37267

Осветительные приборы автомобиля на основе светодиодов

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Можно утверждать, что ни один из известных вариантов исполнения приборов системы освещения не решает всего комплекса проблем внешних осветительных приборов транспортных средств, при относительно невысокой стоимости изделий этого класса.

Русский

2014-12-23

3.83 MB

47 чел.

Введение 7

1. Конструкторская часть 25

1.1 Источники света 25

1.1.1 Лампы накаливания 25

1.1.2 Галогеновые лампы 26

1.1.3 Газоразрядные лампы 27

1.1.4 Перспективные источники освещения 29

1.2 Характеристики светодиодов. 30

1.2.1 Яркость. 30

1.2.2 Эффективность. 31

1.2.3 Световой поток. 32

1.3 Методы формирования светового потока 32

1.4 Основа проекта 37

1.4.1 Предлагаемая конструкция 37

1.4.2 Вывод 45

1.4.3 Преимущества фары предложенной конструкции 45

1.4.3.1 Возможность исключить в картине светораспределения предлагаемой конструкции последствий хроматической  аберрации. 45

1.4.3.2. Возможность использования в качестве материала линз пластмассы. 51

1.4.3.3. Возможность выполнения просторных фар с любой конфигурацией светового отверстия 51

1.4.3.4 Возможность использования в качестве основного конструкционного материала для некоторых типов фар нетермостойкой пластмассы. 52

1.4.4 Недостатки светооптической схемы 52

1.5 Общий алгоритм проектирования световых приборов с волоконно-оптическим преобразователем с применением светодиода 54

1.5.1 Методика формирования светового пучка на входе ВОП 55

1.5.2 Методика определения максимальных апертурных углов и показателей преломления вещества световода. 57

1.5.3 Методика расчета конфигурации выходного торца волоконно-оптического преобразователя. 58

1.5.4 Методика расчета проецирующей оптики рассеивателя 59

1.5.5 Методика светотехнического расчета системы 61

1.5.6 Методика теплового расчета 63

1.5.7 Методика расчета схемы питания 69

1.6 Расчет системы 70

2. Технология производства фар с волоконно-оптическим преобразователем изображения (ВОПИ) 78

2.1 Изготовление радиатора 78

2.1.1 Изготовление заготовки 78

2.1.2 Нанесение порошкового покрытия 80

2.1.2.1 Подготовка поверхности 80

2.1.2.2 Нанесение порошковой эмали 82

2.1.2.3 Полимеризация 83

2.2 Изготовление ВОПИ 85

2.2.1 Растяжка фокона 85

2.2.2.Формовка преобразователей изображения 86

2.2.3 Механическая обработка плоскости входного торца 86

2.2.4 Механическая обработка сферы выходного торца 87

2.3 Изготовление корпуса фары 87

2.4 Изготовление оправы волоконно-оптического преобразователяизображения 89

2.4.1 Объемное выдавливание оправы ВОПИ 89

2.4.2 Покрытие оправы ВОПИ 89

2.4.2.1 Подготовка поверхности детали к покрытию 90

2.4.2.2 Покрытие 91

2.5 Изготовление оправы линзы 92

2.6 Сборка оптического элемента 92

2.7 Контроль 94

2.8. Расчёт трудоёмкости изготовления радиатора из сплава алюминия АЛ9 фары ВАЗ 2172 95

3. Организационно-экономическая часть 98

3.1 Организация опытно-конструкторских работ (ОКР) проектируемой противотуманной фары с плоским светодиодом для автомобилей ВАЗ 2172. 98

3.1.1 Анализ работ выполняемых при ОКР. 98

3.1.2 Метод сетевого планирования и управления ОКР. 102

3.1.3 Основные правила построения сетевых моделей: 103

3.1.4 Оптимизация сетевого графика. 107

3.1.4.1 Оптимизация сетевого графика первым способом: 107

3.1.4.2 Оптимизация сетевого графика вторым способом 108

3.2 Расчет себестоимости проектируемой противотуманной фары 114

3.3 Расчет экономической эффективности проектируемого изделия 120

3.4 Вывод 121

4. Безопасность жизнедеятельности  и окружающей среды 122

4.1. Актуальность вопросов безопасности и защиты окружающей среды. 122

4.2 Анализ обеспечения безопасности технологического процессаизготовления фар 123

4.3 Мероприятия по обеспечению безопасной воздушной среды в производственном помещении при изготовлении фар. 127

4.4 Светильники, устанавливаемые в производственных помещениях. 129

4.4.1. Расчет искусственного освещения участка сборки 130

4.5.  Мероприятия по снижению шума. 132

4.6 Выполнение требований по нормированию вибрации 135

4.7 Средства пожаротушения применяемые в помещенияхпо производству фар. 136

4.8 Нормирование качества воды. 140

4.9 Вывод 144

Список используемой литературы 145

Приложения 146


Введение 

Анализ тенденций развития систем освещения авто и мототранспортных средств и сельскохозяйственных машин свидетельствует о том, что основные усилия фирм-изготовителей осветительных приборов направлены на уменьшение габаритов и, соответственно, массы приборов, т.е. параметров, обеспечивающих за счет улучшения аэродинамических и весовых характеристик повышение топливной экономичности транспортного средства (до 0,15 л на 100км за счет аэродинамики и до 0,08 л на 100км пробега при снижении массы на 0,35 кг). При этом отмечаются лишь незначительные улучшения светотехнических характеристик осветительных приборов, о чем свидетельствуют практически неизменные на протяжении 30 лет нормативы.

Отмеченные тенденции обычно реализуются за счет использования более эффективных светооптических схем (фары со свободной поверхностью отражателя, проекторные фары) и увеличения мощности традиционных источников света, либо за счет использования металлогалогенных источников света, потребляющих меньшую мощность, но обладающих повышенной световой отдачей, а также широким использованием в конструкции осветительных приборов пластмассовых деталей.

Реализация перечисленных путей совершенствования приборов системы освещения привела к появлению на рынке нового поколения фар, однако, наряду с несомненными достоинствами, для этого поколения характерны и существенные недостатки.

В первую очередь, это возрастание мощности источников света, что, в свою очередь, влечет за собой увеличение мощности генератора, и, как следствие, рост его массы, стоимости и расхода горючего при критических режимах эксплуатации транспортного средства (холостой ход).

Во-вторых, часто наблюдается рост стоимости приборов систем освещения. Так, применение металлогалогенных источников света, дорогих из-за необходимости использования в схеме ее питания пускорегулирующей аппаратуры, влечет за собой необходимость оснащения фар ближнего света автоматическим корректором светового пучка, вследствие предельно высокого градиента освещенности в вертикальной плоскости, что, в свою очередь, приводит к увеличению потребляемой мощности.

В-третьих, уменьшение рабочего объема фар при относительно высоком значении мощности источника света приводит к необходимости использования конструкционных термостойких пластмасс, которые не только дорогие сами по себе, но и обладают худшими технологическими свойствами по сравнению с обычными пластмассами.

Наконец, разнородность конкурирующих решений привела к полной разунификации конструкций фар не только по габаритным и присоединительным размерам, но и по типу используемых фар даже в пределах системы освещения для одного транспортного средства. Так, например, весьма часто совмещение в одном блоке фар легкового автомобиля и мотоцикла проекторной фары ближнего света и прожекторной - дальнего.

Подводя итог сказанному, можно утверждать, что ни один из известных вариантов исполнения приборов системы освещения не решает всего комплекса проблем внешних осветительных приборов транспортных средств, при относительно невысокой стоимости изделий этого класса.

Последним словом техники в развитии осветительных устройств автомобилей стало применение принципиально новых источников света – светодиодов.

История создания светодиодов.

В 1907 году английский инженер Х.Д. Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Всерьез же заинтересовался этим физическим явлением и попытался найти ему практическое применение Олег Владимирович Лосев.

Обнаружив в 1922 году, во время своих ночных радиовахт, свечение кристаллического детектора, этот тогда ещё 18-летний радиолюбитель не ограничился констатацией факта, а незамедлительно перешёл к оригинальным экспериментам. Стремясь получить устойчивую генерацию кристалла, он пропускал через точечный контакт диодного детектора ток от батарейки. Лосев писал: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение, при токе через контакт всего 0,4 мА... Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света».

Весь мир заговорил об «эффекте Лосева», на практическое применение которого, изобретатель успел получить, до своей гибели в 1942 г., четыре патента.

В 1951 г. центр по разработке «полупроводниковых лампочек», действующих на основе «эффекта Лосева», был создан в Америке, где его возглавил К. Леховец. В исследовании проблем, связанных со светодиодами, принял самое деятельное участие и «отец транзисторов» физик В. Шокли.

Вскоре выяснилось, что германий (Ge) и кремний (Si), на основе которых делаются полупроводниковые триоды (транзисторы), бесперспективны для светодиодов из-за слишком большой «работы выхода» и, соответственно, слабого испускания фотонов на p-n-переходе. Успех же сопутствовал монокристаллам из сложных композитных полупроводников - соединений галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (Р), индия (In), алюминия (Аl) и других элементов.

Однако реализованы на практике эти идеи были лишь в 60...70-е годы, после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений фосфида (GaP) и арсенида (GaAs) галлия и их твёрдых растворов. В итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент новой отрасли техники - оптоэлектроники.

Первые, имеющие промышленное значение, светодиоды с красным и жёлто-зелёным свечением были созданы в 60-е годы на основе структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком (США). Внешний квантовый выход был не более 0,1%. Длина волны излучения этих приборов находилась в пределах 500...600 нм - области наивысшей чувствительности человеческого глаза, - поэтому яркость их жёлто-зелёного излучения была достаточной для целей индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1...2 лм/Вт.

Дальнейшее совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям - увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения.

Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Попытки реализовать синие и зелёные светодиоды и лазеры были связаны с использованием кристаллов нитрида галлия GaN и селенида цинка ZnSe.

Исследования свойств нитридов элементов группы III (A1N, GaN, InN) и их сплавов, представляющих собой широкозонные полупроводники с прямыми оптическими переходами, позволили заключить, что они являются наиболее перспективными материалами для изготовления свето- и лазерных диодов, излучающих во всей видимой и ультрафиолетовой (240...620 нм) областях спектра.

Основной причиной, препятствовавшей получению высококачественных пленок GaN, было отсутствие подходящих подложек, параметры решётки и коэффициент теплового расширения которых соответствовали бы GaN. Долгое время такие плёнки выращивали на сапфире, достоинствами которого являются лишь термическая стойкость и возможность очистки перед началом роста. Другая проблема - получение кристаллов р-типа. Первые работы в этом направлении были начаты ещё в 60-е годы XX века, однако все попытки надёжно внедрить элементы группы II (Mg, Zn, Be) как примеси замещения, которые бы действовали как акцепторы, завершились неудачей.

В 1986 году И.Акасаки получил пленки GaN высокого качества. А в 1989 году изучая под электронным микроскопом легированную Mg плёнку GaN, Акасаки и Амано обнаружили свечение образца после бомбардировки электронами. Завершив электронно-микроскопические исследования, они установили, что образец приобрёл проводимость р-типа, и связали это с воздействием электронного пучка на плёнку, способствовавшим замещению атомов Ga атомами Mg.

К тому времени большинство исследователей прекратили работать с GaN. Но эти работы не оставил без внимания Шуджи Накамура (Shuji Nakamura) из фирмы Nichia Chemical, который и совершил прорыв в изготовлении голубых светодиодов. Узнав о важном достижении Акасаки по получению материала р-типа, Накамура быстро воспроизвел этот результат, но при этом заметил, что облучение образца электронным потоком приводило к небольшому его нагреву, и предположил, что наблюдавшийся эффект мог быть просто результатом влияния температуры. Подвергнув образец отжигу в атмосфере азота, он обнаружил, что его сопротивление понизилось, и таким образом выяснил, что эффект был не следствием обработки пучком электронов, а результатом прогрева.

Свой первый синий светодиод Накамура изготовил 28 марта 1991 года. Он оставил диод включённым, когда уходил домой, а после бессонной ночи, придя рано утром в лабораторию, увидел, что диод ещё светит. И хотя излучение было не очень ярким, это была победа.

Два с половиной года спустя, после многочисленных улучшений, Накамура изготовил диоды, излучавшие с силой света 1000 мккд, а ещё через шесть месяцев компания объявила о выпуске 2000-мккд диода, который излучал настолько ярко, что на него больно было смотреть. 29 ноября 1993 года компания Nichia Chemical Industries объявила, что завершила разработку голубых светодиодов на основе GaN и планирует приступить к их массовому производству.

Вскоре после этого за счёт увеличения концентрации In в активном слое был изготовлен зелёный светодиод, излучавший с силой света 2 кд. Он состоит из 3-нм активного слоя InGaN, заключённого между слоями p-AlGaN и n-GaN, выращенными на сапфире. Такой тонкий слой InGaN сводит к минимуму влияние рассогласования решёток: упругое напряжение в слое может быть снято без образования дислокаций и качество кристалла остаётся высоким.

В 1995 году при ещё меньшей толщине слоя InGaN и более высоком содержании In удалось повысить силу света до 10 кд на длине волны 520 нм, а квантовую эффективность до 6,3%, причём измеренное время жизни светодиодов составляло 50 000 ч, а по теоретическим оценкам - более 150 лет.

На сегодняшний день внешний квантовый выход излучения светодиодов на основе GaN и его твёрдых растворов (InGaN, AlGaN) достиг значений 29/15/12% соответственно для фиолетовых/голубых/зелёных светодиодов; их светоотдача достигла значений 30...50 лм/Вт. Внутренний квантовый выход для «хороших» кристаллов с мощным теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих 35%. Внешний квантовый выход излучения жёлтых и красных светодиодов на основе твёрдых растворов AlInGaP достиг значений 25...55%, а светоотдача соответственно достигла 100 лм/Вт, т.е. сравнялась со светоотдачей лучших современных люминесцентных ламп.

 Устройство и работа светодиода.

Светодиод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным p-n-переходом или контактом «металл — полупроводник», генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое (видимое) излучение. Напомним, что p-n-переход — это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий соединенные вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов — «n-тип», второй с избытком дырок — «p-тип»). Если к p-n-переходу приложить «прямое смещение», то есть подсоединить источник электрического тока плюсом к p-части, то через него потечет ток.

Интересно то, что происходит после того, как через прямо смещенный p-n-переход пошел ток, а именно момент рекомбинации (соединение) носителей электрического заряда — электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны размещаются в положительно заряженных ионах кристаллической решетки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света — фотона.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-перехода в кристалле оказывается недостаточно и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры.

Самая распространенная конструкция светодиода — традиционный 5-миллиметровый корпус (см. рисунок 1). Это не единственный вариант «упаковки» кристалла. На рисунке 2 показан сверхмощный светодиод.

Рисунок 1. Конструкция 5-миллиметрового светодиода

Рисунок 2. Конструкция сверхмощного светодиода

Светодиод имеет два вывода — анод и катод. На катоде расположен алюминиевый параболический рефлектор (отражатель). Внешне он выглядит, как чашеобразное углубление, на дно которого помещен светоизлучающий кристалл. Активный элемент — полупроводниковый монокристалл — в большинстве современных светодиодов используется в виде кубика (чипа) размерами 0,3x0,3x0,25 мм, содержащего р-n или гетеропереход и омические контакты. Кристалл (рисунок 3) соединен с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки. Оптически прозрачный полимерный корпус, являющийся одновременно фокусирующей линзой вместе с рефлектором, определяет угол излучения (диаграмму направленности) светодиода.

Что касается яркости светодиода, то для нее далеко не безразлична и оптическая прозрачность n-области (сверхтонкие пленки полупроводников вполне прозрачны). Ну а цвет (частота) излучения, имея четкую функциональную связь с энергией испускаемых фотонов, зависит от материалов полупроводниковых р-n-переходов. В частности, чистый монокристалл GaAs дает инфракрасный луч, небольшая добавка А1 и/или Р меняет цвет излучения на красный. Зеленый свет испускает GaP. Использование же р-n-перехода на основе композиции AlInGaP позволяет получать желтое или оранжевое излучение.

Рисунок. 3. Конструкция кристалла сверхмощного светодиода.

Работая, одиночный светодиод потребляет очень небольшую энергию: при напряжении 2-4 В и токе 10-30 мА электрическая мощность варьируется от 20 до 120 мВт. При КПД в 5-25% в виде света излучается 1-30 мВт (сила света 1-30 кд). Для сравнения — миниатюрная лампа накаливания работает при напряжении около 12 В и токе 50-100 мА.

В отличие от ламп накаливания, светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20-50 нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют «квазимонохроматическим». Как источники «цветного» света светодиоды давно обогнали лампы накаливания со светофильтрами. Так, световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего 3 лм/Вт, в то время как красные светодиоды сегодня дают 30 лм/Вт и более. Например, новейшие приборы Luxeon производства американской компании Lumileds (совместное предприятие Agilent Technologies и Philips Lighting) обеспечивают 50 лм/Вт для красной и даже 65 лм/Вт для оранжево-красной части спектра. Впрочем, и это не рекорд — для желто-оранжевых светодиодов планка 100 лм/Вт уже взята.

Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне.

Белые светодиоды.

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB-круг» и дало возможность получения СИД белого света.

На сегодняшний момент существует три способа получение белого света с помощью светодиодов: смешивание в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего све-тодиодов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды разных цветов, так и 3-кристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе.

На рисунке 4 показано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.

Рисунок 4. Схема получения белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.

Основой более дешевого и распространенного способа получения светодиода белого света является полупроводниковый кристалл структуры InGaN, излучающий на длине волны 460-470 нм (синий цвет) и нанесенный сверху на поверхность кристалла люминофор на основе YAG (иттрий-гадолиниевых гранатов, активизированный Се3+), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части спектра.

Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Такие светодиоды намного дешевле 3-кристальных, обладают хорошей цветопередачей, а по светоотдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания (7-10 лм/Вт).

На рисунке 5 показано строение 5-миллиметрового светодиода, излучающего белый свет.

