反射匯聚于一狹窄立體角內(nèi)，成為具有高

16、強度光束的聚光式前照燈。2、 乙炔燈，1905年，開始使用乙炔做車燈光源。乙炔由裝置在汽車腳踏板或車架上的輕便型乙炔發(fā)生器利用碳化鈣和水反應而產(chǎn)生。行車時車體的顛簸和晃動是這個化學反應的“催化劑”，因此汽車停止后，反應漸弱，照明也就漸弱消失。乙炔作為早期車燈的穩(wěn)定光源，一直使用到1925年前后。3、 電光源車燈，1913年發(fā)明了螺旋鎢絲做發(fā)光體的充氣（惰性氣體）白熾燈泡，其發(fā)光功率達到了1518lm/w。當年的凱迪拉克（cadillac）汽車的前照燈就使用了這種燈泡座光源，這標志著汽車電氣時代的開始。在這之后，乙炔前照燈就逐漸被電光源前照燈所取代。4、 對稱光前照燈，具備有高輪廓亮度充氣燈泡的

17、前照燈，為解決在兩車相遇時因前照燈的強光造成駕駛員炫目而導致發(fā)生交通事故和撞車的嚴重問題，出現(xiàn)了雙光燈芯前照燈，但也沒有完全解決汽車車燈的配光問題。5、 非對稱近光前照燈，雙光燈芯前照燈系統(tǒng)屬于對稱近光系統(tǒng)，近光光型的左右兩側(cè)完全相同，因而左、右兩側(cè)行駛皆適用。為解決在會車過程中，前照燈既不產(chǎn)生炫目，又能保證對道路具有良好的照明，1932年美國發(fā)明了不對稱前照燈，它是以基準軸為中心，將光束一分為二，靠近來車一側(cè)的落地距離短(即光束壓低，從而防炫)，而另一側(cè)光束的落地距離長(即光束抬高，從而增加視見)。 6、 封閉式前照燈，1940年之后，美國研制的封閉式前照燈，將光源、反射器和配光鏡做成封閉的

18、一體。7、 鹵鎢前照燈，第一批裝有鹵鎢燈泡的汽車前照燈是由法國“斯貝”公司在1964年生產(chǎn)的，其燈絲允許工作溫度較普通白熾燈泡高，光效增加約50%，壽命也增加一倍。鹵素燈，就是在燈泡內(nèi)滲入少量的的惰性氣碘，從燈絲蒸發(fā)出來的鎢原子與碘原子相遇反應，生成碘化鎢化合物，當?shù)饣u化合物一接觸白熱化的燈絲(溫度超過1450)，又會分解還原為鎢和碘，鎢又重新歸隊回到燈絲中去，碘則重新進入氣體中。如此循環(huán)不已，燈絲幾乎不會燒斷，燈泡也不會發(fā)黑，所以它要比傳統(tǒng)的白熾前照燈壽命更長，亮度更大。8、 自由曲面前照燈，在整個電光源的發(fā)展過程中，前照燈基本上采用拋物面反射器。反射器將光源發(fā)出的光以近似平行于光軸的方向

19、射出，經(jīng)配光鏡的重新分配，形成滿足要求的光型，自由曲面前照燈的反射器曲面不再是規(guī)則的拋物面，從其上反射的光型即為滿足要求的光型，不再需要配光鏡進行配光。9、 投影型前照燈，投影型前照燈是德國海拉（hella) 公司于1984年推出的新一代前照燈。由光源、反射器、擋板、凸透鏡和配光鏡組成。這種車燈要求精確的裝配，可獲得準確而清晰的明暗截止線。10、 高強度氣體放電hid前照燈，hid具有壽命較長、光照度強、色溫高等優(yōu)點，因其能提供更寬更亮的光型及更廣的照射范圍成為又一代前照燈光源。11、 led汽車前照燈，led光源因其耗能低、壽命長、抗震動、響應速度快、設計自由度大、環(huán)保節(jié)能等傳統(tǒng)光源無法比擬

20、的優(yōu)點成為汽車前照燈的新一代綠色光源，不僅能夠降低能量消耗，延長使用壽命，而且可以減少安全車距，減少交通事故。led燈能夠使得汽車燈具的造型布置和風格設計具有空前的靈活性而適于車型的個性化，且led的光輸出功率密碼已能夠與hid燈具匹敵。隨著技術的發(fā)展、成本的下降、光效的提升，led光源將成為未來車輛照明的發(fā)展趨勢。12、 光纖前照燈，光纖前照燈是根據(jù)光的全反射原理，利用光學纖維來實現(xiàn)光的傳導而開發(fā)出的最新一代汽車燈具。它由光源、反射器、光纖和輸出組件等部分組成。綜上所述，隨著照明光源技術的進步，汽車前照燈工經(jīng)歷了四代光源的演變，分別是白熾燈、鹵素燈、hid、led光源。1.1.3研究現(xiàn)狀a