Еще один метод получения белого света — возбуждение 3-слойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра (УФ-СИД).

Рисунок 5. Конструкция белого 5-миллиметрового светодиода.

На рисунке 6 показано получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора.

Рисунок 6. Схема получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки таких светодиодов таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и, наконец, в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Промышленность на данный момент выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.

Как уже упоминалось, строение светодиода не ограничивается стандартным 5-мм корпусом и определяется мощностью излучения и прямым током, проходящим через диод. Световой поток, излучаемый светодиодом, напрямую зависит от прямого тока, протекающего через светодиод. Чем больше ток, тем ярче светит светодиод. Это связано с тем, что чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

Сверхяркие светодиоды.

С момента своего появления, светодиоды проделали длинный путь технологического развития. В последние годы, были разработаны яркие светодиоды в широком диапазоне цветов, который теперь включает белый. Это в свою очередь, открыло массу новых применений для светодиодов в качестве источника света со своей собственной нишей рынка, известной как «светодиоды высокой яркости» (HB LEDs). Существует два типа сверхярких светодиодов с использованием определенных полупроводниковых материалов. На основе AlInGaP (фосфидов галлия-индия-алюминия) создают красные, оранжевые, желтые и зеленые светодиоды высокой яркости. Другой материал — InGaN , позволяет создать синий, сине-зеленый, чистый зеленый и, совместно с желтым фосфором, белый цвет.

Преимущества светодиодов использования светодиодов.

Большой срок использования. Отсутствие нити накала благодаря нетепловой природе излучения светодиодов обусловливает огромный срок службы. Средний срок службы светодиодов составляет до 100 тысяч часов, или 11 лет непрерывной работы, – срок, сравнимый с жизненным циклом многих осветительных установок.

Прочность. Отсутствие стеклянной колбы определяет очень высокую механическую прочность и надежность.

Безопасность. Малое тепловыделение и низкое питающее напряжение гарантируют высокий уровень безопасности.

Быстродействие. Безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие.

Сверхминиатюрность и встроенное светораспределение определяют другие, не менее важные достоинства. Световые приборы на основе светодиодов оказываются неожиданно компактными, плоскими и удобными в установке.

Электрические характеристики.

Электрические характеристики светодиодов очень важны по двум причинам. Во-первых, светодиод должен работать в правильном режиме, чтобы полностью реализовать свой ресурс; во-вторых, яркостью светодиодов можно легко управлять, а если применять смешение цветов, таким же легким становится управление цветом прибора, в состав которого входят светодиоды разных цветов.

Вольтамперная характеристика. Полную информацию о поведении светодиода дает его вольтамперная характеристика. В случае обратного включения светодиода через него протекает малый ток утечки Ioбр, светодиод при этом не излучает света. Обратное напряжение, приложенное к светодиоду, не должно превышать предельно допустимого обратного напряжения Uобр, иначе возможен пробой p-n перехода. Очень важно, чтобы ток, протекающий через светодиод, не превышал предельно допустимый прямой ток Iпр п.д., в противном случае светодиод выйдет из строя.

Параметры светодиодов.

Светодиоды, выпускаемые различными фирмами в весьма широком ассортименте, изготавливаются на основе твердых растворов арсенидов галлия-алюминия AlGaAs (светоотдача промышленных образцов 10 лм/Вт, отношение излучаемой мощности к потребляемой — КПД ~ 10%), фосфидов галлия-индия-алюминия Al-InGaP (светоотдача - 20 лм/Вт, КПД-3%), нитрида галлия GaN (светоотдача - 3...8 лм/Вт, КПД 3…4%).

На графике приведена зависимость относительной интенсивности излучения от длины волны для светодиодов красного, зеленого и синего цветов ( см. рисунок 7).

Следует отметить, что данные приведены не в полном объеме: производятся светодиоды различных модификаций по длине волны излучения или координатам цветности (Rank, Bin или Color Coordinates), излучающие вблизи основной длины волны. Так» фирма Nichia выпускает сине-зеленые светодиоды типа NSPE четырех модификаций, пиковая длина излучения которых меняется от 490 до 510 нм.

Рисунок 7. Зависимость относительной интенсивности излучения от длины волны светодиода.

С учётом этого, можно утверждать, что современная номенклатура светодиодов полностью перекрывает видимый диапазон спектра излучения.

Основные светотехнические характеристики светодиодов: осевая сила света, пространственное распределение излучения (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Пространственное светораспределение светодиодов в зависимости от угла излучения светодиода.

К электрическим параметрам светодиодов, в первую очередь, относится: прямой ток и напряжение зависимость между которыми для некоторых типов светодиодов приведена на графиках (см. рисунок 9).

Рисунок. 9. Вольт-амперная характеристика светодиода.

Высокая надежность — одно из основных достоинств светодиодов. В настоящее время подробно изучены причины, виды и механизмы отказов светодиодов, разработаны методы расчетов надежности и ускоренных испытаний. Расчеты показали, что вероятность безотказной работы светодиодов после 10 0000 часов эксплуатации составляет при температуре +45°С 98,91%.

Расчетное время безотказной работы светодиодов при +30°С составляет 42 года, ускоренные испытания дали результат 36 лет.

Изучение ухудшения светового потока светодиодов в процессе эксплуатации показало, что при токе 30 мА в течение 8000 часов произошло уменьшение светового потока на 8,5% при температуре +55°С и на 13,3% при температуре  -40°С, при эксплуатации светодиодов уменьшение силы света при повышенной температуре +55°С и токе 50 мА составило 20% через 15 000 часов, при этом прогнозируемое уменьшение силы света в таких экстремальных условия не превысит 25% через 10 000 часов.

Стоимость аппаратуры на светодиодах в среднем больше в 2...4 раза стоимости аппаратуры на традиционных источниках света, однако за счет уменьшения эксплуатационных расходов на обслуживание, увеличения долговечности (100 000 часов), срока службы (15-25 лет), полной совместимости с любыми первичными источниками электропитания применение светодиодов экономически оправдано.

В связи с выше сказанным, применение, в перспективе, светодиодов в светосигнальной аппаратуре для автомобилей, получит широкое распространение: это габаритные огни, сигналы поворота, заднего хода, т.е. все световые сигналы красного (оранжевого), желтого и белого цвета для наружного освещения и приборы внутреннего освещения. Светодиоды в настоящее время уже применяются практически во всех типах фонарей дополнительного сигнала торможения.

По этой причине снижение аварийности и повышение безопасности может быть достигнуто, в частности, путем коренного совершенствования этой аппаратуры.

В применяемой в настоящее время автомобильной системе освещения используются традиционные источники света. Они имеют долговечность до 3000 часов (в зависимости от режимов нагрузки) и характеризуются светоотдачей (неотфильтрованное излучение) от 8 -15 лм на 1 Вт потребляемой электрической мощности.

Низкая надежность и большое энергопотребление системы освещения, используемой в настоящее время, требуют разработки и организации производства аппаратуры нового поколения с существенно лучшими технико-экономическими характеристиками.

Преимущество СИД состоит в их надежности, низкой энергоемкости, быстрорастущей эффективности, малых габаритах и хороших световых характеристиках. Исходя из всего этого, можно говорить об идеальном источнике света, у которого всего один недостаток - его высокая стоимость по сравнению с традиционными источниками. Но цена постоянно снижается и, вполне возможно, что уже в ближайшем будущем СИД станут основными источниками света в автомобильной светотехнике.

Применение светодиодов в автомобилях.

Сегодня одна из самых перспективных сфер применения светодиодов — это автомобилестроение. Впервые об использовании светодиодов в автомобилях задумались в конце 1980–х. Но только в 90–х годах автомобили со светодиодным наружным и внутренним освещением стали сходить с конвейеров крупнейших автомобильных концернов. Первый шаг в этом направлении сделала компания Hewlett–Packard, создав светодиодную лампу для освещения салона автомобиля. С тех пор в мировом автомобилестроении начался настоящий светодиодный бум. Сначала, правда, эти источники света использовались лишь на самых дорогих машинах представительского класса — таких как Mercedes–Benz, BMW, Audi. Но сегодня светодиоды проникли и в массовые классы машин — Volkswagen, Mitsubishi, Toyota активно оснащают светодиодами свои модели.

Задние фонари получили светодиоды одними из первых. Преимущества диодных источников света в этом качестве очевидны — они светят ярче, чем обычные лампы накаливания, и потому их использование серьезно повышает безопасность передвижения. Кроме того, светодиоды более долговечны, надежны и потребляют меньше энергии. А в стоп–сигналах светодиоды реагируют на нажатие тормозной педали раньше, чем лампочки накаливания, что может помочь предотвратить удар сзади на высокой скорости.

Светодиоды начинают активно использовать и в передних фарах автомобилей. Уже многие концепт–кары могут похвастаться тем, что дорогу спереди им освещают мощные диодные источники. Например, на концепт–каре Audi Le Mans головной свет обеспечивают 34 светодиодных модуля. Причем в повороте и при маневрировании электроника активирует дополнительные светодиоды на внешней границе фары, и прежде «слепые» участки дороги оперативно освещаются.   Наконец, светодиоды в автомобилях — это новые возможности для автомобильных дизайнеров. Маленькие, легко помещаемые в любое место лампочки уже сейчас позволят создавать автомобильные фары в виде причудливых линий и форм. Так, на том же концепт–каре Audi Le Mans габаритные огни и стоп–сигналы представляют собой стильную и оригинальную комбинацию из светодиодных кругов и колец.


1. Конструкторская часть

Противотуманные фары, создают освещение для езды в тумане, снегопаде, облаках пыли и других тяжелых условиях. Они характеризуются низким расположением и специальным светораспределением: световой пучок этих фар имеет весьма широкий угол рассеяния - от 70 до 90 градусов, и резко ограничен горизонтальной плоскостью проходящей через центр фары, чтобы избежать освещения частицы тумана выше этой плоскости. Противотуманные фары часто снабжаются желтым рассеивателем, срезающим фиолетовую и голубую части спектра, в очень легких влажных или пылевых туманах, диаметр частиц которых соизмерим с длиной световых волн, обнаруживается селективное поглощение и лучи с большей длиной волны лучше проникают через туман. В обычных влажных туманах, диаметр капелек значительно больше длины световых волн и доходит до 10 мкм, поэтому в странах, в которых преобладают средние и густые туманы, применяются, как правило, белый свет противотуманных фар.

Применение противотуманных фар полезно и при нормальной прозрачности атмосферы для освещения крутых поворотов, например на горных дорогах, магистралях и трассах сплохой освещенностью, или при въезде в ворота.

1.1 Источники света

1.1.1 Лампы накаливания 

Рис . 1.1 Вакуумная лампа накаливания

Самые простые из всех существующих ныне приборов автомобильного освещения – это классические лампы накаливания (см. рисунок 1.1), сменившие на автомобиле в начале прошлого века пропановые горелки. Свой нынешний вид их и с тех пор сохраняется сложившийся стандарт. Прежде всего это неизменная для всех ламп накаливания заполненная вакуумом герметичная стеклянная колба, где располагается вольфрамовая нить.

1.1.2 Галогеновые лампы 

Рисунок 1.2 Двухнитевая галогеновая лампа стандарта H4

Галогеновые лампы (см. рисунок 1.2) – это, в сущности, все та же классическая лампа накаливания, а точнее ее усовершенствованная разновидность. При сохранении общей конструкции (колба, нити, экран) наполнение у этой лампы немного другое: вместе с инертным газом в изготовленную из тугоплавкого прочного стекла колбу под давлением вводятся дополнительные химические элементы – галогены (отсюда и название), как правило, пары брома или йода. Такое наполнение позволило, прежде всего, повысить температуру нити накаливания, отчего появилась возможность существенно увеличить светоотдачу – если у обычных ламп она составляет порядка 15 лм/Вт, то для галогенных ее уровень более 25 лм/Вт, что выше на 66%, причем спектр галогенных ламп оказался ближе к спектру дневного света. Последнее позволяет разработчикам без ущерба для яркости создавать путем напыления на стекло колбы специальных составов лампы различных цветовых решений. И таким образом сегодня производятся галогеновые лампы в самой широкой гамме оттенков света: золотисто-желтые, бело-желтые, белые, бело-голубые, бело-зеленые – на любой вкус. При этом, по сравнению с обычной лампой, у галогеновой лампы в среднем в 1.5-2.5 раза повысился ресурс, поскольку испаряющийся вольфрам спирали вступает в соединение с галогенами, которое в свою очередь распадается таким образом, что вольфрам частично возвращается на спираль. И наконец, на галогеновых лампах проявилась и забота об окружающих – лампы для современных фар с пластиковым рассеивателем, через который проходит вредный ультрафиолет. По требованию европейских стандартов они изготавливаются из стекла, не пропускающего часть спектра излучения (маркировка "UV-Blоck" или "UV-Stop").

Повышение температуры нити вместе с увеличенной светоотдачей привело и к непосредственному увеличению температуры прибора, что отнюдь не полезно для рассеивателя и отражателя фары. Это напрямую ставит галогенную лампу в зависимость от качества изготовления, когда даже небольшая технологическая оплошность сильно влияет на ее надежность. Имея повышенную яркость, ГЛ лампы требуют правильной установки экрана и фокусировки нитей, иначе даже при ближнем свете встречные водители могут быть ослеплены.

1.1.3 Газоразрядные лампы

Рисунок 1.3 Газоразрядная ксеноновая лампа

Сейчас на современный автомобиль пришла газоразрядная лампа - "ксеноновая лампа" (см. рисунок 1.3). В ней, в отличие от лампы накаливания, свет образуется совершенно по-иному: его получают не путем разогрева электротоком нити, которая, раскаляясь, начинает светиться, а принципиально другим способом – электрическим разрядом между электродами. Отсюда и техническое название ксеноновой лампы – газоразрядная, английская аббревиатура "HID" (High Intensity Discharge). Конструктивно HID-лампа представляет собой герметичную колбу из термостойкого стекла, заполненную под давлением смесью инертных газов, включающих ксенон, где на расстоянии помещаются два электрода, через искровой промежуток.К бортовой сети каждая лампа подключается через специальный "запальный" блок – контроллер, поскольку, чтобы инициировать между электродами электрический разряд, испускающий свет, необходимы "стартовые" импульсы высокого (до 25 000 В) напряжения, и, соответственно, устройство, способное генерировать эти импульсы. Для устойчивой работы используют генератор импульсов с частотой 600Гц. Поскольку HID-лампа может иметь только один разрядный промежуток, то для разделения потока на "ближний" и "дальний" свет в современных системах, получивших название "биксеноновых", каждая фара снабжается также специальным подвижным экраном с шаговым сервоприводом. Он, занимая определенное положение, управляет формой светового потока. Либо подвижной делается сама лампа, поочередно занимающая фокус ближнего или дальнего света внутри отражателя. Новый метод получения света дал возможность сделать фары гораздо более яркими и вместе с тем снизить энергопотребление: светоотдача газоразрядной лампы составляет порядка 65 лм/Вт против 25 лм/Вт у ГЛ лампы накаливания при потребляемой мощности в 35 Вт против 55 Вт у галогеновой лампы. Отсутствие у газоразрядных ламп перегорающих спиралей приводит к значительнейшему росту срока их службы, составляющему около 4000 часов, что в среднем в 10 раз больше срока службы галогеновой лампы.

Рисунок 1.4 Сравнительная характеристика освещенности

На рисунке 1.4 показаны сравнительные характеристики фар ближнего света с применением ксеноновой лампы и стандартной галогеновой лампы. Основными недостатком "ксенонового света" можно отметить следующее: сложность его устройства и высокая цена. Вообще, принцип "чем проще – тем лучше" более приложим к механизмам, нежели к электронике, все прогрессивное развитие которой в целом идет по пути усложнения ее устройств и алгоритмов работы. Это, как правило, способствует повышению ее надежности при условии точного соблюдения технологии изготовления. В отличие от галогеновых ламп накаливания, которые можно выбрать и поставить самому, сложный "ксеноновый  свет”  необходимо ставить в сервис-центре или на станции специализированной фирмы, поскольку для "ксенона", как для особо яркого и способного сильно слепить встречных, нужна тщательная регулировка фар, которую сразу на СТО и сделают.  На ряду с выше перечисленным, ГЛ имеют еще один существенный недостаток-спекр излучения(470Нм),несоответствующий максимальной чувствительности человеческого глаза (555 Нм).По закону Релея интенсивность рассеиваемого света определяется по формуле 1.1:

Iрасс ~ 1/ 4      1.1

Из этого видно, что уменьшение длинны волны увеличивает рассеяние на микронеровностях - это является весомым недостатком так как приводит к повышенному ослеплению и рассеянию.

1.1.4 Перспективные источники освещения

В течение последнего десятилетия научные достижения в области полупроводниковых технологий дали возможность использовать светоизлучающие диоды (СИД) во многих отраслях промышленности, в том числе и автомобильной светотехнике. Они стали главными конкурентами для традиционных источников света в автомобиле (ламп накаливания, галогенной лампы и т.д.) Первые СИД излучали лишь почти монохромный красный, зеленый или желтый свет, что способствовало постепенной монополизации ими рынка индикаторов. В середине 1990-х годов появились белые и синие светодиоды, и лишь тогда впервые зашла речь о использовании светодиодов  как вероятной альтернативы существующим источникам света.  Благодаря этому их светоотдача очень высока. Для получения аналогичного по яркости света светодиод затрачивает на 80 с лишним процентов меньше  мощности, чем лампа накаливания. Немаловажно, что светодиоды имеют светоотдачу (отношение яркости к затраченной мощности) – до 300 люмен/Вт, а так же способны достигать большой цветовой температуры, сравнимой с характеристиками газоразрядных ксеноновых HID-ламп, что делает их потенциальными источниками света и для головной оптики автомобилей. Светодиоды не имеют  изнашиваемых элементов конструкции. Они влаго и пыленепроницаемые, не подвержены вибрации. Все это делает их весьма долговечными ( 20- 50 тыс.часов).  Но  это не в пример выше других ламп. В отличие от электроразрядных источников света, светодиоды не требуют для своей работы никаких дополнительных пусковых устройств, что весомо облегчает работу с ними, но стоит отметить, что для устойчивой работы светодиодов ток необходимо стабилизировать. Для этого применяют  стабилизаторы. Но эти устройства куда проще балластов газоразрядных ламп. Миниатюрный их размер позволяет воплощать практически любые дизайнерские идеи. А тот факт, что светодиоды – это низковольтный электроприбор (до 15 В, до5 А), делает работу с ними безопасной. Еще один важный момент. Газоразрядные лампы  для начала работы требуют некоторое время. Даже обычным лампам накаливания для того, чтобы нить накалилась и стала выдавать необходимый свет, требуется время. Светодиоды же срабатывают на 0,2 секунды быстрее. Преимущество СИД состоит в их надежности, низкой энергоемкости, быстрорастущей эффективности, малых габаритах и хороших световых характеристиках. Исходя из всего этого, можно говорить о высокоэффективном источнике света, у которого весомый недостаток - его высокая стоимость по сравнению с традиционными источниками.  Уже сегодня предлагается несколько типов построения оптической схемы фар на светодиодах.