21、國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)目前幾乎不具備獨立設計前照燈的能力，進行汽車照明相關的單位也比較少，且主要是一些高校。其中非比較突出的是負擔大學光源與照明工程系及電光源研究所的一批老師和研究生，他們進行了較多的研究并取得了一定的成果，復旦大學的研究所涉及的內(nèi)容包括afs前照燈系統(tǒng)、計算機輔助前照燈設計、前照燈光型模擬及汽車光源的計算機建模等方面。此外，清華大學、上海交通大學、上海理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校也進行了一些相關的研究。如北京理工大學的照明光學系統(tǒng)cad的研究清華大學的汽車前照燈計算機輔助設計研究及上海理工大學的自由曲面汽車車燈的仿真設計和制造研究。相比之下，國內(nèi)的企業(yè)開展的研究卻很少，僅上海小糸

22、車燈有限公司、上海汽車照明工程研究中心、湖北汽車燈具廠等有限的幾家單位有零星的論文發(fā)表。內(nèi)容涉及前照燈的光學設計及道路照明標準研究等方面，多側(cè)中與實際應用，理論研究的比重較小。江蘇丹陽是全國較大的車燈生產(chǎn)基地，過去這里的車燈制造企業(yè)主要用國外的設計進行生產(chǎn)，沒有自主研發(fā)的項目。隨著汽車照明技術和造型技術的發(fā)展，車燈特別是前車燈的地位日益突出，國內(nèi)的這些汽車車燈生產(chǎn)企業(yè)也開始意識到研究車燈的重要性，正在逐漸開展研究項目。不過就全國來看，對汽車照明研究雖然日益重視，相關的研究還僅僅是處于起步階段，尚無成功的設計和經(jīng)驗可言。尤其是企業(yè)進行研究的較少，這與國外主要由企業(yè)進行研究的現(xiàn)象形成了鮮明的對比。

23、b 國外研究現(xiàn)狀國外的發(fā)展則比我們領先許多。與國內(nèi)不同，國外的研究大多由企業(yè)完成。高校中以美國密歇根大學進行的研究最多，且其研究也多與企業(yè)合作。在汽車照明方面研究成果較為突出的，有著名車燈制造商，如北美車燈、德國海拉和日本小糸；著名照明產(chǎn)品制造商，如valco、helios和philips；以及著名汽車制造商，如bmg、volkswagen、mercedes benz等等。特別是北美車燈、德國海拉和日本小糸這些專門設計和生產(chǎn)汽車照明產(chǎn)品的廠商，已經(jīng)具備開發(fā)制造高質(zhì)量前照燈的能力。他們不僅設計制造了世界頂尖水平的車燈、積累了相當豐富的設計經(jīng)驗，還針對汽車照明的特殊性，開發(fā)了專門用于汽車照明系統(tǒng)設

24、計的軟件。具體而言，美國密歇根大學的sivak 在前照燈光型分析、國際汽車照明標準及車燈質(zhì)量評估方面做了許多研究；波蘭華沙大學的mazur 在汽車照明仿真方面的研究亦較為突出。各企業(yè)對汽車照明的研究內(nèi)容更為廣泛，主要的研究方面有：前照燈標準的國際協(xié)調(diào)、hid光源技術及采用hid的前照燈的設計、自由曲面前照燈的設計、分光系統(tǒng)的設計及優(yōu)化、afs系統(tǒng)、車燈光色分析及前照燈內(nèi)部熱流分析等諸多內(nèi)容。其研究內(nèi)容無論在深度還是廣度上，都遠遠超過了國內(nèi)的研究。1.1.4 前照燈設計常用軟件1、綜合性光學軟件traceprotracepro是一套普遍用于照明系統(tǒng)、光學分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。

25、它是第一套以acis solid modeling kernel為基本的光學軟件。優(yōu)點：比起傳統(tǒng)的原形方法，tracepro在建立顯示系統(tǒng)的原型時，在時間上和成本上要降低3050%。 tracepro作為下一代偏離光線分析軟件，需要對光線進行有效和準確地分析。為了達到這些目標，tracepro必須具備以下這些功能：處理復雜幾何的能力，以定義和跟蹤數(shù)百萬條光線；圖形顯示、可視化操作以及提供3d實體模型的數(shù)據(jù)庫；導入和導出主流cad軟件和鏡頭設計軟件的數(shù)據(jù)格式。 2、用于照明設計的軟件kbe-smartlitekbe-smartlite 是集成于i-deas cad 系統(tǒng)中的一套照明產(chǎn)品設計軟件。