1.2 Характеристики светодиодов. 

1.2.1 Яркость.

Первые поколения белых светодиодов имели очень низкую яркость (0,8 кд/мм при температуре перехода 25 °С). Если сравнивать с традиционными источниками света, то световой поток галогенной лампы Н7 -  21 кд/мм газоразрядной лампы 62 кд/мм . Яркость это слабое место светодиодов. Для получения хорошего значения ближнего света, необходимо максимальное значение интенсивности 22 000 кд. Для соответствия требованиям, минимальная площадь освещаемой поверхности должна быть 130 см. Последние новинки полупроводниковой технологии показывают существенное увеличение этой характеристики (от 3 до 9 кд/мм), поэтому уже вполне возможно использовать их для головного света.

 1.2.2 Эффективность.

При использовании светодиодных фар энергопотребление уменьшается. В 2005 г. эффективность 1Вт светодиода достигает 60 лм/Вт, а 2 ВтW приблизительно 50 лм/Вт (см. рисунок 1.5). Сейчас эффективность белого светодиода по данным на 2009 год составляет 130 Лм/Вт. Эффективность галогенной лампы Н7 - 20 лм/Вт, а газоразрядной DXS 90 лм/Вт. Таким образом, эффективность светодиодов превышает эффективность галогенных ламп, газоразрядных ламп, что непосредственно говорит о целесообразности их применения.

Рисунок 1.5  Диаграмма роста эффективности белых светодиодов в период 1990-2010 гг.

1.2.3 Световой поток.

В течение нескольких лет, целью производителей светодиодов было увеличение светового потока. Из-за длинного цикла развития, величина светового потока еще только достигла необходимого значения для применения их в фарах головного освещения.

Суть проекта заключается в подготовке и освоении серийного производства нового поколения фар транспортных средств и сельскохозяйственных машин, представляющего собой типовые унифицированные ряды фар уменьшенных габаритов, светотехнические характеристики которых соответствуют принятым международным стандартам (Правилам № 19 ЕЭК ООН) при использовании принципиально нового типа источников света минимальной мощности.

1.3 Методы формирования светового потока

В современной автомобильной промышленности остается нерешенной проблема формирования и перераспределения светового потока, полученного от источника света. Порой потери на преобразование и перенаправление достигают 38% от общей мощности излучателя.

Рис 1.6 Нормы для света противотуманных фар по Правилу 19 ЕЭК.

Нормы светораспределения противотуманных фар. Светораспределение противотуманных фар различных фирм разнообразно. Общим является низкое расположение этих фар и резкое ограничение лучей, проходящих выше горизонтальной плоскости, проведенной через центр фары. Поэтому нормы светораспределения противотуманных фар, установленные Правилом 19 ЕЭК и приведенные на рис., представляют собой, по-видимому, компромисс, охватывающий характеристики различных существующих конструкций противотуманных фар. Они устанавливают весьма малую силу света в направлениях выше горизонтальной плоскости проходящей через центр фазы; а также регламентируют лишь центральную часть светового пучка в пределах приблизительно ±3° по горизонтали, тогда как световой пучок противотуманных фар имеет широкий угол горизонтального рассеяния до ±45°.

Световой пучок фары может быть сформирован прожекторным или же проекторным способом. Более известный прожекторный способ обеспечивает концентрацию светового потока источника отражателем и его перераспределение в соответствии с заданным режимом освещения рассеивателем. Для концентрации светового пучка при таком методе формирования применяется параболоидный отражатель с круглым или же прямоугольным (усеченным) отверстием.

В качестве преломляющих элементов применяются цилиндрические, сферические и эллипсоидные линзы, призмы и линзы-призмы. В зависимости от преломляющей структуры рассеивателя добиваются как перемены формы светового пучка, так и силы света во всевозможных направлениях светораспределения.

Формирование важной структуры светового пучка обеспечивается тоже изменением положения тела накала сравнительно фокальной точки отражателя.

Отраженные от параболоида лучи идут узким пучком параллельно оптической оси, в случае если в фокусе F отражателя помещен точечный источник света. Нить накала лампы имеет конечные размеры. Технологически нельзя обеспечить точную геометрическую форму параболоида отражателя и у него вместо фокуса имеет место фокальная область. В следствии этого в фарах отраженные лучи представляют собой слабо расходящийся пучок света.

Но нельзя забывать о том,  что при формировании светового пучка в современных проекторных системах освещения часто используют экран, с помощью которого лишнюю часть светового потока усекают, что в свою очередь позволяет добиться требуемой картины светораспределения, однако этот способ имеет существенный недостаток – часть светового потока не используется, этим и обусловлен большой процент потерь.

Технологии идут вперед, российскими учеными разработана принципиально новая система формирования светораспределения. Ее основу составляет применение в качестве сегмента системы светопреобразования фокона – волоконнооптического конвертора.

Оптическое волокно состоит из световедущей сердцевины, окруженной оболочкой, у которых разные показатели преломления.

Оба элемента производятся из кварцевого стекла с высокой степенью очистки. Полученное в процессе вытяжки оптическое волокно затем покрывается одним или двумя слоями защитного пластикового покрытия, распространенным материалом для которого является акрилат. От покрытия зависит прочность волокна. В основе распространения света по сердечнику лежит принцип полного внутреннего отражения, который реализуется за счет того, что коэффициент преломления сердечника выше коэффициента преломления оболочки.

Оптическое волокно  представляет собой цилиндр из легированного кварцевого стекла. Для передачи сигналов используются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Название волокна получили от способа распространения излучения в них. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч - одна мода (см. рисунок 1.7)

Рисунок 1.7

В многомодовом волокне размер световодной жиды порядка 50-60мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод) (см. рисунок 1.8).

Рисунок 1.8

Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а на рассеяние – от неоднородностей показателя преломления материала (см. рисунок 1.9)

Рисунок 1.9 Зависимость затухания от длинны волны)

Другой важнейший параметр оптического волокна – дисперсия. Дисперсия – это рассеяние во времени спекртальных и модовых составляющих оптического сигнала. Существует три типа дисперсии:

модовая дисперсия – присуща многомодовому волокну и обусловлена наличиембольшого числа мод, время распространения которых различно.

материальная дисперсия – обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

волноводная дисперсия – обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Среди геометрических параметров ОВ выделяют параметры  кварцевого световода и параметры покрытия. Первые являются наиболее существенными и определяют тип световода. Наиболее важный параметр ОВ - диаметр сердцевины, поскольку геометрические размеры и профиль показателя преломления сердцевины определяют модовый состав ОВ. Под диаметром сердцевины понимают диаметр центральной области ОВ с высоким значением показателя преломления. Под диаметром сердцевины понимают диаметр по уровню 0.1 от максимального значения коэффициента преломления (на оси ОВ). Структура ОВ с указанием типичных параметров показана на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 Структура оптического волокна

К оптическим параметрам ОВ отнесем следующие характеристики:

- коэффициент (показатель) преломления сердцевины и оболочки

- разность показателей преломления

- относительная разность показателей преломления

- групповой показатель преломления, эффективный групповой показатель преломления

- профиль показателя преломления

- диаметр модового поля (для ООВ)

- числовая апертура, длина волны среза (для ООВ)

Коэффициент преломления является одной из основных физических характеристик оптических сред и равен корню квадратному из относительной диэлектрической проницаемости среды для электромагнитных волн оптического диапазона. Естественно, показатель преломления зависит от химического состава вещества и имеет различное значение для разных длин волн распространяющегося света. Так для чистого кристаллического кварца в диапазоне длин волн 185 - 3000 нм показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей меняется от1.676 до 1.499 и от1.689 до 1.507 соответственно.

В оптических волокнах применяется плавленый кварц, а необходимый показатель преломления достигается путем легирования кварца. Типичные значения показателя преломления лежат в диапазоне 1.46 - 1.47. При этом отличие показателя преломления сердцевины от показателя преломления оболочки составляет порядка 1% для многомодовых ОВ и менее 0.4% для одномодовых. Общепринятые обозначения для показателя преломления сердцевины - n1, оболочки - n2. Разность показателей преломления сердцевины n1 и оболочки n2 имеет типовое значение порядка 0.01 для МОВ, менее 0.004 для ООВ, обозначается Dn и вычисляется по формуле:

Dn = n1 - n2

n1 - максимум показателя преломления сердцевины ОВ,

n2 - показатель преломления оболочки.

Под относительной разностью показателей преломления D понимают величину, равную отношению разности показателей преломления сердцевины и оболочки к показателю преломления сердцевины:

D = (n12 - n22)/2n12 » (n1 - n2)/n1

1.4 Основа проекта 

Основу проекта составляет унифицированный оптический элемент фары транспортного средства принципиально новой конструкции, обеспечивающей реализацию на его базе всех необходимых режимов освещения (дальнего света, ближнего света, противотуманного и рабочего освещения) при достижении минимальных габаритов, массы, потребляемой мощности, а также использовании для изготовления основных конструктивных элементов нетермостойких пластмасс.

1.4.1 Предлагаемая конструкция

Достижение перечисленных свойств оптического элемента обусловлено использованием оригинальной, не имеющей аналогов, светооптической схемы фары, в которой в качестве элемента, определяющего форму и характер светораспределения, используется волоконно-оптический преобразователь изображения.

Предлагаемая для реализации в конструкции унифицированного типового ряда фар светооптическая схема, в общем виде показанная на рисунке 1.11, содержит:

  1. Многокристальный светодиод с повышенной светоодачей, установленный на расстоянии 1 mm от входного торца ВОП;
  2. Волоконно-оптический преобразователь изображения (фокон) с двумя рабочими торцами - входным, имеющим форму светодиодного кристалла, и выходным, имеющим форму, зеркально соответствующую форме, создаваемого фарой светораспределения.
  3. Конденсорной асферической линзы.

При этом волоконно-оптический преобразователь изображения установлен так, чтобы его выходной торец  был расположен в фокальной плоскости асферической линзы (см. рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 Предлагаемая светооптическая схема

Излучение от кристаллов светодиода через защитную линзу диода, установленного непосредственно перед входным торцом ВОП, попадает таким образом на его входной торец, имея форму, соответствующую форме выходной оптики диода, всилу его конструкции, после чего излучение проходит по волокнам волоконно-оптического преобразователя изображения и заполняет его выходной торец. В результате на выходном торце сформируется изображение высокой яркости с конфигурацией границ, зеркально соответствующих границам создаваемого фарой режима светораспределения. Затем, поскольку выходной торец волоконно-оптического преобразователя расположен в фокальной плоскости проецирующей линзы, изображение светлой зоны, сформированное волоконно-оптическим преобразователем на его выходном торце, проецируется на дорожное полотно перевернутым, формируя тем самым заданное формой выходного торца светораспределение.

Для сравнения эффективности работы предлагаемой светооптической схемы следует рассмотреть устройство и работу традиционной проекторной фары с близкими габаритными размерами. Наиболее близкой по внешнему виду и диаметру выходного отверстия линзы является проекторная фара с полиэллипсоидным отражателем фирмы C.E.V. (Италия), светооптическая схема которой с эпюрой светораспределения тела накала источника света, расположенного соосно оптической оси полиэллипсоидного отражателя показана на рисунке 1.12

Рисунок. 1.12

Такая фара содержит:

полиэллипсоидный отражатель 1 с первым единым фокусом 1.1 для всех образующих полиэллипсоидной поверхности и группой переменныхвторых фокусов от 1.2 до l.n для образующих каждой четверти полиэллипсоидной поверхности отражателя 1;

источник света 2 с телом накала 3, расположенном либо соосно оптической оси отражателя 1, либо незначительно поднятым над осью в области первого его фокуса 1.1;

экран Петцваля 4, установленный в области первой фокальной
плоскости 1.1 (в оптимальном варианте несколько смещенным к вершине отражателя) и незначительно опущенным вниз от оптической оси с конфигурацией верхней границы, зеркально совпадающей по форме с формой границы создаваемого фарой режима освещения, т.е. экран устанавливается только при реализации режимов освещения, имеющих ярко выраженную светотеневую границу (ближний свет, противотуманное освещение и т.п.);

Рисунок. 1.13 Светооптическая схема фары традиционной конструкции

корпус 5 с проецирующей конденсорной асферической линзой 6, установленной так, чтобы ее фокальная плоскость 7 совпадала с положением вершины экрана 4 или несколько смещена от него в сторону линзы.

Работает такая светооптическая схема следующим образом (см. рисунок 1.14).

Принцип работы светооптической схемы традиционной полиэллипсоидной фары в режиме "ближний свет"; а- светооптическая схема в аксонометрии; б- ход лучей в конструкции фары ближнего света фирмы C.E.V. - сечение вертикально проецирующей плоскостью; в- ход лучей в конструкции фары ближнего света фирмы C.E.V. - сечение

Рисунок 1.14 Принцип действия традиционной полиэлипсоедной фары

Излучение от тела накала 3 источника света 2 падает на полиэллипсоидный отражатель 1, от которого отражается в направлении группы вторых фокусов от 1.2 до 1 .п, формируя изображение тела накала 3 в соответствующих для каждого из аксиальных сечений полиэллипсоидного отражателя 1 фокальных плоскостях от F1.2 до Fl.n, после чего изображение светлой зоны, сформированное отражателем 1 над экраном 4, проецируется линзой 6. При этом, поскольку положение экрана 4 совпадает с фокальной плоскостью линзы 6 и имеет зеркальную форму границ создаваемого режима освещения, его изображение будет весьма контрастным, а форма границ - соответствующей реализуемому светораспределению.

Сравнительный анализ двух вариантов конструкции при использовании источников света одинаковой мощности, например, лампы категории Н8 мощностью 35W, показывает возможность достижения более высоких значений светотехнических параметров у предлагаемого варианта конструкции, что обеспечивается:

во-первых, более полным использованием энергии излучения источника света за счет большего угла охвата (угол ф) отражателя;

во-вторых, отсутствием экрана, формирующим темную зону светораспределения режимов ближнего и противотуманного света, на котором в конструкции традиционной проекторной полиэллипсоидной фары экранируется часть световой энергии, концентрируемой отражателем (см. рисунок 1.15). Любые попытки максимально использовать световой поток источника света приводят к существенному увеличению габаритов фары.

Рисунок. 1.15 Светооптическая схема и конструкция современных традиционных фар с полиэллипсоидным отражателем (PES) фирмы "Bosch": а - PES; b - PES PLUS; с - PES PLUS с кольцевым дополнительным отражателем; 1 - отражатель; 2 - экран; 3 - линза; 4 - корпус; 5 - рассеиватель.

В-третьих, работа конструкции полиэллипсоидного отражателя предполагает распределение максимальной концентрации отраженного излучения между группой его вторых фокальных точек от 1.2 до l.n, и в области, прилегающей к фокальной плоскости линзы, проходящей через фокальную точку 1.2, оказывается сконцентрированным излучение от незначительной поверхности отражателя, при этом остальные вторые фокальные точки отражателя, в которых практически концентрируется вся световая энергия источника света, будут расфокусированы по отношению к линзе, что в результате препятствует достижению предельных светотехнических характеристик режимов ближнего света и противотуманного освещения и практически исключает достижение качественного (конкурентоспособного), по сравнению с традиционной прожекторной конструкцией, режима дальний свет без увеличения мощности источника света и диаметра линзы. Это утверждение достаточно ярко иллюстрируется характером использования проекторных фар с полиэллипсоидным отражателем на современных автомобилях, где в подавляющем  большинстве  случаев используется смешанный вариант компоновки блок-фары, включающей проекторные оптические элементы ближнего и противотуманного света, и вопреки стилистике и конструктивно-технологической унификации, прожекторной - дальнего.

Рисунок 1.16 Работа традиционной полиэллипсоидной фары конструкции фирмы C.E.V. в режиме «дальний свет»

При реализации режима «дальний свет» в такой конструкции не спасает уменьшение эксцентриситета полиэллипсоида (см. рисунок 1.16), поскольку это приводит к вырождению полиэллипсоидной поверхности в сторону осесимметричного полиэллипсоида, и, как следствие, увеличению углов падения отраженного излучения часть которого в этом случае просто не попадает на поверхность линзы разумно ограниченного диаметра

В предлагаемой конструкции этих проблем не возникает, поскольку все излучение от источника света концентрируется, попадая на входной торец волоконно-оптического преобразователя изображения, передается через его соответствующие волокна на выходной торец с минимальными потерями, формируя на последнем зону максимальной освещенности, которая полностью находится в фокальной плоскости линзы и после ее проекции, по существу, является зоной максимальной освещенности в светораспределении фары.

В-четвертых, так как формирование изображения тела накала отражателем во второй его фокальной плоскости сопровождается увеличением его реального размера, определяющего в конечном итоге степень концентрации излучения отражателем и в результате значение максимальной освещенности, создаваемого фарой, то очевидно, что уменьшение этого изображения за счет выполнения волоконно-оптического преобразователя изображения с отношением площадей его входного торца (SBX) к выходному (SBЫХ) меньшим единицы, позволяет получить уменьшенное изображение зоны максимальной освещенности на выходном торце, а, следовательно, еще больше увеличить значения максимальной освещенности в соответствующей зоне светораспределения фары. Добиться подобного эффекта в традиционной конструкции невозможно по определению.

В-пятых, поскольку в предлагаемой конструкции фар создаваемое светораспределение определяется формой и размерами выходного торца волоконно-оптического преобразователя изображения, ограниченного со всех сторон, оно имеет расчетные оптимальные с позиций реализации того или иного режима размеры, т.е. вся световая энергия источника света сконцентрирована в пределах границ, необходимых для обеспечения безопасности дорожного движения и комфортной работы водителя в темное время суток, оговоренных Правилами ЕЭК ООН плюс некоторый запас для соответствующего светораспределения (режима освещения), в то время как в фаре традиционной конструкции характер рассеяния светового пучка неоптимален и часть световой энергии расходуется на освещение лишних -неработающих участков высвечиваемых площадей, что также приводит к нерациональным ее потерям.

Таким образом, совокупность перечисленных особенностей предлагаемой конструкции позволяет настолько эффективно использовать световой поток источника света, что обеспечивает возможность реализации практически любого режима освещения при меньших значениях мощности используемого источника света, в нашем случае предлагается использовать светодиод мощностью 35 Ват и светоодачей 64 Люмен на Ват, в то время как для реализации режима «дальний свет» с относительно невысокими значениями нормируемых параметров в традиционной конструкции проекторной фары фирме C.E.V. (Италия) пришлось использовать лампу категории НВЗ мощностью 60W и световым потоком 1800 лм. Аналогично для ближнего света

1.4.2 Вывод

Из приведенного анализа следует как минимум три вывода:

  1. для достижения приемлемого результата в фарах предлагаемой конструкции можно использовать, если это позволяет нормативная документация, источник света меньшей мощности
  2. удовлетворительный результат с позиций конкурентоспособности может быть достигнут при использовании в конструкции линз меньшего диаметра - 60 мм и 50 мм
  3. удовлетворительный результат может быть получен при
    использовании линзы Френеля, но в этом случае, так как при ее использовании потери могут составлять до 25...35%, мощность источника света должна быть номинальной

1.4.3 Преимущества фары предложенной конструкции

Кроме того, сравнительный анализ конструкции традиционной проекторной фары и предлагаемой конструкции фары показывает ряд преимуществ последней.

1.4.3.1 Возможность исключить в картине светораспределения предлагаемой конструкции последствий хроматической  аберрации.

Это объясняется принципиальной разницей в способах формирования светораспределения режимов освещения, в поле которых присутствует светотеневая граница (ближний свет, противотуманное освещение).

Суть проблемы состоит в том, что в традиционной конструкции проекторной фары темная область светораспределения формируется проекцией асферической линзой экрана, верхний край которого практически определяет форму светотеневой границы. При этом процесс проецирования экрана сопровождается разложением белого света на спектральные составляющие, т.е. линза в данном случае работает как призма (см. рисунок 1.17) и вдоль светотеневой границы светораспределения формируются разноцветные полосы, воспринимаемые встречным водителем при разъезде на разных дистанциях «С», «3» и «К» по-разному от синего до пурпурно красного, что в результате создает не только дискомфорт при восприятии, но и провоцирует ДТП, так как красный цвет свидетельствует о попутном направлении движения, а на самом деле происходит встречный разъезд.

Рисунок 1.17 Характер хроматической аберрации в традиционных полиэллипсоидных фарах

Рисунок 1.18 Действующие и перспективные требования к противотуманным фарам

Рисунок 1.19 Ход лучей, вышедших из волоконно-оптического преобразователя изображения

В предлагаемой конструкции этот недостаток полностью отсутствует, так как формирование светотеневой границы в светораспределении осуществляется проекцией сразу всего выходного торца волоконно-оптического преобразователя изображения (см. рисунок 1.19), нижний край которого имеет соответствующую по форме границу, при этом , поскольку из каждого отдельного волокна волоконно-оптического преобразователя изображения излучение выходит в пределах одного и того же апертурного угла (свойство волокна), на приемную поверхность линзы, в каждую ее точку, оно попадает под разными углами. В результате световые лучи, преломляясь на ней, перемешиваются, исключая тем самым хроматическую аберрацию. Возможность достижения уровня градиента изменения освещенности в вертикальной плоскости в светораспределении режимов «ближний свет» и противотуманное освещение, исключающего необходимость использования автоматического корректора, что обусловлено как уже изложенными в предыдущем абзаце особенностями формирования светотеневой границы, так и тем, что в процессе работы волоконно-оптического преобразователя изображения его боковая поверхность оказывается подсвеченной выходящей наружу через внешнюю оболочку волокна незначительной частью излучения. При этом,поскольку она (боковая поверхность) расположена за фокальной плоскостью линзы, т.е. оказывается расфокусированной, то создает при проецировании линзой выходного торца незначительный фон в переходной от света к тени области по всей длине светотеневой границы, которая в результате оказывается «мягче», т.е. менее контрастной, чем в традиционной конструкции проекторной фары. Сказанное подтверждается результатами исследований (см. графики на рисунке.1.20), проведенными на фирме C.E.V., откуда видно, что кривая, соответствующая предлагаемой конструкции фары, имеет меньший градиент освещенности, обеспечивающий работу фар без автоматического корректора.

Рисунок 1.20 Изменение освещенности в вертикальной плоскости, проходящей через светотеневую границу

1.Традиционная полиэллипсодная фара (фирмы C.E.V.)

2. Фара предлагаемой конструкции с пластмассовой линзой
3. Прожекторная фара

На значимости этого результата стоит остановиться отдельно. Дело в том, что наличие светотеневой границы в пучке ближнего света в «европейском свете» изначально предназначено для исключения ослепления водителей встречного транспорта. Однако, в ряде случаях (особенно в первый период введения Европейского стандарта на светораспределение) это не спасало по причине относительно низкого уровня качества собственно фар, узких и не всегда ровных дорог при достаточно жесткой подвеске автомобиля и изменения положения кузова при изменении нагрузки на задний и передний мосты, что, в свою очередь, потребовало решения двух задач:

ужесточить светотеневую границу, т.е. увеличить градиент освещенности в вертикальной плоскости;

компенсировать изменение положения кузова при изменении нагрузки на передний либо на задний мост.

Обе задачи были решены в рамках прожекторной конструкции фар. В первом случае  за счет существенного улучшения качества элементов конструкции фары, влияющих на уровень этого параметра. Во втором — введением в конструкцию фары корректора на два фиксированных положения. Разработанные при этом автоматические корректоры непрерывного действия особого распространения не получили в основном из-за относительно высокой цены. Однако в сознании разработчиков световых приборов сложилось устойчивое убеждение «буквально на уровне рефлексии» - чем контрастнее светотеневая граница фары, тем она (фара) лучше. Поэтому появление фар проекторного типа, в которых высокий уровень градиента освещенности является, как уже было показано, непреодолимым свойством конструкции, было воспринято разработчиками с убеждением окончательного решения этой проблемы. Однако в процессе эксплуатации выяснилось, что очень контрастная светотеневая граница при значительных уровнях освещенности в светлой зоне светораспределения не только создает повышенный уровень ослепления водителей встречного транспорта, но и вызывает дискомфорт «хозяина» из-за колебаний четко выраженной границы с частотой колебания подвески транспортного средства.

В результате после бесплодных попыток уменьшить градиент освещенности в вертикальной плоскости было принято решение, зафиксированное в соответствующих документах, об использовании проекторных фар только при наличии автоматического корректора постоянного действия, что в значительной мере снизило эффект от их использования, поскольку выросла цена на изделие, увеличилась его масса и возросла совокупная потребляемая мощность, т.е. проявились практически все недостатки, с которыми так долго боролись.

Тем не менее, представление о том, что высокая контрастность светотеневой границы характеризует уровень качества фары, укоренилась и сознательно поддерживается ведущими фирмами («Bosch», «Hella» и др.), выпускающими как сами фары, так и автоматические корректоры, из чисто коммерческих соображений, преодолеть которые будет весьма сложно, но необходимо, поскольку предлагаемый конструктивный вариант относится к категории проекторных и, несмотря на то, что по уровню градиента освещенности в этом варианте автоматический корректор не нужен, по чисто формальным признакам его использование могут потребовать разработчики автомобиля

1.4.3.2. Возможность использования в качестве материала линз пластмассы.

Это преимущество предлагаемой конструкции также вытекает из особенностей светооптической схемы, согласно которой весь сконцентрированный отражателем световой поток проходит через волоконно-оптический преобразователь изображения. В этом случае тепловая энергия из-за плохой теплопроводности стекла будет аккумулироваться в массе стекла волоконно-оптического преобразователя и передаваться через монтажный фланец на корпус фары и далее на элементы крепления и кузов транспортного средства, на котором будет рассеиваться. На линзу будет попадать незначительная часть тепловой энергии, и ее температура даже при длительной работе в стационарных условиях не будет превышать 65 °С, что позволяет использовать качестве ее материала полиметилакрилат.

В традиционной конструкции проекторной фары большая часть отраженного рефлектором излучения попадает на линзу, нагревая ее, как это видно из эпюры распределения температур, полученной при тех же условиях до 140 °С, что исключает использование в качестве материала пластмассы и, как следствие, увеличивает массу изделия.

1.4.3.3. Возможность выполнения просторных фар с любой конфигурацией светового отверстия.

Как уже отмечалось в сравнительном анализе традиционной конструкции проекторной фары и фары предлагаемой конструкции, последняя имеет не только значительный запас по светотехническим характеристикам, но и относительно небольшую температуру на поверхности линзы, что позволяет использовать в качестве линзы пластмассовую линзу Френеля. Очевидно при этом, что она (линза) может иметь любую заданную дизайнерами конфигурацию, что оказывается принципиальным, поскольку не ограничивает общих для разрабатываемого объекта стилистических решений.

В традиционной конструкции проекторной фары использование пластмассовой оптики в подавляющем большинстве случаев невозможно, исключение составляют фары для мопедов (Правила №56), где используется лампа категории S3 мощностью 15 W с относительно низким световым потоком 240 лм, но и в этом случае линза может быть только традиционной конструкции, а, следовательно, только круглой формы, поскольку, в силу низкого К.П.Д. применение плоской линзы Френеля, имеющей собственные потери на уровне 25...35%, не позволяет достичь требуемых светотехнических характеристик.

Изготовление же традиционной стеклянной оптики произвольной формы практически нереально.

1.4.3.4 Возможность использования в качестве основного конструкционного материала для некоторых типов фар нетермостойкой пластмассы.

Как уже указывалось ранее, высокая эффективность предлагаемой светооптической схемы позволяет создать значительный запас по светотехническим характеристикам и тем самым создает предпосылки для использования в большинстве случаев источников света с пониженной мощностью, например, лампы категории Н8 мощностью 35W. В свою очередь, и это очевидно, снижение мощности источника света должно привести к снижению теплового потока излучения как минимум в 1,4 раза.

В варианте использования лампы мощностью 35W, поскольку таких исследований не проводилось, можно предположить, что эти значения будут снижены в 1,4 раза и составят 130 °С на корпусе в месте его контакта с элементами узла регулировки и 105 °С на фланце отражателя и в его фокальной плоскости, обеспечивая тем самым возможность использования широкого ряда нетермостойких пластмасс отечественного производства.

1.4.4 Недостатки светооптической схемы

Однако следует отметить существенный недостаток светооптической схемы, выявленный при проведении экспериментальных исследований, а именно: при выполнении отражателя осесимметричным максимальная освещенность, как и предполагалось, формируется в центре входного торца волоконно-оптического преобразователя изображения и после прохождения излучения по волокнам последнего образуют зону максимальной освещенности в геометрическом центре выходного торца. В результате зона максимальной освещенности в светораспределении режимов освещения, в которых положение максимума освещенности должно быть близким к положению светотеневой границы (в режиме противотуманного освещения) будет опущена вниз от требуемого углового положения что существенно ухудшает характеристики фар и требует для их исправления введения в конструкцию дополнительного корректирующего экрана. В свою очередь, наличие экрана при существенном улучшении общей картины светораспределения снижает значения светотехнических характеристик, поскольку часть излучения, приходящая на вход волоконно-оптического преобразователя изображения, экранируется

Основная причина, вызывающая подобную ситуацию, заключается в том, что при формовке волоконно-оптического преобразователя изображения центральные волокна смещаются и их выход оказывается в геометрическом центре выходного торца.

Тем не менее, решение этой задачи возможно, для чего потребуется изменить форму отражателя для реализации конструкции фар ближнего света и противотуманного освещения таким образом, чтобы обеспечить несимметричное распределение освещенности на входном торце • волоконно-оптического преобразователя изображения, что принципиально возможно и теоретически выполнено. Кроме того, как показывают результаты испытаний фар для рабочего и противотуманного освещения, значения освещенности в некоторых точках, не соответствуют требуемым значениям.

В случае противотуманной фары это обусловлено светящейся боковой поверхности волоконно-оптического преобразователя, что легко устраняется ее покрытием специальным красителем или алюминиевой пленкой.


1.5 Общий алгоритм проектирования световых приборов с волоконно-оптическим преобразователем с применением светодиода

По заданным характеристикам источника света определяются геометрические параметры входного торца волоконно-оптического преобразователя.

По угловой апертуре светодиода задаются параметрами волоконно-оптического жгута (необходимо выполнение условия равенства угловых апертур). При выборе характеристик жгута следует учитывать и выходные апертурные углы светораспределения, так недопустимо использование волокна в системах освещения с числовыми апертурами более 0,5 , поскольку требования к светораспределению современных систем освещения не превышают 30 градусов. В случаях, когда невозможно сбалансировать выходные и входные апертурные углы, следует использовать в конструкции либо дополнительную конденсорную оптику, устанавливаемую на входе, либо выполнять волоконный жгут в виде фокона.

По площади выходного отверстия и значениям угловой апертуры на выходном торце и заданного характера светораспределения определяют геометрические параметры линзового рассеивателя и конфигурацию и геометрические параметры выходного торца преобразователя.

Затем проводят энергетический и светотехнический расчет системы, включающий:

определение освещенности и силы светового потока на входе волоконного жгута;

определение выходного светового потока на выходном торце с
учетом потерь на конденсаторной линзе, коммутационных узлах и по
длине жгута;

определение освещенности в контрольных точках светораспределения с учетом потерь на линзовом рассеивателе.

После этого приступают к разработке принципиальной схемы питания устройства, выбору основных элементов и компонентов схемы.

Завершающим этапом является тепловой расчет системы. Необходимость теплового расчета обуславливается применением довольно мощных полупроводниковых приборов, требующих интенсивного охлаждения в процессе их работы.

Таким образом, для проектирования необходимо разработать математическое описание модели формирования излучения на входе системы, модели прохождения излучения по жгуту с учетом потерь на коммутационных узлах, формирования светораспределения на выходе системы.

1.5.1 Методика формирования светового пучка на входе ВОП 

Основными моментами реализации светооптической схемы является равенство площади изображения источника света и площади входного торца волоконно-оптического преобразователя, соблюдение апертурных углов Поскольку на данный момент среди многокристальных сверхмощных светодиодов представлены образцы с прямоугольной либо квадратной формой кристалла, целесообразно изготовить преобразователь таким образом, чтобы геометрические параметры входного торца соответствовали параметрам кристалла, что в свою очередь позволит отказаться от дополнительных конденсаторных линз и расположить светоизлучающий диод на достаточно малом расстоянии от конвертора.

Учитывая целесообразность минимизации размеров волоконно-оптического преобразователя параметры конструкции должны обеспечивать минимальное значение размера изображения источника света.

Это может быть достигнуто лишь перемещением светодиода вдоль оптической оси по направлению к торцу ВОП, при этом реализовать технические решения возможно при площади входного торца конденсатора Sвх не более 254 мм2, так как превышение этого значения ведет к увеличению площади выходного торца, а как следствие увеличению линзы рассеивания и размеров корпуса и элементов фары в целом.

Для определения Sвх необходимо знать:

Геометрические размеры кристалла СИД, ширину а, высоту b – мм, радиусы скруглений r, мм.

После этого вычисляется площадь излучающей поверхности:

Sиз =      1.5.1

Расстояние удаления излучающей поверхности светодиода от поверхности входного торца ВОП  l

Угол распространения светового потока светодиода. Выбор этой величины обуславливается характеристиками оптического волокна, и в идеальном случае не должен превышать 30 градусов. Для его определения используют диаграмму направленности светораспределения  из технического описания диода.  В современных диодов достигается концентрация до 94% излучения в требуемом диапазоне. В связи с этим можно применять диоды с углом распределения потока близким к расчетным, а угол половинной яркости может находиться в пределах

     1.5.2

На практике целесообразно выбирать источник света с как можно более сконцентрированным излучением, это позволит уменьшить потери в ВОП, обеспечить светораспределение в соответствии с нормами.

Затем вычислить исходя из приведенных данных по формуле Sвх  1.5.3

    1.5.3

Где k1 – коэффициент подобия, который находиться по формуле 1.5.4:

    1.5.4

В которой: l- расстояние от поверхности излучающей поверхности до входного торца преобразователя

Q – Апертурный угол

Далее необходимо определить форму входного торца конвертора. Она будет соответствовать спроецированной форме излучателя вдоль оптической оси с коэффициентом подобия k1.

Длина            

Ширина            

Радиус углового скругления

1.5.2 Методика определения максимальных апертурных углов и показателей преломления вещества световода.

Рисунок 1.21 Определение масимального апертурного угла

- предельный угол, разграничивающий внутри вещества зоны полного внутреннего отражения и пропускания .