26、它將現(xiàn)有的所有關于照明系統(tǒng)進展的知識和慣例存放于一個中心庫中，試圖提供照明工程師及設計師所需要的包括工具、設計的支持數(shù)據(jù)和信息在內(nèi)的幾乎所有知識4,5。3、反射器設計軟件reflectorcad其功能就是設計分塊反射器，它極大的簡化了分塊反射器的構建和分析，從而縮短從設計到樣品所需要的時間。其圖形界面使設計簡單易行，而近似的反射器輸出效果在數(shù)秒內(nèi)就可算出，這樣設計中的改動效果立即就可以看到。由于它的功能就是反射器設計，因此車燈的其它部件還得由其它軟件來完成。4、cad軟件catiacatia 提供了完備的設計能力：從產(chǎn)品的概念設計到最終產(chǎn)品的形成，以其精確可靠的解決方案提供了完整的2d、3d、

27、參數(shù)化混合建模及數(shù)據(jù)管理手段，從單個零件的設計到最終電子樣機的建立；同時，作為一個完全集成化的軟件系統(tǒng)，catia將機械設計，工程分析及仿真，數(shù)控加工和catweb網(wǎng)絡應用解決方案有機的結合在一起，為用戶提供嚴密的無紙工作環(huán)境，特別是catia中的針對汽車、摩托車業(yè)的專用模塊，使catia擁有了最寬廣的專業(yè)覆蓋面，從而幫助客戶達到縮短設計生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低費用的目的6。1.2 選題目的及意義若是作一下比較，國內(nèi)的研究以理論為主，內(nèi)容較單一，且常有深度不足的感覺，創(chuàng)新之處不多；而國外的研究則重在實際應用，其論文涉及面廣且較有深度。這也許正是國內(nèi)車燈設計力量薄弱的一個重要原因?，F(xiàn)代汽車照

28、明技術發(fā)展非常迅速，國外的企業(yè)及研究機構經(jīng)過多年的努力，已經(jīng)具備相當雄厚的研究基礎，擁有非常專業(yè)的研發(fā)人員和完善的研發(fā)機構，其發(fā)展越來越快。國內(nèi)由于對這方面長期沒有重視，致使研發(fā)實力十分薄弱，一直依賴國外的技術，這會導致受制于人的局面，對我國的汽車工業(yè)發(fā)展十分不利。因此，必須盡快開展汽車照明的自主研究。否則，差距將越來越大。前照燈的種類在很長時間內(nèi)都比較單一。隨著cad技術和光學技術的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型前照燈，如復合反射器前照燈、波浪形反射器前照燈、投影式前照燈及自由曲面反射器前照燈。就目前國際汽車工業(yè)的進展來看，自由曲面反射器前照燈是前照燈的發(fā)展方向。這種前照燈完全摒棄了傳統(tǒng)前照燈的配光鏡

29、配光方式，由反射器獨立完成配光的任務。它具有光能利用率高、車燈高度低和空氣動力學好等優(yōu)點。目前，歐美、日本等發(fā)達國家的汽車已廣泛采用自由曲面前照燈，而國內(nèi)自由曲面前照燈的普及率卻相當?shù)?，正處于向自由曲面前照燈過渡的時期。但是國內(nèi)的自由曲面前照燈的獨立設計能力卻十分薄弱；一些發(fā)達國家雖然已經(jīng)可以開發(fā)制造高質(zhì)量的自由曲面前照燈，但他們嚴格進行技術壟斷，不對外轉(zhuǎn)讓技術和軟件。所以，現(xiàn)在進行本課題的研究，對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。第2章 前照燈設計基礎及設計過程概述前照燈是一個照明光學系統(tǒng)。照明光學系統(tǒng)是光學的一大分支。與傳統(tǒng)的成像光學系統(tǒng)不同，照明光學系統(tǒng)更注重于能量的分配，即被照明面上的

30、照度分布和大小，因而其設計與傳統(tǒng)光學系統(tǒng)設計有許多不同之處。前照燈有很多種類型，如拋物面前照燈、復合曲面前照燈、自由曲面前照燈和投影式前照燈等等，這一章主要介紹本論文所研究的自由曲面前照燈。2.1 前照燈系統(tǒng)2.1.1 前照燈的基本結構典型的前照燈主要由光源、反射器和配光鏡這三個部件構成，如圖2-1所示圖2-1 前照燈1一光源、2一反射器、3一配光鏡2.1.2 前照燈的工作原理傳統(tǒng)的拋物面前照燈的工作原理，是由反射器收集、匯聚光源發(fā)出的光，并將其以平行于光軸的方向射出，射出的光經(jīng)配光鏡的偏移和散射，形成滿足要求的光帶。這里，光型是由反射器和配光鏡配合實現(xiàn)的，而且主要取決于配光鏡，反射器僅僅是起