Луч, прошедший в световод под углом , падает на его стенку под углом

     1.5.5

Для полного внутреннего отражения от стенки световода нужно, чтобы этот угол отвечал условию 1.5.6:

      1.5.6

Рисунок 1.22 Условие полного внутреннего отражения

Это условие выполнимо только при , отсюда определяется минимальное значение показателя преломления вещества по 1.5.7:

    1.5.7

1.5.3 Методика расчета конфигурации выходного торца волоконно-оптического преобразователя.

Геометрические параметры выходных отверстий ВОПИ фар
противотуманного освещения определяются, зная значения апертурных
углов корректирующей конденсорной линзы, входных и
выходных апертурных углов ВОПИ. При этом необходимо соблюсти условие
равенства входной и выходной площадей (S0=SBbIX) ВОПИ, а так же, зная
значение фокусного расстояния линзового рассеивателя  F  учесть

предельные углы рассеяния светового пучка в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Поскольку минимальные значения аП определяет зависимость

     1.5.8

Где

F - фокусное расстояние линзового рассеивателя

- половина угла рассеяния  соответствующего  светового   пучка  в

горизонтальной плоскости.

Подставляя в нее соответствующие данные для выходных отверстий противотуманных:

     1.5.9

Аналогично определяются минимальные значения

    1.5.10

- половина угла рассеяния соответствующего светового пучка вертикальной плоскости, тогда:

    1.5.11

Значения остальных геометрических параметров могут быть найдены решением соответствующих систем уравнений.

Для выходного отверстия волоконно-оптического преобразователя фары противотуманного освещения

1.5.12

Подставляя в полученные зависимости исходные данные получим значения геометрических параметров выходных отверстий волоконно-оптических преобразователей фар различного назначения.

1.5.4 Методика расчета проецирующей оптики рассеивателя

Значения геометрических размеров выходного торца волоконно-оптического преобразователя, соответствующих выбранному режиму освещения, значения выходной угловой апертуры волоконно-оптического преобразователя, а так же ограничения - заданная величина выходного отверстия светового прибора и требования по углам рассеяния соответствующего светораспределения позволяют определить необходимые конструктивные параметры проецирующей конденсорной линзы рассеивателя.

Поскольку приведенные выше зависимости определяют однозначную связь между габаритами выходного торца, фокусным расстоянием рассчитываемой линзы и углами рассеяния светового прибора, то с учетом выходной угловой апертуры световода и требованием минимальных искажений получаемого изображения можно определить профиль поверхности линзового рассеивателя.

Практика показывает, что при заданном диапазоне значений углов для всех типов светораспределения при поставленной цели наилучшим образом отвечает гиперболическая поверхность вида

1.5.13

Так как линза тонкая, то отсчёт расстояний до предмета d и до изображения f можно вести практически от одной точки О – оптического центра линзы. Показатели преломления сред, расположенных до  и после линзы, обозначим соответственно через n1 и n2. (см. рисунок

Рисунок 1.23 Расчет параметров проецирующей линзы

Лучи, исходящие от источника света S, лежащего на главной оптической оси, преломившись на передней поверхности линзы, пересекутся в некоторой точке S2, расположенной на расстоянии f1 от оптического центра.

Уравнение, позволяющее найти расстояние до изображения f, если известно расстояние до предмета d, радиусы кривизны обеих поверхностей линзы R1 и R2, показатель преломления вещества линзы n и показатели преломления сред, расположенных до и после линзы n1 и n2, а именно для линзы, расположенной в однородной среде (в воздухе), учитывая введенный относительный показатель преломления 1.5.14:

        1.5.14

            1.5.15

Диаметр линзы выбирается из условий соответствия корпусу и месту монтажа на автомобиле. Затем производиться расчет положения линзы относительно фокона.

1.5.5 Методика светотехнического расчета системы

Предлагаемая методика разработана для наиболее общего решения системы освещения.

В соответствии с принятой системой освещенность Ev в центре площадки So, находящейся на входном торце световодного жгута, определяется выражением 1.5.16

     1.5.16

а световой поток соответственно по 1.5.17

   1.5.17

Где

L - яркость источника света

Q - апертурный угол источника света

 

Световой поток на выходе из световода будет равен

1.5.18

А - числовая апертура световода

1.5.19

n - коэффициент преломления оболочки световода

n- коэффициент преломления сердцевины световода

- коэффициент упаковки волокон в жгут

- коэффициент рассеяния и поглощения сердцевины световода f(n,l)

Следовательно, если выходному торцу световода, площадь которого SBых=S0, придать конфигурацию совпадающую зеркально по форме сзаданным светораспределением где а - светораспределение

противотуманного освещения, то после проектирования полученного на торце изображения линзовым рассеивателем окончательно формируется соответствующее конфигурации выходного торца светораспределение.

Необходимые углы в горизонтальной и вертикальной плоскостях светораспределения определяются в данном случае законами параксиальной

1.5.20

оптики и полностью зависят от размеров выходного торца и фокусного расстояния линзового рассеивателя.

1.5.21

а - расстояние от оптической оси до края выходного торца световода в вертикальной плоскости

В - расстояние от оптической оси до края выходного торца световода в горизонтальной плоскости

Значение  светового потока в контрольных точках  создаваемого светораспределения определяется зависимостью

1.5.22

 

Где В - яркость участка на выходном торце с координатами

- соответствующего при переносе координатам

- контрольной точки

D - площадь участка формирующего соответствующее изображения на экране

телесный угол распространения светового потока

угол характеризующий направление излучения

Интегрируя выражение по соответствующей площади и апертуре получим

    1.5.23

    1.5.24

Аналогично может быть реализовано любое светораспределение, включая светораспределение сигнальных огней, для этого лишь необходимо на входе световода установить соответствующий светофильтр, а на выходе линзу с соответствующим фокусным расстоянием.

1.5.6 Методика теплового расчета

Исходные данные

tп.max=142 ºC - максимальная температура перехода;

tj=131 ºC рекомендуемая температура p-n перехода

If =3 А прямой ток

Vf = 10,5 В - прямое напряжение

tс=40 ºC - температура окружающей среды

Rвн – внутреннее тепловое сопротивление прибора;

Ррас – мощность рассеиваемая прибором;

tc – температура окружающей среды;

Rкт – контактное сопротивление прибор – теплосток (величина Rкт лежит в пределах 0,1–1,0 град/Вт).

Последовательность расчета

1. Рассеиваемая мощность на светодиоде

Pрас=VfIf      1.5.25

Необходимо выполнить условие: Рmax  Ррас

2. Тепловое сопротивление радиатор – среда

   1.5.26

где q – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения температуры по радиатору (q  0,9).

3. Среднеповерхностная температура перегрева радиатора

tT - tc =Ppac · Rтс       1.5.27

4.Для устройства данной данной конструкции находим площадь оребренной и неоребренной поверхности радиатора

Таблица 1.5.1 Материалы для радиаторов

 

, кг/м3

, Вт/(м· С)

Медь

Сплавы алюминия

Сплавы магния

Сталь

Нержавеющая сталь

8960

2660

1760

7840

7840

370

160

170

55

14

Таблица 1.5.2

Степень черноты поверхностей некоторых материалов

Алюминиевый сплав с шероховатой поверхностью

Алюминиевый сплав окисленный

Алюминиевый сплав анодированный (черный)

Медь окисленная

0,06–0,07

0,20–0,30

0,80–0,85

0,80–0,88

Целесообразность оребрения радиатора определяется по критерию Био  по 1.5.28

Bi = 0,5/       1.5.28

Bi < 1 (ребро охлаждается), Bi >1 (ребро изолятор), Bi = 1 (ребро не влияет).

5. Всю поверхность радиатора разбивают на части:

S1 – поверхность ребер

S2 – неоребренная поверхность

S3 – поверхность крайних ребер;

S4 – поверхность торцов ребер;

6. Полные коэффициенты теплоотдачи оребренной и неоребренной поверхностей

 гл =  л.гл +  к.гл;  ореб =  л.ореб +  к.ореб;  л =  п·  ij· f(tт,tс).   1.5.29

Для поверхностей S1 и S2 коэффициенты взаимной облученности или рассчитываются по формуле:

.    1.5.30

Конвективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(см2·  С)

к = 5,62A(tмB       1.5.31

      1.5.32

где tм = 0,5(tт + tc);.

Величина А(tм) учитывает свойства среды и находится по графику:

Рисунок 1.24

Влияние атмосферного давления на величину А(tм) находят из графика

8. Мощность, рассеиваемая гладкой поверхностью радиатора, Вт,

Pгл = гл · Sгл · (tт - tc).      1.5.33

9. Величина теплового сопротивления гладкой поверхности, C/Вт,

.       1.5.34

10. Мощность, рассеиваемая оребренной поверхностью

   1.5.35

где Рi – мощность, рассеиваемая i-й поверхностью; tic – температура среды между ребрами.

Температура воздуха вблизи поверхностей S2; S3 и S4 равна tc.

Температура воздуха вблизи поверхностей S1 (между ребрами) равна

tic = tт – (tтtcH      1.5.36

где H – относительный температурный напор, tт – среднеповерхностная температура теплостока.

Если ребра располагаются вертикально, то

Н = f( )       1.5.37

Где

  = А4(tм)bC, tм = 0,5(tт + tc), C= (tт – tc)1/4/(L)1/4   1.5.39

tci = tc для S3, S4, S5      1.5.40

 tci = tic для S1        1.5.41

(конвективный коэффициент торцевых поверхностей ребер принимается равным крайним ребрам).

Рисунок 1.25 Критерии выбора коэффициента А

Общее тепловое сопротивление

      1.5.42

Мощность, рассеиваемая радиатором, Вт

Робщ.расч= Ргл + Рореб.     1.5.43

Рисунок 1.26 Предельно допустимые значения H

Необходимо выполнить условие Робщ.расч  Рисх (расч).

1.5.7 Методика расчета схемы питания

Требования к электрической схеме питания

Поставлена задача разработки и расчета электрической схемы питания противотуманной фары на светодиоде.

Из-за особенностей используемого СИД разрабатываемая электрическая схема питания должна обеспечивать следующие факторы:

обеспечивать надежное питание светодиода, учитывая номинальное напряжение светодиода, В;

обеспечивать достаточную мощность и силу тока для питания светодиода;

для обеспечения снижения нагрева светодиода и улучшения визуального восприятия подаваемое  напряжение должно быть переменным и иметь частоту не менее 6 кГц;

элементы конструкции должны быть устойчивы к повышенным и к пониженным температурам, вибрациям и ударам, возникающим при эксплуатации автомобиля;

быть компактной и обеспечивать достаточный теплоотвод от элементов, входящих в схему, которые могут выделять большое количество тепла и не должны быть подвергнуты перегреванию;

Соответствовать ГОСТ и требованиям, выдвигаемым к электрооборудованию, устанавливаемому на автомобильный транспорт, который эксплуатируется на территории РФ;

Обеспечивать минимально возможную себестоимость элементов конструкции при максимальной эффективности;

В настоящее время электронная промышленность вышла на новый уровень развития, на рынке широко распространены компоненты SMD, позволяющие уменьшить массогабаритные показатели в несколько раз, а так же чипы-сборки, объединяющие в одном корпусе операционные усилители, генераторы частоты, компараторы и ключевые коммутационные элементы. Так называемые драйверы специально разработаны для применения в схемах питания светодиодов и могут быть использованы как без дополнительного ключевого транзистора, при коммутации небольших токов, так и в совокупности с мощными высокочастотными ключами. Расчет номиналов элемнтов производиться в соответствии с выбранной компоновкой, требуемыми значениями тока и напряжения питания.

1.6 Расчет системы

1. Расчет формы светового пучка на входе системы

Геометрические размеры кристалла СИД:

ширина а=15мм

высота b=15 мм

радиусы скруглений r=1,5мм.

После этого вычисляется площадь излучающей поверхности:

Sиз = =223,07 мм2 1.5.1

Расстояние удаления излучающей поверхности светодиода от поверхности входного торца ВОП  

l=1мм

 выбирается минимальным из соображений компактности

Определяем угол оптимального распространения светового потока, используя диаграмму направленности светораспределения диода из каталога:

Q=12º       1.5.2

Находим k1 – коэффициент подобия

    1.5.4

Форма входного торца конвертора:

Длина            

Ширина            

Радиус углового скругления

Площадь

1.5.4

2. Определения максимальных апертурных углов и показателей преломления вещества световода

Определяется минимальное значение показателя преломления вещества

     1.5.7

3. Расчет конфигурации выходного торца ВОП

  1.598

   1.5.11

  1.5.12

Расчет проецирующей оптики рассеивателя

 1.5.15

Отсюда  f=18мм  данная линза отвечает требуемым параметрам

Диаметр линзы D выбираем равным 60мм, что позволит применить стандартные изделия.

Светотехнический расчет системы

В соответствии с принятой системой освещенность Ev в центре площадки So, находящейся на входном торце световодного жгута, определяется выражением, в котором:

L = 2863Lx - яркость источника света

Q - 12 º - апертурный угол источника света

1.5.16

Световой поток на выходном торце ВОП

    1.5.18

 k=0,95 - коэффициент, учитывающий световые потери в ВОП

Освещенность центральной точки выходного торца ВОПИ

1.5.19

Размеры изображения на экране и освещенность центральной точки
Размеры изображения находим методом подобия:

А=14433,8мм       1.5.20

В=9596,6 мм      1.5.21

S= 108,7-106 мм2

S /S2= 108,7 • 106/230,49 =49901     из 1.5.1

Освещеннось центральной точки:

Е = 39,9 • 104 / 49901 =9 Lx     1.5.24

Тепловой расчет

Исходные данные

tп.max=142 ºC - максимальная температура перехода;

tj=131 ºC рекомендуемая температура p-n перехода

If =3 А прямой ток

Vf = 10,5 В - прямое напряжение

tс=40 ºC - температура окружающей среды

Rвн – внутреннее тепловое сопротивление прибора;

Ррас – мощность рассеиваемая прибором;

Rкт – контактное сопротивление прибор – теплосток (величина Rкт лежит в пределах 0,1–1,0 град/Вт).

Рассеиваемая мощность на светодиоде

Pрас=VfIf = 32,4 Вт      1.5.25

Необходимо выполнить условие: Рmax  Ррас

Тепловое сопротивление радиатор – среда

  1.5.26

Среднеповерхностная температура перегрева радиатора

tт - tc =Ppac · Rтс=46,66      1.5.27

Всю поверхность радиатора разбивают на части:

S1= 2730,5мм2 – поверхность ребер

S2=6874мм2 – неоребренная поверхность

S3 = 3120,6мм2 –поверхность крайних ребер;

S4 = 441мм2 –поверхность торцов ребер;

Критерий БИО:

Bi = 0,5/ = 0.5387<1, Ребро охлаждается    1.5.28

Полные коэффициенты теплоотдачи:

 гл =  л.гл +  к.гл = 19,487     

1.5.29

  ореб =  л.ореб +  к.ореб = 41,631    

Коэффициенты взаимооблученности игольчатых ребер:

  1.5.30

Мощность рассеиваемая гладкой поверхностью радиатора:

 1.5.33

Величина теплового сопротивления гладкой поверхности:

   1.5.34

Мощность, рассеиваемая остальной поверхностью радиатора:

27.937 Вт

Величина теплового сопротивления остальной поверхности радиатора:

27.937 Вт   1.5.35

Общее тепловое сопротивление

     1.5.42

Мощность рассеиваемая радиатором:

   1.5.43

Необходимо выполнить условие:

Робщ.расч  Рисх (расч) 

Данное условие выполнятся:     40,121 Вт > 32.4 Вт

Электрическая часть

Предложена следующая принципиальная схема питания, в которую входит: Микросхема ZXSC-400 – высокочастотный стабилизатор тока, принцип действия которого основан на широтно-импульсной модуляции сигнала.

Резистор R3, конденсатор С2, стабилитрон VD1 служат для выбора рабочей точки питания микросхемы.

Конденсатор С1 является сглаживающим фильтром, предназначенным для защиты от внешних помех. Резистор R2 служит для настройки драйвера на требуемый ток, от этого резистора зависит скважность импульсов. Транзистор VT1 – высокочастотный ключ, рассчитанный на коммутацию больших токов. Далее в цепи применен RC фильтр на конденсаторе С3, и индуктивности L1, защищающий диод от резких бросков тока и напряжения, а также сглаживающий импульсы ШИМ микросхемы. Диод VD2 предназначен для защиты от высокого обратного тока.

ZXSC-400 – драйвер светодиода в корпусе типа SMD, предназначеный для поверхностного монтажа, рассчитаный на максимальный ток Imax=0.5 А  Vпит=0,8-8 В, управляющий током, протекающим в цепи регулирования с частотой импульсов до 140 МГц

NTD14N03R – силовой транзистор, выполняющий коммутацию регулируемой цепи, способный выдерживать токи Imax=4.62 A в ключевом режиме, работать на частоте до 150 МГц, имеет время включения/выключения 37/425 нс. Umax=30 В

VD2 может быть любым с рабочим напряжение 30 В, рассчитаный на максимальный прямой ток 6 А. по параметрам подходит диод 60SQ030.

Исходя из документации драйвера вводится сглаживающий конденсатор С1 емкостью 10 мкФ,  На максимальное напряжение 30 В

Конденсатор С3 подключается параллельно диоду. Его емкость должна быть не ниже 50 мкФ.

Часть схемы R3, VD1, C2 предназначена для питания микросхемы драйвера, применяем диод с максимальным прямым током I=0.5 А, резистор мощностью не менее 0,75 Вт

R2 – токозадающий резистор, в соответствии с таблицей устанавливаем с номиналом 8 Ом, мощностью 2 Вт, что позволит поддерживать ток в цепи равный 3 А

Дроссель L1 должен выдерживать максимальный ток силового ключа VT1 без насыщения магнитопровода. Активное сопротивление обмотки дросселя не должно превышать 0,1 Ом, выбираем дроссель индуктивностью 22-23 мкГн, рассчитаный на ток 3,5 А

Для замещения противотуманных фар старого образца данная схема полностью отвечает требуемым параметрам. В перспективе развития и совершенствования автотракторного электрооборудования возможно:

  1. Отказаться от применения реле противотуманных фар, а управление вести через контакт STDN микросхемы. При замыкании его на «массу» микросхема выходит из спящего режима, схема стабилизации начинает работать.
  2. Приспособить противотуманные фары для использования в разных погодных условиях, разное время суток и при разных уровнях освещенности. Скважность импульсов преобразователя-стабилизатора прямопропорциональна импульсам, поступающим на контакт STDN микросхемы преобразователя, среднему току, протекающему в цепи.


2. Технология производства фар с волоконно-оптическим преобразователем изображения (ВОПИ)

Проектирование технологических процессов связано с решением комплекса задач, обеспечивающих повышение качества продукции, производительности труда и снижение трудовых затрат.

Из различных вариантов технологических требований, выбирают вариант с наименьшей себестоимостью обработки при условии, что производительность механической обработки сравниваемых вариантов не ниже заданной.

По воздействию факторов внешней среды и по степени влияния на безопасность движения осветительная аппаратура занимает особое место среди изделий АТЭ. Технологический процесс должен обеспечить высокую надежность, эффективность и экономичность использования осветительной аппаратуры. По величине допустимых погрешностей и по точности изготовления инструмента для операций изготовления основных элементов фар и фонарей процесс сравним только с изготовлением деталей микросхем.

2.1 Изготовление радиатора 

Наиболее ответственной деталью данной фары является радиатор, от точности выполнения его размеров, качества обработки и покрытия поверхности зависит тепловой режим работы источника света – светодиода, что в свою очередь напрямую определяет срок его службы.

Радиатор представляет собой деталь сложной формы, получаемую литейным способом, обрабатываемую на токарном и фрезерном станках с последующим покрытием высокопрочными полимерными термоэмалями.

2.1.1 Изготовление заготовки

Для изготовления заготовки радиатора выбираем метод литья под давлением, В качестве материала берем сплав АЛ9 (силумин: Mg -0,2...0,5%; Si -6...8%; Fe - 1,3%). Машина для литья - литьевая машина модель 712106 с холодной горизонтальной камерой прессования

Литье под давлением - прогрессивный метод для получения тонкостенных отливок в условиях крупносерийного массового производства. Главным преимуществом этого способа является высокая производительность; точность геометрических размеров, хорошая чистота поверхности отливки. Сущность метода заключается в том, что расплавленный металл заполняет металлическую форму под давлением. Различают машины под давлением с вертикальной, горизонтальной горячей и холодной камерами прессования. Для получения ответственных деталей из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов применяют машины с холодной камерой прессования.

Особенностью метода литья под давлением является высокая скорость заполнения материалом пресс-форм. Пресс-форма определяет качество отливок. Поэтому размеры рабочих поверхностей формы выполняются по 7...8-му квалитету точности и эти поверхности полируются.

Форму изготавливают из легированных термически обработанных сталей типа 5ХНМ, ЗХ2В8; при литье форма выдерживает от 8000 до 50000 заливок. Рабочая температура формы 18О...25О°С, давление прессования (0,35.;.0,6) 102 МПа, усилие смыкания (2,5...4,0) 102 кН

При литье заготовок возможны следующие виды брака:

  1.  наличие газовых включений (причина -  попадание в металл воздуха, продуктов смазочного материала, выделение газов из металла);
  2.  неслитины и неспаи (преждевременное затвердевание металла на передних участках встречных потоков);
  3.  нарушение геометрической точности (износ пресс-форм).

При литье под давлением учитывается следующее:

  1.  конструкция отливки должна иметь минимальное число разъемов формы и стержней;
  2.  толщина стенки должна быть минимально возможной и одинаковой (1...4 мм);
  3.  переход от одной поверхности к другой должен быть плавным;
  4.  возможность получения отверстий минимального диаметра, отверстия в деталях должны быть конусными, величина уклона 0,5мм на 25 мм глубины отверстия;
  5.  крепежные отверстия не следует располагать близко одно к другому или к краю детали;
  6.  при определении размеров деталей следует учитывать усадку материала и допуски.

2.1.2 Нанесение порошкового покрытия

Преимущества порошковой окраски заключаются, прежде всего, в прочности, экономичности и экологичности покрытия. Применяемые материалы не только не снижают теплопередачу от радиатора к среде, но и увеличивают ее.

В данной технологии не используются огнеопасные и токсичные жидкие растворители, поэтому данная технология практически безопасна. Отсутствие растворителей обеспечивает дополнительную экономию на стоимости краски. Порошковые краски поставляются в готовом виде, что исключает такие дорогостоящие процедуры как контроль вязкости и колеровка. Это обеспечивает им экономичность, стойкость, прочность, долговечность и отличное качество.

В начальной стадии любого процесса окрашивания производится предварительная обработка поверхности. Это самый трудоемкий и продолжительный процесс, которому часто не уделяют должного внимания, однако который является необходимым условием получения качественного покрытия. Подготовка поверхности предопределяет качество, стойкость, эластичность и долговечность покрытия, способствует оптимальному сцеплению порошковой краски с окрашиваемой поверхностью и улучшению его антикоррозийных свойств.

2.1.2.1 Подготовка поверхности

Для предварительной обработки поверхности перед окрашиванием используются методы обезжиривания, удаления окисных пленок (абразивная очистка, травление) и нанесения конверсионного слоя (фосфатирование, хроматирование). Из них обязателен лишь первый метод, а остальные применяются в зависимости от конкретных условий.

Процесс подготовки поверхности включает несколько этапов:

  1.  очистка и обезжиривание поверхности;
  2.  фосфатирование (фосфатами железа или цинка);
  3.  споласкивание и закрепление;
  4.  сушка покрытия.

На первом этапе происходит обезжиривание и очистка обрабатываемой поверхности. Она может производиться механическим или химическим способом. При механической очистке используются стальные щетки или шлифовальные диски, также в зависимости от размеров поверхности возможна ее притирка чистой тканью, смоченной в растворителе. Химическая очистка осуществляется с использованием щелочных, кислотных или нейтральных веществ, а также растворителей, применяющихся в зависимости от вида и степени загрязнения, типа, материала и размера обрабатываемой поверхности.

При обработке химическим составом детали огружаются в ванну с раствором или подвергаться струйной обработке (раствор подается под давлением через специальные отверстия). В последнем случае эффективность обработки значительно повышается, поскольку поверхность подвергается еще и механическому воздействию, к тому же, осуществляется непрерывное поступление чистого раствора к поверхности.

Нанесение конверсионного подслоя предотвращает попадание под покрытие влаги и загрязнений, вызывающих отслаивание и дальнейшее разрушение покрытия.

Фосфатирование и хроматирование обрабатываемой поверхности с нанесением тонкого слоя неорганической краски способствует улучшению адгезии («сцепляемости») поверхности с краской и предохраняет ее от ржавчины, повышая ее антикоррозийные свойства. Поверхность обрабатывается методом хроматирования или анодирования. Обработка фосфатом цинка обеспечивает наилучшую защиту от коррозии, однако этот процесс более сложный, чем остальные. Фосфатирование может увеличить сцепление краски с поверхностью в 2-3 раза.

Для удаления окислов (к ним относятся окалина, ржавчина и окисные пленки) используется дробеструйная, дробеметная, механическая чистка и химическая очистка (травление).

Абразивная очистка осуществляется при помощи абразивных частиц (песка, дроби), стальных или чугунных гранул, а также скорлупы ореха, подающихся на поверхность с большой скоростью с помощью сжатого воздуха или при помощи центробежной силы. Абразивные частицы ударяются о поверхность, откалывая кусочки металла со ржавчиной или окалиной и другими загрязнениями. Такая очистка повышает адгезию покрытия.

На заключительной стадии подготовки поверхности используется пассивирование поверхности, то есть ее обработка соединениями хрома и нитрата натрия. Пассивирование предотвращает появление вторичной коррозии. Его можно применять как после обезжиривания поверхности, так и после фосфатирования или хроматирования поверхности.

Сушка деталей производится в отдельной печи или в специальной секции печи отвержения. При использовании печи отвержения для просушки размеры системы снижаются, и отпадает необходимость использования дополнительного оборудования.

2.1.2.2 Нанесение порошковой эмали

Когда детали полностью просушиваются, они охлаждаются при температуре воздуха. После этого они помещаются в камеру напыления, где на них наносится порошковая краска методом электростатического напыления. Основное назначения камеры заключается в улавливании порошковых частиц, не осевших на изделии, утилизации краски и предотвращении ее попадания в помещение. Она оснащена системой фильтров и встроенными средствами очистки (например, бункерами, виброситом и т.д.), а также системами отсоса. Следует применять тупиковую камеру для окраски малогабаритных изделий.

Сначала порошковая краска засыпается в питатель. Через пористую перегородку питателя подается воздух под давлением, который переводит порошок во взвешенное состояние, образовывая так называемый «кипящий слой» краски. Сжатый воздух может также подаваться компрессором, создавая при этом местную область «кипящего слоя». Далее аэровзвесь забирается из контейнера при помощи воздушного насоса (эжектора), разбавляется воздухом до более низкой концентрации и подается в напылитель, где порошковая краска за счет фрикции (трения) приобретает электростатический заряд. Это происходит следующим образом. Зарядному электроду, расположенному в главном ружье, сообщается высокое напряжение, за счет чего вырабатывается электрический градиент. Это создает электрическое поле вблизи электронов. Частицы, несущие заряд, противоположный заряду электрода, притягиваются к нему. Когда частицы краски прогоняются через это пространство, частицы воздуха сообщают им электрический заряд.

При помощи сжатого воздуха заряженная порошковая краска попадает на нейтрально заряженную поверхность, оседает и удерживается на ней за счет электростатического притяжения.

2.1.2.3 Полимеризация

После нанесения порошковой краски изделие направляется на стадию формирования покрытия. Она включает оплавление слоя краски, последующее получение пленки покрытия, его отвержения и охлаждения. Процесс оплавления происходит в специальной печи оплавления и полимеризации. Существует много разновидностей камер полимеризации, их конструкция может меняться в зависимости от условий и особенностей производства на конкретном предприятии. С виду печь представляет собой сушильный шкаф с электронной «начинкой». При помощи блока управления можно контролировать температурный режим печи, время окрашивания и настраивать таймер для автоматического отключения печи при завершении процесса. Источниками энергии для печей полимеризации могут служить электричество, природный газ и даже мазут.

Печи делятся на проходные и тупиковые, горизонтальные и вертикальные, одно- и многоходовые. Для тупиковых печей важным моментом является скорость подъема температуры. Этому требованию в наибольшей степени соответствуют печи с рециркуляцией воздуха. Камеры нанесения из диэлектриков с электропроводным покрытием обеспечивают равномерное распределение порошковой краски на поверхности детали, однако при неправильном использовании они могут накапливать электрические заряды и представлять опасность.

Оплавление и полимеризация происходит при температуре 150-220 °С в течение 15-30 минут, после чего порошковая краска образует пленку (полимеризуется). Основным требованием, предъявляемым к камерам полимеризации, является поддержание постоянной заданной температуры (в разных частях печи допускается разброс температуры не менее 5°С) для равномерного прогрева изделия.

При нагреве в печи изделия с нанесенным слоем порошковой краски частицы краски расплавляются, переходят в вязкое состояние и сливаются в непрерывную пленку, при этом вытесняя воздух, находившийся в слое порошковой краски. Часть воздуха может все же оставаться в пленке, образовывая поры, ухудшающие качество покрытия. Для избежания появления пор окраску следует проводить при температуре, превышающей температуру плавления краски, а покрытие наносить тонким слоем.

При дальнейшем нагревании изделия краска глубоко проникает в поверхность и затем отвержается. На этом этапе формируется покрытие с заданными характеристиками структуры, внешнего вида, прочности, защитных свойств и теплопроводности.

По окончании полимеризации изделие охлаждается на воздухе. После остывания изделия покрытие готово.

2.2 Изготовление ВОПИ

Одним из основных условий при проведении работ является разработка технологии с минимальными издержками производства, обеспечивающей возможность увеличения объемов выпуска до уровня массового производства.

Общая структура технологического процесса включает:

1. Вытяжка единичных волокон.

2. Изготовление заготовки для растяжки фокона.

3. Растяжку фокона.

4.Отжиг фокона.

5.Формовку преобразователя изображения.

6.Отжиг преобразователя изображения.

7. Механическую обработку  сферы входного торца

8. Механическую обработку сферы выходного торца.

9. Монтаж и приклейку оправки.

2.2.1 Растяжка фокона

Технологический  процесс  растяжки  фокона должен  осуществляться по  схеме, показанной на рисунках 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4 при выполнении следующих режимов: Т=8500С, ∑F=20кг, Траз=10мин, То=15мин с последующим инерционным отжигом при температуре от Т=3000С до Т=900С в течение 7-8 часов в термостате.

Рисунок 2.2.2.

Рисунок 2.2.1.

Рисунок 2.2.3.

Рисунок 2.2.4.

2.2.2.Формовка преобразователей изображения

Формовка преобразователей изображения должна осуществляться по схеме, показанной на рис. 2.2.5 и рис. 2.2.6 в пресс-форме при температуре Т=(680...700)0С, Т=90мин с последующим инерционным отжигом при температуре от 7000С до 900С в течение 6 часов.

. 

Рисунок 2.2.6.

Рисунок 2.2.5.

2.2.3 Механическая обработка плоскости входного торца

Механическая обработка плоскости входного торца должна осуществляться по схеме, показанной на рисунке 2.2.7 шарошкой с плоской формой соответствующей обрабатываемому размеру рабочей частью. Обработка реализуется при последовательном использовании абразива с диаметром зерна 240мкм, 28мкм, 14мкм, и полярита на оборудовании, обеспечивающем частоту вращения шарошки до 300об/мин.

Общее время при реализации процесса без средств автоматизации 30 мин.

Рисунок 2.2.8.

Рисунок 2.2.7.

2.2.4 Механическая обработка сферы выходного торца

Механическая обработка сферы выходного торца должна осуществляться по схеме, показанной на рисунке 2.2.8 шарошкой со сферой соответствующего обрабатываемому размеру радиуса. Обработка реализуется при последовательном использовании образива с диаметром зерна 240мкм, 28мкм, 14мкм, и полярита  на оборудовании, обеспечивающем частоту вращения инструмента до 300 об/мин.

Общее время при реализации процесса без средств автоматизации 30 мин.

Анализ предлагаемого технологического процесса показывает, что при построении процесса требуемого объема выпуска с минимальными издержками потребуется  соответствующее увеличение числа оборудования для реализации операций 1,2,3,5 и автоматизации процессов по операциям 7,8, и 9.

2.3 Изготовление корпуса фары

Литье под давлением применяют для изготовления корпуса фары из термопласта. Осуществляют под давлением 80-140 МПа (800-1400 бар) на литьевой машине KM 250/1900 C2 поршневого типа, имеющую высокую степень механизации и автоматизации. Литьевая машина осуществляют дозирование гранулированного материала, перевод его в вязко-текучее состояние, впрыск (инжекцию) дозы расплава в литьевую форму, выдержку в форме под давлением до его затвердевания или отверждения, размыкание формы и выталкивание готового изделия. При переработке термопластов литьевую форму термостатируют (температура ее не должна превышать температуры стеклования или температуру кристаллизации. Давление литья зависит от вязкости расплава материала, конструкции литьевой формы, размеров литниковой системы и формуемых изделий. Литье при сверхвысоких давлениях (до 500 МПа) уменьшает остаточные напряжения в материале, увеличивает степень ориентации кристаллизующихся полимеров, что способствует упрочнению материала и обеспечивает более точное воспроизведение размеров деталей.

Давление в литьевой форме при заполнении расплавом полимера повышается постепенно (в конце выдержки под давлением достигает 30-50 % от давления литья) и распределяется по длине оформляющей полости неравномерно вследствие высокой вязкости расплава и быстрого ее нарастания при охлаждении или отверждении.

Для выравнивания давления и улучшения условий заполнения формы применяют литье под давлением с предварительным сжатием расплава, осуществляемое на литьевой машине KM 250/1900 C2, сопловый блок которой снабжен запорным клапаном. При закрытом клапане производят сжатие расплава полимера в нагревательном цилиндре машины до давления литья. После открытия запорного клапана расплав под высоким давлением с большой скоростью заполняет полость литьевой формы и дополнительно нагревается за счет работы сил трения. Для предотвращения механодеструкции полимерного материала скорость течения литьевого расплава по литниковым каналам иногда ограничивают. Предварительное сжатие расплава позволяет в 1,5-2 раза уменьшить время заполнения формы и увеличить путь течения расплава до момента его застывания.

Индексный поворотный механизм, необходимый для этих типов задач, может представлять собой как модуль, интегрированный в прессформу, так и устройство, смонтированное на самой машине. В зависимости от конструкции прессформы, можно поворачивать либо целую половину формы, либо лишь одну внутреннюю плиту формы.

2.4 Изготовление оправы волоконно-оптического преобразователяизображения

2.4.1 Объемное выдавливание оправы ВОПИ

Оправа для ВОПИ изготавливается на прессе для объемного выдавливание. В качестве материала для заготовки берём сталь 45, толщиной 0,5 мм.

Выдавливание происходит последовательно в 8 переходов.

К объемному выдавливанию относятся ряд операций, основанных на процессе перераспределения и заданного перемещения всего объема металла заготовки. Процесс обычно состоит из нескольких операций, сходных по характеру с накатыванем резьбы, шлицев, профилей и операции клеймения.

В объемном выдавливании используются различного рода штампы. Штамп представляет собой устройство, состоящее из комплекта, определенным образом связанных между собой деталей. Главные детали штампа выполняют функции инструмента, воздействующего на детали. Для изготовления оправы ВОПИ выбираем штамп комбинированного действия: выполнение каждого технологического перехода на отдельной позиции штампа с перемещением заготовки или ленты после каждого хода ползуна пресса из предыдущей позиции в последующую. Таким образом, за каждый ход ползуна пресса получается готовая деталь.