31、到匯聚和射出光線的作用。配光鏡由許多小透鏡和小棱鏡單元拼合而成，這些形狀不一的小單元，將反射器射出的平行光或偏移、或散射、投射到需要的地方，最終形成滿足要求的光型。圖2-2 配光鏡的偏移(上)和散射(下)自由曲面前照燈與拋物面前照燈的最大不同是將配光鏡的功能轉(zhuǎn)移到了反射器上，即光型完全由反射器來實現(xiàn)，配光鏡變成光滑透明的透鏡，僅僅是起到透過光線的作用。光線在經(jīng)過配光鏡的時候，不在發(fā)生偏移和散射。這時的反射器，在反射光線的同是，還要實現(xiàn)以前由配光鏡完成的偏移和散射功能。圖2-3 自由曲面反射器的偏移（上）和散射（下）2.2 前照燈的主要部件如前述，自由曲面前照燈的配光完全由反射器實現(xiàn)，配光鏡只是

32、起透過光線的作用，因此，前照燈的三個主要部件，這里只介紹光源和反射器，對于配光鏡不作介紹。2.2.1 光源（一）現(xiàn)狀與發(fā)展汽車光源是汽車燈具的發(fā)光主體，合理的選擇光源，對汽車的照明質(zhì)量起著至關重要的作用。汽車光源在早期是十分簡陋的。在使用電光源之前，先后由煤油燈和乙炔燈充當汽車的照明光源。這兩種光源的亮度都比較低，照明效果并不盡如人意。直到電光源應用于汽車照明，這種情況在有了明顯的改觀。最先使用的電光源是白熾燈。白熾燈在汽車上使用了相當長的時間，直到現(xiàn)在，白熾燈和在白熾燈的基礎上發(fā)展而來的鹵鎢燈，仍是使用最為廣泛的汽車光源。與此同時，也出現(xiàn)了許多新型光源，如高強度氣體放電光源，這些新型光源的進

33、展為汽車照明的未來提供了眾多可能性2。（二）常用汽車光源簡介1、 白熾燈白熾燈不但是最早使用的，也是至今仍在廣泛使用的汽車電光源。白熾燈利用電流通過螺旋型鎢絲時產(chǎn)生的熱效應，輻射出可見光和紅外線。白熾燈的功率較小，主要用于照度要求不太高的場合，如尾燈、剎車燈和轉(zhuǎn)向燈等。2、 鹵鎢燈由于傳統(tǒng)的白熾燈在物理尺寸、發(fā)光效率和經(jīng)濟壽命上的缺點，它的應用受到了很多限制。鹵鎢燈是在白熾燈的基礎上發(fā)展而來的，它具有壽命較高，功率較大等優(yōu)點，很適合于車輛前方照明使用。3、 高強度放電燈鹵鎢燈的優(yōu)點很多，但也存在許多不足之處，如光色偏黃、壽命較短、紅外輻射比例較高等等。新型高強度放電燈的發(fā)光亮度遠遠高于鹵鎢燈，

34、照明距離也遠大約40%，而且光色亮白，壽命很長，所有這些性能都明顯優(yōu)于鹵鎢燈。作為一種新型光源，目前高強度放電燈的價格仍然是比較高的，而且其制作的技術要求也比較高，所用的電路、燈具的設計也比較復雜，因而它在汽車照明中的應用范圍還比較小，但是它仍是汽車光源的發(fā)展方向，將會在汽車照明場合得到越來越廣泛的應用。2.2.2 反射器反射器是汽車前照燈的重要部件，它將光源發(fā)出的光聚集發(fā)射，大大提高了光的的利用率。隨著科技的進步，反射器的類型和功能也在發(fā)生著變化。這里只介紹拋物面反射器和自由曲面反射器，其他類型的反射器介紹從略。拋物面反射器拋物面反射器是最傳統(tǒng)的反射器，它可以將置于其焦點處的光源發(fā)出的光沿平

35、行于光軸方向反射出去。這里反射器僅僅是起到匯聚和射出光線的作用，必須要有遮光罩和呆功能花紋的配光鏡配合使用，才能得到滿足要求的光型。自由曲面反射器自由曲面反射器是目前最具潛力的前照燈反射器，它起到了拋物面前照燈的反射器和配光鏡的雙重作用，因此，自由曲面前照燈的配光鏡簡化為光滑透明的透鏡，不再參與配光過程。由于要獨立完成配光任務，這種反射器的反射面不再是簡單的拋物面，而是負載的光學反射面。自由曲面反射器分為連續(xù)式和多面式。連續(xù)式反射器的反射面是一個光順的不規(guī)則幾何曲面，由計算機通過復雜運算、優(yōu)化臨界參數(shù)、應用仿真程序生成。這種曲面的優(yōu)點是產(chǎn)生不必要的光線的可能性較小。但是連續(xù)反射器的反射面上不允

36、許存在臺階和拐點，這使它在設計上存在很大的局限性。多面式反射器的反射面由多個自由曲面組成。由于各曲面之間存在突然的階躍，這種反射器有可能產(chǎn)生不必要的光線，這一點不如連續(xù)式反射器。但是它的設計卻比較容易實現(xiàn)，而且具有非常明亮的外觀，所以得到了廣泛的應用。2.3 前照燈的相關標準2.3.1 概述為了解決汽車帶來的交通事故、環(huán)境污染和能源消耗，許多國家都對汽車產(chǎn)品實行法規(guī)化管理，制定了相關的技術法規(guī)。汽車技術法規(guī)于二十世紀五十年代出現(xiàn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已有多種國家的、區(qū)域的、雙邊的和多邊的法規(guī)體系。早起國際上較為完善的最具代表性的有三大汽車法規(guī)體系美國體系、歐洲體系和日本體系。其中美國體系和歐洲體

37、系分別為許多國家所采用。歐洲的汽車法規(guī)起步比較早，各國在1950年代就制定了各自的法規(guī)。為了不影響歐洲各國之間的自由貿(mào)易和國際運輸，歐洲經(jīng)濟委員會（economic commission for europe ）于1958年簽訂了“關于采用統(tǒng)一條件批準激動車輛裝備和部件并相互承認批準的協(xié)定書”，并在此協(xié)定書的基礎上制定了一套關于機動車的法規(guī)（ece）。美國的汽車法規(guī)由聯(lián)邦政府制定的聯(lián)邦法規(guī)和由各州所制定地方性法規(guī)。聯(lián)邦政府制定的是聯(lián)邦汽車安全標準（fmvss，federal motor vehicle safety standard ）。美國體系的法規(guī)和標準既緊密結合又相互獨立，美國的汽車標準

38、主要是由美國汽車工程師協(xié)會（society automotive engineers ）發(fā)布的sae標準。日本人的法規(guī)發(fā)布比fmvss和sae都要早，經(jīng)過多次修訂并吸取歐美體系的內(nèi)容，形成一套獨特的法規(guī)體系，在技術內(nèi)容上比較接近美國。但是日本已于1958年簽署了協(xié)定書，將逐步過度到完全采用ece體系。因此目前的汽車標準法規(guī)體系就主要是歐美兩大體系了7,8。這兩大體系對燈具的要求主要包括：（1）燈具的安裝要求，（2）燈具的配光要求。在對燈具的配光要求方面差異最大的就是前照燈，這主要表現(xiàn)在配光光型上。ece光型近光分布完全不對稱，視野中心是一個高光強區(qū)域，以盡可能照亮前方道路；同時光在水平方向有一

39、定的擴散，以利于辨認道路兩旁的情況，如行人、道路標志等；在迎面來車的司機的視野方向是一個相對較暗的區(qū)域，以避免產(chǎn)生眩光；在車燈產(chǎn)生的明暗區(qū)之間有一條明顯的明暗截止線。歐洲照明將照明和炫目這一對矛盾解決的較好。sae光型的近光不要求明暗截止線，而是追求更好、更亮的照明。這種光型比較適合于照明條件較好的道路，而在照明條件較差的道路上，就容易發(fā)生炫目。此外，在顛簸的路面上，sae的照明效果也好于ece光型。雖然各有其優(yōu)越性，但是隨著世界經(jīng)濟貿(mào)易的一體化進程的加快，這兩大體系之間的顯著的差異嚴重的阻礙了各國間的汽車貿(mào)易。形成了汽車產(chǎn)品貿(mào)易的非關稅壁壘。為了解決這個壁壘問題，從20世紀80年代起國際上就

40、開始進行汽車燈光法規(guī)的協(xié)調(diào)工作。經(jīng)過十多年的努力，已經(jīng)取得了一些進展，汽車技術法規(guī)越來越趨向于統(tǒng)一9,10,11。2.3.2 中國汽車照明標準我國的汽車照明標準基本上是參照歐洲的ece體系標準。這是綜合考慮到我國的國情和國際發(fā)展的趨勢的結果。因為全世界采用ece法規(guī)的國家相當廣泛，而且在道路狹窄、照明條件不佳的地區(qū)，采用ece體系的前照燈對于行車安全比較有利。關于汽車前照燈的配光性能，國標（gb45991994）具體規(guī)定如下。1、 前照燈的配光應該使其近光具有足夠的照明和不眩光，遠光具有良好的照明效果。2、 配光性能應在前照燈基準中心前25m，過hv點的鉛垂配光屏幕上測定，配光屏幕的具體布置如