2.4.2 Покрытие оправы ВОПИ

Назначение поверхностных покрытий является защита деталей и изделий от коррозии, придание поверхностному слою красивого внешнего вида и некоторых свойств, отличающих его от основного металла (твердость, электропроводность и др.).

Металлические покрытия представляют собой тонкий слой металла, нанесенного на защищаемую поверхность детали. Поверхностные покрытия могут быть нанесены непосредственно, гальваническим и химическим способом.

Выбираем гальванический способ нанесения покрытия. Гальванический способ нанесения покрытий является наиболее распространенным. Он позволяет получать покрытия высокого качества и строго определенной, заранее заданной толщины. К числу недостатков этого способа относят пористость слоя и невозможность получения равномерного осадка на всех участках поверхности детали сложной формы.

Основные требования, предъявляемые к покрытиям, являются:

  1.  прочное сцепление с основным металлом;
  2.  мелкокристаллическая структура, обеспечивающая наилучшие механические свойства;
  3.  равномерная толщина слоя.

Основные операции технологического процесса нанесения покрытий следующие: подготовка поверхности, нанесение покрытия, промывка и сушка детали.

2.4.2.1 Подготовка поверхности детали к покрытию

Подготовка поверхности заключается в механической, обработке, обезжиривании и травлении. Механическую обработку (полирование, крацовку, пескоструйную или гидроабразивную обработку) выполняют для повышения качества поверхности, удаления с нее забоин и продуктов коррозии. Для удаления грязи и жиров с поверхности детали применяются такие способы:

  1.  промывку в органических растворителях (бензине, керосине, трихлорэтилене);
  2.  обезжиривание известью;
  3.  обработку в горячих щелочных растворителях (химическим или
  4.  электрохимическим способом).

Промывку в органических растворителях с дополнительной обработкой в щелочных растворах выполнят для очистки поверхности от минеральных масел. Обезжиривают известью, протирая салфетками с кашицей венской извести или отмученного мела. Наиболее эффективных результатов можно достичь при обработке деталей в горячих щелочных растворах 70...90 С, которые полностью удаляют жиры растительного и животного происхождения. Травление выполняют для удаления пленки оксидов с поверхности обезжиренных и промытых деталей. Процесс травления обычно ведут в растворах серной, соляной и азотной кислот.

Заключительной операцией подготовки поверхности под покрытие является декапирование (легкое травление). Эту операцию осуществляют, погружая детали на 1...2 мин в 5...10%-ный раствор серной или соляной кислоты. Назначение операции - удаление с поверхности детали тонкой оксидной пленки и выявление структуры основного металла, что способствует лучшему его сцеплению с металлом покрытия. После декапирования детали промывают в проточной воде и направляют на покрытие.

2.4.2.2 Покрытие

Покрытие наносят в гальванических ваннах, в которые относительно крупные детали помещают на специальных подвесках, а мелкие — в сетчатых корзинах и барабанах. Покрываемая деталь служит катодом, а металл анодом.

Структура покрытий и равномерность отложения металла зависят от условий электролиза (состава электролита, его температуры и чистоты, плотности тока и др.). Положительное влияние на структуру покрытия оказывает ведение процесса с токами переменной полярности, так как при этом осадки металла получаются более мелкозернистые и плотнее, чем при работе на постоянном токе. Толщина слоя гальванического покрытия не бывает равномерной по всей покрываемой поверхности. Способность электролитической ванны давать равномерный по толщине осадок называется рассеивающей способностью ванны. Прочность сцепления металла покрытия с основным металлом зависит главным образом от состояния покрываемой поверхности. После нанесения покрытия детали промывают в холодной и горячей воде для удаления электролита с их поверхности. Детали сушат в сушильных шкафах при температуре 110... 120 С в течении 5... 10 мин или обдувают чистым сухим воздухом.

В качестве металла для покрытия выбираем цинк. Цинкование является основным методом защиты от коррозии деталей из черных металлов.

Покрытие хорошо выдерживает развальцовку и гибку, относительно плохо поддается пайке и сварке. Для деталей, работающих на трение, цинковое покрытие не пригодно. Оно так же не может быть декоративным, так как на воздухе цинк тускнеет, покрываясь тонкой пленкой оксидов. Во влажной среде цинк быстро корродирует. Длительность защитного действия цинкового покрытия зависит от условий эксплуатации и толщины покрытия. Для деталей, эксплуатирующихся в легких условиях, минимальная толщина покрытия составляет - 7 мкм, в средних условиях - 15 мкм, а в тяжелых (влажный воздух, загрязненная промышленными газами окружающая среда) - 30 мкм.

Усиления защитных свойств цинкового покрытия можно достичь пассированием, которое заключается в обработке свежеоцинкованных деталей в растворах хромовой кислоты или ее солей. Вместо пассирования можно применять фосфатирование, при котором на поверхности покрытия образуется цинкофосфатная пленка ,обладающая высокой механической прочностью.

2.5 Изготовление оправы линзы

Оправу линзы изготавливают на многоползунковом пресс-автомате из стальной ленты 65Г, толщиной 1,0 мм. Процесс включает в себя следующие операции:

  1.  просечка отверстий под замок;
  2.  выдавливание канавки;
  3.  вырубка пазов по длине детали;
  4.  свертка детали.

2.6 Сборка оптического элемента 

Сборка оптического элемента осуществляется на монтажном столе внесколько этапов:

  1.  Сборка ВОПИ с обоймой осуществляется путем приклеивания волоконно-оптического преобразователя изображения к уже готовой обойме герметиком. Приклеивание оптического элемента осуществляется в сушильной камере, обеспечивающей нужное время и температуру сушки. Герметик под давлением поршня подается на поверхность отражателя через управляемое сопло. Сопло открывается и закрывается специальным электромагнитным клапаном. Равномерность нанесения герметика на обойму обеспечивается вращением обоймы вокруг вертикальной оси. После приклеивания ВОПИ к оправе они сушатся при температуре сушки t=70 С и выдерживаются 45 мин.
  2.  Установка проецирующей линзы в оправу.
  3.  Установка оправы с линзой в корпус

Перед установкой линзы с оправой в корпус необходимо установить резиновое уплотнительное кольцо, предварительно нанеся небольшое количество глицерина по всей его длине. Лепестки оправы линзы сжимаются кольцевой обжимкой. Затем заводятся во внутреннюю часть корпуса фары, глубже уплотнительного кольца. После посадки оправы с линзой, лепестки попадают в кольцевую проточку, препятствуя смещению оправы относительно корпуса

Осуществляется тем же методом с использованием герметика, как в технологической операции сборки ВОПИ с оправой.

  1.  Установка обоймы с ВОПИ корпус.

Обойма с вклеенным в нее ВОПИ крепиться к пластиковому корпусу с помощью трех винтов М4-6gX8.109.30ХГСА ГОСТ 11738-84 через шайбы A.4.31 ГОСТ 11371-78.

  1.  Установка светодиода на радиатор

Светоизлучающий диод устанавливается с внутренней, свободной от порошковой эмали стороны радиатора с помощью двух винтов А2.М2-6gx6.109.30ХГСА ГОСТ 17473-80 через шайбы C 2.31 ГОСТ 10450-78 с предварительным нанесением термостойкой теплопроводной пасты «Силотерм ЭП-14»; ГОСТ 131-179; ГОСТ 19783-74 на поверхность теплоотвода диода в колличестве 0,5-0,8 грамма. Подключают разъемы питания электропроводки.

  1.  Сборка радиатора и оптического элемента с корпусом.

Радиатор с установленным в него светодиодом совмещают с собранным узлом оптической системы (фланец радиатора смазать герметиком) и закрепляют с помощью винтов М4-6gX12.109.30ХГСА ГОСТ 11738-84 через шайбы A.4.31 ГОСТ 11371-78

  1.  Сборка оптического элемента в стандартном корпусе

Подготовленный оптический элемент устанавливается в стандартный корпус, для чего необходимо развести в стороны опорные защелки-фиксаторы на 2-4 мм, затем устанавливается регулировочный винт, защелкиваясь в трапециевидном углублении корпуса с одной стороны, и вворачиваясь во фторопластовый плавающий куб с другой.

Сборка фары завершается регулировкой положения оптического элемента. Готовые изделия подвергаются контролю и испытаниям.

2.7 Контроль

Проверка внешнего вида проводится визуально путем сравнения с образцами. Проверяются присоединительные размеры, отсутствие трещин, разрывов, срывов резьбы, устройство крепления и регулировки.

Далее проводится:

1. Фотометрический контроль

При контроле светотехнических характеристик от каждой партии берется 1% изделий, но не менее 5 шт. Световые характеристики оцениваются в специальном помещении по освещенности в контрольных точках на вертикальном экране, расположенном на расстоянии 25 метров от их светового центра (точка пересечения отражателя с внешней поверхностью рассеивателя). Освещенность в контрольных точках должна соответствовать величинам, оговоренных в ТУ на каждый тип фар. Отклонение освещенности в худшую сторону допускается не более 15 %.

Оборудование, используемое при фотометрическом контроле:

  1.  короткобазный гонеофотометр;
  2.  источник питания Б5-21;
  3.  цифровой вольтметр Щ300.

2. Испытаниям на герметичность соединения рассеивателя с отражателем подвергается по три фары в партии. Испытания заключаются в постепенном нагнетании воздуха в оптический элемент, погруженный в воду. При давлении 0,02 МПа не должно быть утечки воздуха, проявляемой появлением пузырьков. Затем оптический элемент извлекают из воды и повышают давление до 0,04 МПа. При этом не должно быть обрыва рассеивателя от отражателя.

2.8. Расчёт трудоёмкости изготовления радиатора из сплава алюминия АЛ9 фары ВАЗ 2172

Наиболее трудремкой в изготовлениями и дорогой деталью фары автомобиля является радиатор охлаждения. Исходные данные для расчета трудоемкости изготовления приведены в таблице 2.8.1.

Таблица 2.8.1. Исходные данные

Норма времени (Тш) на изготовление деталей методом литья под давлением

Аабс - время обслуживания рабочего места - 4 %

Аотл - время на отдых и личные надобности - 7 % n количество гнезд в форме

Радиатор:

Корпус:

Норма выработки за смену (Нв)

Тсм - сменное время при 8 ч. смене равно 480 мин

Тпз.см. - подготовительно - заключительное время на смену - 10 мин.

Литьё радиатора:

шт

Технологическая трудоёмкость Т„ (норма времени) отливки одной детали

Отлить радиатор:


3. Организационно-экономическая часть

3.1 Организация опытно-конструкторских работ (ОКР) проектируемой противотуманной фары с плоским светодиодом для автомобилей ВАЗ 2172.

В проектно конструкторских организациях имеет место одновременное выполнение одним и тем же подразделением частей ОКР по различным проектируемым изделиям, а также участие в проектировании одного изделия нескольких подразделений. Перед началом проектирования стоит достаточно сложная задача планирования ОКР для выполнения заданий в директивные сроки и достижения установленных технико-экономических и социальных показателей.

Число оригинальных деталей, составляющих изделие равно пяти, а именно:

  1. Волоконно-оптический преобразователь
  2. Оправа волоконно-оптического преобразователя
  3. Корпус противотуманной фары
  4. Оправа рассеивающей линзы
  5. Винт регулировочный

 3.1.1 Анализ работ выполняемых при ОКР.

Опытно-конструкторские работы (ОКР) имеют целью создать образцы новой техники, которые будут освоены и внедрены в промышленное производство. ОКР представляют собой комплекс этапов и работ по проектированию, изготовлению и отладке опытного образца (партии) модернизированного или нового изделия. При планировании ОКР необходимо составить подробный перечень этапов и работ, рассчитать их трудоемкость и продолжительность.

Опытно-конструкторские работы состоят из следующих этапов:

1). Техническое задание (ТЗ) - разработка характеристик проектируемого изделия и областей его применения; определение конструктивных особенностей и основных параметров изделия; обоснование необходимости изготовления изделия и его модификации; оформление ТЗ и согласование с заказчиком.

Техническое задание представляется заказчиком, либо разрабатывается разработчиком проектируемого изделия;

2). Техническое предложение (ТП) - изучение и краткий обзор существующих аналогов; изучение существующих технологических процессов и используемого оборудования; проверка на патентную чистоту (для новых изделий); сравнение технико-экономических показателей; разработка конструкторской документации в соответствии с требованиями ТЗ; согласование ТП с функциональными подразделениями; утверждение ТП.

Техническое предложение разрабатывается при проектировании тех видов изделий, когда ТЗ представляется заказчиком, а если ТЗ разрабатывает разработчик, то в разработке ТП нет необходимости;

3). Эскизный проект (ЭП) - подбор исходных материалов, стандартов, технической и справочной литературы; консультации и согласование работы с руководителем и смежными подразделениями; разработка принципиальных схем и эскизных чертежей общего вида; изготовление макета; разработка конструкторской документации; внесение изменений в документацию после проверки и др.

Эскизный проект разрабатывается в тех случаях, когда создаются изделия (модели), отличающиеся особой новизной. Эта стадия должна быть предусмотрена ТЗ. Эскизный проект должен подтвердить принципиальную выполняемость основных требований, изложенных в ТЗ и сформировать внешний вид изделия;

4). Технический проект (ТПР) - разработка конструкторских решений изделия и его основных составных частей; оценка эксплуатационных данных изделия; окончательное оформление заявок на разработку и изготовление новых изделий; проверка изделия на патентную чистоту и конкурентоспособность, оформление заявок на изобретения (при модернизации изделия); выявление номенклатуры покупных изделий; разработка чертежей сборочных единиц и деталей; проверка соответствия принимаемых решений требованиям техники безопасности и др.

5). Разработка рабочей документации (РРД) - разработка рабочих чертежей; составление принципиальной схемы сборки изделия; изготовление и испытание опытных образцов; корректировка рабочих чертежей;

Таблица 3.1.1 Перечень работ выполняемых при проведении ОКР  проектируемой противотуманной фары и расчёт их трудоёмкости и продолжительности

№ п/п

Наименование работы

Трудоем-

кость выполне-

ния чел/час

Профес-

сия и квалификация исполнителей

Колличес-

тво исполни

телей, чел.

Продолжитель-

ность работы,

часов.

1

2

3

4

5

6

1

Разработка, согласование и утверждение технического задания (ТЗ)

10

 ВК, ИК

2

5

2

Разработка, согласование и утверждение технического предложения (ТП)

32

 ВК, ВТ

2

16 

3

Разработка конструкции макета и составление эскизов.

12

ИК, ЧК 

2

4

Составление методики испытаний макета.

10

ИТ

1

10 

5

Изготовление макетов.

12

Т, Р, СЛ 

3

6

Отладка и лабораторные испытания макета.

10

Т,Л 

2

7

Обобщение и анализ данных испытаний.

8

 ИК, ТТ

2

8

Оформление эскизного проекта и пояснительной записки.

16

ИК, ЧК

2

9

Выбор конструкции и расчет ее элементов.

20

 ИК

 20

10

Экспериментальная проверка основных узлов.

24

 ТК, ИК, СЛ

3

8

11

Проверка патентной чистоты.

16

ИК

1

16

12

Составление ведомостей покупных изделий.

6

ТК, ИК

1

6

13

Оформление пояснительной записки технического проекта. Утверждение ТП.

16

ИК, ВК 

 8

14

Разработка общего чертежа.

12

 ЧК, Ч, ТК

15

Разработка рабочих чертежей.

54

 ЧК, Ч

 2

 27

16

Конструкторский контроль.

7

ВК 

 7

17

Технологический контроль.

16

ВТ

1

 16

18

Уточнение заявок на материалы и комплектующие изделия для опытного образца.

9

ТТ

19

Технологическая подготовка производства опытного образца.

14

 ВТ, ТТ

2

7

Таблица 3.1.1 Продолжение

20

Изготовление и отладка опытного образца.

18

Т, Р, Л

3

6

21

Заводские испытания опытного образца.

9

ИТ, СЛ, Л 

3

3

22

Анализ результатов заводских испытаний. Корректировка рабочих чертежей.

6

ВК, ЧК

3

23

Доработка тестовой документации (технического описания инструкции по эксплуатации и ремонту изделия).

8

ТК, Л 

 4

24

Оформление всего комплекта документации. Сдача работы.

8

ВК, ИК 

 4

ИТОГО:

353

203

По данным табл. 3.1.1. рассчитывается трудоемкость работ, приходящаяся на долю исполнителя каждой профессии с учетом квалификации. Результаты расчета сводятся в таблицу 3.1.2.

Таблица 3.1.2 Трудоемкость работ, выполняемых исполнителями различных профессий.

Профессия исполнителя

с учетом квалификации

Количество исполнителей, чел.

Трудоемкость выполняемых работ чел. час

1

2

3

4

1

ВК

1

43

2

ИК

2

86

3

ВТ

1

39

4

ТК

1

22

5

Т

1

15

6

ТТ

1

20

7

СЛ

1

15

8

Л

1

16

9

ЧК

2

46

10

Ч

1

31

11

Р

1

10

12

ИТ

1

10

Итого

14

203

Общая трудоемкость выполнения ОКР 353 чел. Час

3.1.2 Метод сетевого планирования и управления ОКР. 

Большинство опытно-конструкторских работ характеризуется высокой сложностью, комплексностью, одновременным и параллельным участием в работах многих специалистов. При выполнении большого числа ОКР могут возникать трудности по осуществлению контроля за ходом выполнения всей разработки, возможны ошибки при распределении трудовых и материальных ресурсов, а также невозможность анализа и прогнозирования хода проведения разработок для принятия соответствующих оперативных мер.

Наиболее полно эти требования соблюдаются при использовании метода сетевого планирования и управления (СПУ).

Метод СПУ представляется в виде сетевого графика – описания комплекса работ в их логической последовательности с учетом всех выявленных взаимосвязей между работами и сроками их выполнения. При

составлении сетевого графика, особое внимание следует обратить на возможность максимального, логического, рационального параллельного выполнения всего комплекса работ.

Параметрами сетевого графика являются работы и события.

Работами называются любые процессы, действия, приводящие к достижению определенных результатов (событий). На сетевом графике работа изображается стрелкой.