41、圖所示。圖2-4 25米配光屏(gb45991994)圖2-5 配光屏上各測試點的意義上圖是一幅道路的透視圖, 觀察者位于右側(cè)車道的軸線(對應圖15 的垂直線vv ) 駕駛位置。b50l代表約50m 距離處迎面汽車的駕駛員眼睛位置, 該位置的照度越低越好, 可避免眩光、50r , 75r 分別表示約50m 和75m 距離處的車道右邊線對光照度有要求的兩個點的位置。近光的配光要求（1） 在配光屏幕上，近光應該產(chǎn)生明顯的明暗截止線，其水平部分v-v線的左側(cè)，右側(cè)與水平線向上15的斜線，或向上成45斜線至水平線垂直距25cm轉(zhuǎn)向水平折線。（2） 在配光屏幕上的照度限值，應符合表2-1的規(guī)定。（3）

42、在i、ii、iii和iv區(qū)域內(nèi)，其水平方向相鄰問的照度應無明顯的陡變，不致影響良好的可見度。表2-1 近光照度限值（gb4599-1994)注：(1)單光束為0.3，雙光束為0.4；(2)e50r為50r的實測照度。遠光的配光要求(1) 在配光屏幕上的照度限值，應符合表2-2的規(guī)定。(2) 雙光束鹵鎢前照燈，其遠光最大照度應不大于近光在75r處測試照度的16倍表2-2 遠光照度限值（gb4599-1994)2.4 前照燈設計的理論基礎 下面介紹前照燈設計的相關理論。前照燈的設計是一個系統(tǒng)的過程。前照燈首先是一個光學系統(tǒng)，其設計過程需要用相當?shù)墓鈱W知識做基礎，反射面的構造又涉及曲面造型方面知識。

43、本節(jié)主要對前照燈設計過程中需要用到的光學和幾何理論進行了簡單的介紹。2.4.1 光學基礎(一) 幾何光學在前照燈光學系統(tǒng)中，不必考慮光的位相和波動性，因此只需應用幾何光學的三個基本定律直線傳播定律、折射定律和反射定律就可以解決問題。（1）光的直線傳播定律在各向同性的均勻介質(zhì)中，光沿著直線傳播。（2) 光的折射和反射定律a反射定律：入射光線、反射光線和入射點法線三者在同一平面內(nèi)，入射角和反射角二者絕對值相等，符號相反，即入射光線和反射光線位于法線的兩側(cè)。b折射定律：反射光線、折射光線和入射點的法線三者位于同一平面內(nèi)，入射角的正弦和折射角正弦之比等于入射光線所在介質(zhì)的折射率和折射光線所在介質(zhì)的折射

44、率之比。12(3) 光在球面上的反射a、符號規(guī)則如圖，球面aob的中心d點稱為頂點，球心c點稱為曲率中心，球面半徑稱為曲率半徑，連接頂點和曲率中心的連線co稱為主軸，經(jīng)過主軸的平面稱為主截面。在計算過程中，有如下的符號規(guī)則：光線的傳播方向通常規(guī)定為自左向右。光線和主軸的交點位置都從頂點算起，在頂點右邊，則其距離之值取正；在頂點左邊，其距離之值取負。物點或像點至主軸的距離，在主軸上方為正，下方為負。光線方向的傾斜角度都從主軸（或球面法線）算起，并取銳角。由主軸（或球面法線）轉(zhuǎn)向某光線時，若是沿順時針方向，則此角度數(shù)值取正，反之取負。圖2-6 符號規(guī)則 b近軸球面反射的物像公式如果光軸上的點射出的

45、光線與光軸的夾角很小，則這個角度的正弦值可以近似用其弧度值來代替。這種光線位于光軸附近區(qū)域，故稱為“近軸光”。光軸附近的這個區(qū)域稱為“近軸區(qū)。在圖中，對于pac和pac，由正弦定律得以及由反射定律，將上兩式合并、整理得 （2-1）在近軸條件下，則由圖可得及代入（2-1）式可得 （2-2）在（2-2）式中，對于r一定的球面，只有一個s值與給定的s值對應，此時有明確的像點存在，即高斯像點。s稱為物距，s稱為像距。當時，即沿主軸平行入射的光束經(jīng)球面反射后成為會聚或發(fā)散光束，交點位于主軸上，稱為該反射球面的焦點，焦點到頂點的距離稱為焦距。則（2-2）式可寫作 （2-3）這便是球面反射物像公式。對于凹球

46、面和凸球面，只要是近軸光線，都滿足這個球面反射成像的基本公式12。(二) 光度學光度學是光學中研究光在發(fā)射、傳播、吸收和散射等過程中光量的問題的學科。常用的光度量有：a光通量光通量是指單位時間內(nèi)光輻射能量的大小，單位是流明（lm）。b照度和光出度照度是指受照表面單位面積所接收的光通量，單位是勒克斯（lx）。1lx=1lm/。取受照表面微小面元da，若該面元上入射光通量為d，則照度e為ed/da光出度是指光源單位表明發(fā)出的光通量。與照度類似，對于光源發(fā)光表面da，若發(fā)出的光通量為d，則光出度為ed/da照度和光出度具有相同的單位和量綱，不過照度是表示被照物體所接收到的光通量的表面密度的量，而光出

47、度則表示光源發(fā)出的光通量的表面密度。c光強 光強是指光源在給定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。光強的單位是坎德拉（cd）。1cd=1lm/srd亮度亮度是廣光源單位發(fā)光表面在給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。12(三) 幾何基礎自由曲面前照燈的反射面是由許多自由曲面片組成。這些自由曲面用單一的數(shù)學函數(shù)是無法表達的。自由曲面常用的表示方法有coons曲面、bezier曲面、b樣條曲面和nurbs曲面等，這里適合前照燈設計的是樣條方法。b樣條曲面非均勻有理b樣條(nurbs)曲面第3章 光源的選擇光源是前照燈系統(tǒng)的核心部分，其特性直接影響到整個前照燈系統(tǒng)的設計。在設計前照燈時，首先要選擇一個合適

48、的光源。73.1 常用前照燈光源目前使用最多的前照燈光源是白熾燈和鹵鎢燈。由于白熾燈功率較小，現(xiàn)在已經(jīng)較少用于前照燈，多是用于照度要求不高的場合，如尾燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈或牌照燈等等。與白熾燈相比，鹵鎢燈具有體積小、功率大、光效高和燈絲緊湊等優(yōu)點，是目前最理想的前照燈光源。鹵鎢燈的品種很多，常用的有h4、h1、h7、hb1、hb和hb4等，它們在國際上已經(jīng)標準化，是當前主要的汽車光源。然而鹵鎢燈也有不足之處，如光色偏紅偏黃、駕駛舒適性差；壽命較短；輻射中紅外線比例較高，產(chǎn)生的熱效應會對燈具中的高分子材料產(chǎn)生影響。高強度氣體放電燈則克服了這些不足， 因而得到了越來越多的應用，目前主要使用的有d1s

49、、d2s、d1r和d2r燈。高強度放電燈的照度和壽命有了大幅提高，但是設計較復雜，成本較高，現(xiàn)在應用范圍較小，但它是前照燈光源的一個發(fā)展方向。3.2 本論文所選用的光源本文選用h4和h7兩種光源進行設計。之所以選用這兩種光源，是考慮到h4是目前我國使用最為廣泛的前照燈光源，具有代表性；而h7則是隨著自由曲面反射器的問世而問世的光源。3.2.1 h4光源圖3-1為h4的模型圖。h4是雙絲車燈。其近光燈絲發(fā)光中心位于主軸之上31.25mm處，精確的坐標足（0.00，-0.07，31.25），長度5.5mm，直徑1.2mm，光通量1000流明；遠光燈絲的精確坐標是（0.00，-0.08,24.55）

50、，燈絲長度4.5mm，直徑1.2mm，光通量1650流明。 圖3-1 h4燈泡為了形成法規(guī)要求的截止線在h4燈泡的近光燈絲下方有一個遮光罩。如圖3-2 所示。圖3-2 h4遮光罩3.2.2 h7光源圖3-3為h7模型圖。h7是單絲車燈，其燈絲中心位于主軸之上2725mm處，精確坐標為(o00，ooo，2725)；燈絲長度45mm，直徑12ram；燈絲光通量1500流明。圖3-3 h7燈泡第4章 反射器設計光源模型建立之后，開始進行反射器的設計。反射器的作用，是將光源發(fā)出的光通量反射到有限的立體角內(nèi)，以達到提高前方道路照明的目的。反射器的設計是自由曲面前照燈設計中最重要的部分，因為整個前照燈的配

51、光都是由反射器來實現(xiàn)的。本章詳細敘述了自由曲面反射器的設計過程，并給出了設計結果。4.1 基礎面?zhèn)鹘y(tǒng)前照燈反射器的反射面多采用旋轉(zhuǎn)拋物面，燈絲放置在焦點附近。自由曲面前照燈在設計的初期，也要先建立一個拋物面，以后的設計都以這個面為基礎。這個面稱為基礎面。在實際的設計中，這個面的參數(shù)(如焦距、輪廓)是根據(jù)車燈所采用的燈泡的燈絲位置及車體所能提供的裝配尺寸來確定的。對于雙絲燈泡，一般是將遠光燈絲放置在基礎拋物面的焦點處，而近光燈絲放置在焦點的前方。h4的遠光燈絲發(fā)光中心至定焦盤的距離是2455mm，因此基礎面的焦距取為2455mm。參考前照燈的一般大小，取其輪廓為200140mm的矩形。采用單絲燈

52、泡時，遠光和近光功能分別由兩個不同的反射器來實現(xiàn)，而兩種情況都將燈絲的發(fā)光中心置于基礎面的焦點處。h7的燈絲發(fā)光中心至定焦盤的距離是2725mm，因此近光反射器和遠光反射器的基礎面都取焦距為2725mm，其輪廓取為140100 mm的矩形。4.2 分區(qū)設計單一的基礎面是無法滿足配光要求的，要將它劃分為若干小塊，改變各塊的參數(shù)，才能使總的照明效果滿足法規(guī)的配光要求。將基礎面在與光軸垂直的平面上的投影劃分為若干個矩形或梯形，這些形狀的邊界在基礎面上的投影分基礎面成若干塊。4.2.1 h4光源的反射面分區(qū)使用雙絲燈泡時，大致的分塊方法如下。圖4-1 h4反射面功能分區(qū)(雙絲燈泡)如圖4-1 所示，整

53、個反射面分為五個大區(qū)。一般而言，反射器上距離光源較遠的區(qū)塊所成的像較小，而距離光源較近的區(qū)塊所成的像較大，根據(jù)這一規(guī)律，可初步確定每一區(qū)的功能。一區(qū)的功能是使光線水平擴散40，主要照亮汽車正前方的區(qū)域。二區(qū)的功能是使光線水平擴散150，照亮整個路面。三區(qū)的功能是使光線水平擴散20，加強中間的亮度。四區(qū)的功能主要是形成150截止線，并要求一定的照度。五區(qū)是遠光區(qū)，當近光燈絲點亮時，由于遮光罩的遮蔽作用，沒有光線射到這一區(qū)域，因此它對近光配光沒有影響。按照上面的分區(qū)方法，再將反射面做如圖所示的細分。圖4-2 反射面具體分區(qū)(雙絲燈泡)4.2.2 h7光源的反射面分區(qū)單絲燈泡的情形則比較簡單，因為一

54、個反射面只實現(xiàn)一種功能(或近光，或遠光)。由于不必考慮遮光罩的影響，分區(qū)也比較自由。在本例中，近光和遠光反射面采用同樣的分區(qū)。當然，盡管分區(qū)相同，但對于近光和遠光兩個反射面而言，其對應區(qū)塊的功能(即曲面的形狀)是不同的。圖4-3 反射面具體分區(qū)(單絲燈泡)4.3 總體設計自由曲面反射器和其它反射器有一個共同點，即反射面中間區(qū)域形成的投影區(qū)域較大，比較擴散；外圍區(qū)域形成的投影區(qū)域較小，比較集中。在劃分子塊并確定各子塊的投影區(qū)域的時候，就以這個規(guī)律為基礎。下面將詳細介紹反射面各子塊的投影功能。4.3.1 采用h4光源的反射面圖4-4 h4反射面具體分區(qū)情況h4燈泡的遠光燈絲的發(fā)光中心距離其基座24

55、55mm，使用雙絲燈泡時，要將遠光燈絲的發(fā)光中心置于反射基礎面的焦點上，因此這個反射面的基礎面取焦距為2455mm的旋轉(zhuǎn)拋物面。圖4-4所示，圖為基礎面的具體分區(qū)情況。整個反射面分為26個子塊。其中子塊s01至s20位于近光區(qū)，子塊s21至s26位于遠光區(qū)。當近光燈絲點亮時，由于遮光罩的作用，遠光區(qū)子塊s21至s26不參與配光，這時近光區(qū)子塊s01至s20共同形成前照燈的近光光型；當遠光燈絲點亮時，所有子塊都參與配光，共同形成前照燈的遠光光型。4.3.1.1 近光總的來說，子塊s01、s06、s05和s11的投影主要集中在配光屏的中心水平方向lm、垂直方向o至一1m范圍內(nèi)，它們的功能是形成中心

56、的高亮區(qū)域；子塊s03、s08和s09的投影則在水平方向有較大擴散，主要位于中心水平方向5m、垂直方向0至一4m范圍內(nèi)，它們的功能是實現(xiàn)整個路面上的均勻照明；子塊s02、so?、s04和s10的投影范圍介于以上兩組子塊之間，它們的功能是增加中心區(qū)域的照度，同時使照度均勻過渡；子塊s12、s13和s14的投影主要集中在水平方向0至一4m的水平線下方區(qū)域，用來形成水平截止線；子塊s15至s20的投影主要集中在水平方向o至4m，從中心點開始呈15的斜線的下方。4.3.1.2 遠光遠光的設計是在近光區(qū)設計好的情況下進行的，此時s01至s20的曲面形狀已經(jīng)確定。所以遠光的設計就只剩下s21至s26這六個子塊。法規(guī)對遠光的要求并不嚴格，只要求照度均勻，中心區(qū)域有較大的照度即可。因此s21至s26這六個子塊的投影主要都集中在中心區(qū)域。其中s21和s26的投影區(qū)域在中心水平方向1m、垂直方向lm范圍內(nèi)：s22的投影區(qū)域在中心水平方向一l至3m、垂直方向o至一2m范圍內(nèi)；s23、s2