Событиями называются результаты выполненных работ. Они всегда формулируются в совершенной форме (например: техническое задание составлено или  расчет элементов конструкции выполнен). Событие не может быть выражено во времени, т.к. оно характеризует момент начала

или окончания работы. Каждое событие может быть как отправным моментом для начала последующей работы (работ), так и окончанием предыдущей работы  (работ). Событие в сетевом графике изображается кружком, в котором указывается его порядковый номер.

  

3.1.3 Основные правила построения сетевых моделей:

- Использовать максимально-рациональное запараллеливание работ,

- Сетевая модель (график) не должна содержать тупиковых

- Не должно быть событий, в которые не входит ни одна работа

- Сетевая модель не должна содержать замкнутых контуров;

- Направление стрелок, обозначающих работы,  должно быть слева - направо

Таблица 3.1.3. Временные параметры и резервы времени работ.

№ п/п

Наименование работы

Код работы на сетевом графике

Ранний срок свершения начального события

Поздний срок свершения начального события

Ранний срок свершения конечного события

Поздний срок свершения конечного события

Полный резерв времени работы

Свободный резерв времени работы

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

Разработка, согласование и утверждение технического задания

1-2

0

0

5

5

0

0

2

Разработка, согласование и утверждение технического предложения

2-3

5

5

21

21

0

0

3

Разработка конструкции макета и составление эскизов

3-4

21

21

27

27

0

0

4

Составление методики испытания макета

3-5

21

21

31

31

0

0

5

Изготовление макета

4-5

27

27

31

31

0

0

6

Отладка лабораторные испытания макета

5-6

31

31

36

36

0

0

7

Обобщение и анализ данных испытаний

6-7

36

36

40

48

8

0

Таблица 3.1.3 Продолжение

8

Оформление эскизного проекта и пояснительной записки. Защита эскизного проекта.

5-9

31

31

64

64

25

25

9

Выбор конструкции и расчет ее элементов

6-8

36

36

56

56

0

0

10

Эксперемента-льная проверка основных узлов

8-9

56

56

64

64

0

0

11

Проверка патентной чистоты

7-9

40

48

64

64

8

8

12

Составление ведомостей покупных изделий

7-8

40

48

56

56

10

10

13

Оформление пояснительной записки технического проекта Утверждение ТП

9-10

64

64

72

72

0

0

14

Разработка общего чертежа

9-11

64

64

99

99

31

4

15

Разработка общих чертежей

10-11

72

72

99

99

0

0

16

Конструкторский контроль

11-12

99

99

106

106

0

0

17

Технологический контроль

12-13

106

106

122

122

0

0

18

Уточнение заявок на материалы и комплектующие изделия

12-14

106

106

129

129

4

4

19

Технологическая подготовка производства опытного образца

13-14

122

122

129

129

0

0

Таблица 3.1.3 Продолжение

20

Изготовление и отладка опытного образца

14-15

129

129

135

135

0

0

21

Заводские испытания опытного образца

15-16

135

135

138

138

0

0

22

Анализ результатов заводских испытаний. Корректировка рабочих чертежей

16-17

138

138

141

141

0

0

23

Доработка тестовой документации (технического описания, инструкции по эксплуатации и ремонту изделия)

15-17

135

135

141

141

2

2

24

Оформление всего комплекта документации. Сдача работы.

17-18

141

141

145

145

0

0

По сетевому графику определяется критический путь – максимальный срок выполнения всего комплекса работ при данной организации ОКР.

Lкр=145ч.



3.1.4 Оптимизация сетевого графика.

Оптимизация сетевого графика представляет собой процесс улучшения выполнения всего комплекса работ с использованием имеющихся ресурсов, что в конечном счете приводит к сокращению длительности критического пути, т.е. можно сказать, что оптимизация – это доведение критического пути до оптимальной продолжительности.

Оптимальным сетевой график считается, если  критический путь равен директивному сроку выполнения всего комплекса работ (Тд).

Тд = 37% от суммарной продолжительности работ (табл. 1.1 графа № 6). Процент директивного срока указывается в бланке задания на курсовую работу.

Директивный срок равен:  203 * 37%= 75часов

Оптимизация осуществляется последовательно каждым из нижеприведенных способов.

3.1.4.1 Оптимизация сетевого графика первым способом:

Оптимизация сетевого графика осуществляется путем перераспределения трудовых ресурсов, т.е. путем переброски исполнителей на определенные промежутки времени с работ, лежащих на некритических путях и имеющих полный или свободный резервы, на работы, лежащих на критическом пути. При этом следует учитывать, что полный резерв времени работы может использоваться только на пути, которому принадлежит эта работа, а свободный резерв может использоваться на любом пути. При оптимизации сетевого графика данным способом, в обязательном порядке, должно выполняться следующее условие: перераспределение трудовых ресурсов может осуществляться только между работами, выполняемыми работниками взаимозаменяемых профессий с учетом квалификации, исходя из характера этих работ.


Таблица 3.1.4. Оптимизация сетевого графика путем перераспределения трудовых ресурсов.

№ п/п

Код работы, с которой снижаются трудовые ресурсы

Код работы, на которую передаются трудовые ресурсы

Профессиональный состав и количество исполнителей, переводимых на другую работу

Объем передаваемых ресурсов

чел./ч.

Продолжительность работы, с которой сняты ресурсы, ч.

Продолжительность работы, на которую переданы ресурсы, ч.

1

2

3

4

5

6

7

1

5-9

6-7

ИК-1чел

3

8

4

2

5-9

6-8

ИК-1чел

17

8

20

3

5-9

7-8

ИК-1чел

5

8

6

4

7-9

8-9

ИК-1чел

6

8

16

5

9-11

10-11

ЧК-1чел

4

4

27

6

12-14

13-14

ТТ- чел

4

6

7

7

15-17

15-16

Л- 1чел

2

4

3

Полные резервы

1

5-9

7-9

ИК-1чел

15

8

16

2

9-11

10-11

ЧК-1чел

21

4

27

3

12-14

13-14

ТТ- чел

2

6

7

После оптимизации сетевого графика первым способом продолжительность критического пути составила  L кр =88 часов

3.1.4.2 Оптимизация сетевого графика вторым способом

По второму способу оптимизация сетевого графика осуществляется путем интенсификации выполнения работ. В этом случае студентом должно быть обосновано и отражено в курсовой работе привлечение дополнительных работников требуемых профессий для выполнения отдельных работ, входящих в состав ОКР.

Привлечение дополнительных работников осуществляется на сроки, кратные целому рабочему дню (8 часов). При этом следует обеспечить наименьшее из возможных вариантов привлечение дополнительных исполнителей. По результатам обоснования привлечения дополнительных работников в количестве, необходимом для обеспечения выше указанного условия оптимизации, заполняется таблица № 3.5


Таблица 3.1.5 Оптимизация сетевого графика путем привлечения дополнительных исполнителей.

п/п

Профессиональный

состав и количество

дополнительных

исполнителей

Код работы, на

которую привле-

каются дополни-

тельные исполни-

тели

Объем дополни-

тельно привлека-

емых ресурсов,

чел.-час

Продолжительность

работы, на которую

дополнительно

привлечены ресурсы,

час

1

2

3

4

5

1

ВТ 1 чел

2-3

8

16

2

ТТ 1 чел

12-14

8

9

После привлечения дополнительных исполнителей длинна критического пути составила 73 часа что меньше директивно срока, равного 75 часам.

После проведения оптимизации необходимо построить окончательный вариант сетевого графика, а результаты расчета свести в таблицу 3.6

Таблица 3.6 Временные параметры и резервы времени работ.

№ п/п

Наименование работы

Код работы на сетевом графике

Ранний срок свершения начального события

Поздний срок свершения начального события

Ранний срок свершения конечного события

Поздний срок свершения конечного события

Полный резерв времени работы

Свободный резерв времени работы

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

Разработка, согласование и утверждение технического задания

1-2

0

0

5

5

0

0

2

Разработка, согласование и утверждение технического предложения

2-3

5

5

13

13

0

0

3

Разработка конструкции макета и составление эскизов

3-4

13

13

19

19

0

0

Таблица 3.6 Продолжение

4

Составление методики испытания макета

3-5

13

13

23

23

0

0

5

Изготовление макета

4-5

19

19

23

23

0

0

6

Отладка лабораторные испытания макета

5-6

23

23

28

28

0

0

7

Обобщение и анализ данных испытаний

6-7

28

28

29

32

3

1

8

Оформление эскизного проекта и пояснительной записки. Защита эскизного проекта.

5-9

23

23

33

33

2

2

9

Выбор конструкции и расчет ее элементов

6-8

28

28

31

31

0

0

10

Эксперемента-льная проверка основных узлов

8-9

31

31

33

33

0

0

11

Проверка патентной чистоты

7-9

29

32

33

33

3

3

12

Составление ведомостей покупных изделий

7-8

29

32

31

31

1

1

13

Оформление пояснительной записки технического проекта Утверждение ТП

9-10

33

33

41

41

0

0

14

Разработка общего чертежа

9-11

33

33

43

43

6

6

15

Разработка общих чертежей

10-11

41

41

43

43

0

0

16

Конструкторский контроль

11-12

43

43

50

50

0

0

17

Технологический контроль

12-13

50

50

58

58

0

0

Таблица 3.6 Продолжение

18

Уточнение заявок на материалы и комплектующие изделия

12-14

50

50

59

59

3

3

19

Технологическая подготовка производства опытного образца

13-14

58

58

59

59

0

0

20

Изготовление и отладка опытного образца

14-15

59

59

65

65

0

0

21

Заводские испытания опытного образца

15-16

65

65

66

66

0

0

22

Анализ результатов заводских испытаний. Корректировка рабочих чертежей

16-17

66

66

69

69

0

0

23

Доработка тестовой документации (технического описания, инструкции по эксплуатации и ремонту изделия)

15-17

65

65

69

69

0

0

24

Оформление всего комплекта документации. Сдача работы.

17-18

69

69

73

73

0

0



Таблица 3.1.7.Результаты планирования опытно-конструкторских работ методом СПУ.

Показатель

Значения

результирующих

показателей.

Общая трудоемкость выполнения ОКР

353

чел. час

Продолжительность выполнения ОКР

206 часов

Трудоемкость выполнения ОКР исполнителями различных профессий:

  1.  Ведущий конструктор
  2.  Инженеры-конструкторы
  3.  Ведущий технолог
  4.  Технолог-конструктор
  5.  Техник
  6.  Техник-технолог
  7.  Старший лаборант
  8.  Лаборант
  9.  Чертежник-конструктор
  10.  Чертежник
  11.  Рабочий
  12.  Инженер технолог

43 чел. час

86 чел. час

39 чел. час

22 чел. час

15 чел. час

20 чел. Час

15 чел. Час

16 чел. Час

46 чел. Час

31 чел. Час

10 чел. Час

10 чел. час

Фактическая продолжительность выполнения ОКР:

  1.  способ оптимизации

2    способ оптимизации

88 час

73 час

Общее количество исполнителей ОКР после итоговой оптимизации

  1.  Ведущий конструктор
  2.  Инженеры-конструкторы
  3.  Ведущий технолог
  4.  Технолог-конструктор
  5.  Техник
  6.  Техник-технолог
  7.  Старший лаборант
  8.  Лаборант
  9.  Чертежник-конструктор
  10.  Чертежник
  11.  Рабочий
  12.  Инженер технолог

1 чел.

2 чел.

2 чел.

1 чел.

1 чел.

2 чел.

1 чел.

1 чел.

2 чел.

1 чел.

1 чел.

1 чел.


3.2 Расчет себестоимости проектируемой противотуманной фары

При промышленном производстве

Расчет себестоимости проектируемого изделия производится по калькуляционным статьям, приведенным в таблице 2.4. на основе фактически сложившихся затрат на предприятии, где планируется выпуск данного изделия. Расчет себестоимости производится по всем статьям затрат на одно изделие (или 100

изделий). Результаты расчета по каждой статье выражаются в рублях, округленных до третьего знака после запятой.

Статья 1.

Эта статья представляет собой сумму затрат на сырьё и материалы SМ, которые входят в состав выпускаемого изделия. Затраты по этой статье включаются в себестоимость отдельных изделий путём прямого расчета. Стоимость сырья и материалов определяется на основании сведений о нормах расхода каждого вида материалов, собранных в ходе производственной практики для рассматриваемого изделия. Расчет статьи 1 оформляется в виде таблицы 2.1.

Таблица 3.2.1.Расчет затрат на материалы.

п/п

Материал

Марка

материала

ГОСТ

Единица

измерения

Норма

расхода на

изделие

Цена за

Единицу, руб

Сумма затрат

руб.

1

2

3

4

5

6

7

1

Сплав алюминиевый

АЛ9 ГОСТ 1583-93

Кг

0,18

64,5

30,96

2

Заготовка из кварцевого стекла

ГОСТ 2.764–86

кг

0,058

647.80

95,5724

3

Пластик ABS 

АБС-Б-1502-49

Кг

0,196

45

8.82

4

Сталь

45Х

Кг

0,05

24,5

1,225

Итого        Sм = 138  руб.

Статья 2.

Расходы по этой статье Sn определяются в соответствии с ведомостью покупных изделий, требующих дополнительных затрат труда на их сборку и обработку при укомплектовании выпускаемых изделий, и действующих оптовых цен на них, собранных студентами в ходе производственной практики. Расчет по статье следует вести в таблице 3.2.2.

Таблица 3.2.2 Расчет затрат на основные материалы.

п/п

Материал

Марка

материала

ГОСТ

Единица

измерения

Норма расхода

на изделие

Цена за

Единицу, руб.

Сумма затрат,

руб.

1

2

3

4

5

6

7

1

Светоизлучающий диод Hue Jann

HPR20D-19K30YW

Шт

1

720,5

720,5

2

Драйвер полупроводниковый

MLX 10801

Шт

1

136

136

3

Провод монтажный

П-274 М

М

0,3

34

10,2

4

Крепежные изделия

ГОСТ 11650-80

Шт

22

0,63

2,52

Итого     Sn  859,22 руб.

Статья 3.

Транспортно-заготовительные расходы Sт-з.р определяются в процентном отношении к стоимости материалов и полуфабрикатов.

Коэффициент Sт-з.р учитывает расходы на транспортировку, хранение, подготовку материалов к использованию в производстве и неизбежные потери при хранении. По каждой группе материалов (комплектующих изделий и т.п.) он устанавливается по данным завода-изготовителя аналогичных изделий. В первом приближении можно принимать Кт-з.р=1.02-1.20.

Сумма транспортно-заготовительных расходов по материалам и полуфабрикатам дает итоговые расходы S по данным статье

S т-з.р = % Sм + % Sн = 99,73 руб.     3.1

Статья 4.

Возвратные отходы Sотх определяются в процентном отношении к стоимости материалов.

S = 10 %S =13,8 руб.       3.2

В случае, если производится их расчет при определении расходов по статье 1, то по его результатам.

Статья5.

Представляет собой итоговую сумму затрат на материалы и полуфабрикаты Sмп, т.е. сумма затрат по статьям 1,2,3 за вычетом доходов от реализации отходов по статье 4.

Sмп = Sм + Sп + Sт-з,м – Sотх = 1110,86 руб.    3.3

Статья 6.

Представляет собой сумму затрат на все виды топлива и энергии на технологические цели Sт.тэ, истраченных в производстве. Данные затраты определяются в процентном отношении к расходам по статье 1:

Sт.тэ= 21 %Sм = 28,98 руб.       3.4

Статья 7.

Представляет собой сумму затрат на основную заработную плату производственных рабочих. Определяется как сумма оплаты по тарифу Sо.тар и премий Sпрем.

Затраты на основную заработную плату производственных рабочих рассчитывается:

Sо.тар = Тi * Сч.cp.i  * Кпр,     3.5

где Тi - трудоёмкость i-го вида работ, н-ч;

Сч.ср.i - часовая тарифная ставка по среднему разряду для i-го вида работ,

руб. /час.

Кпр - коэффициент премии 1,35

Величина премий и доплат определяется в процентном отношении к
тарифной части основной заработной платы:  Sпрем. = 35 % Sо.тар.  Затраты на основную заработную плату производственных рабочих рассчитываются по формуле:

 Sо = Sо.тар + S прем=146,15 руб. по     3.5

Таблица 2.3 Расчет тарифной части основной заработной платы производственных рабочих.

п/п

Виды

работ

Трудоемкость,

н-ч

Средний

Тарифный

разряд

Часовая тарифная

ставка по среднему

разряду, руб./ч

Сумма тарифной

части основной

заработной платы,

руб.

1

2

3

4

5

6

1

Литье под давлением

0,3

4

85

46,47

2

Штамповка

0,05

4

81

7,38

3

Токарные работы

0,2

4

87

31,71

4

Сборка

0,35

5

95

60,59

Статья 8.

Представляет собой сумму затрат на дополнительную заработную плату производственных рабочих Sд и определяется в процентном отношении к основной. (статья 7).

Sд = 3%Sо = 4,38 руб.      3.6

Статья 9.

Представляет собой сумму затрат на единый социальный налог Sесн определяется в процентном отношении к сумме затрат на основную и дополнительную заработную плату:

Sесн = 26%(Sо + Sд) = 0,26*(146,15+4,38) = 39,14 руб.  3.7

Статьи 10, 11, 12, 13, 14, 15.

Расходы по этим статьям рассчитываются в процентных отношениях к основной заработной плате производственных рабочих (см. приложение № 6)

10 - износ инструментов и приспособлений целевого назначения и прочиеспециальные расходы:

Sин = 85,6%Sо =125,1 руб.     3.8

11 - расходы на содержание и эксплуатацию оборудования:

Sэк. обор. = 210% Sо=306,9 руб.     3.9

12 -  общецеховые накладные расходы:

Нобщецех = 155 % Sо = 226,5 руб.     3.10

13 - заводские накладные расходы:

Нзав. = 90 %Sо = 131,54 руб.      3.11

14 - потери от брака:

Sбр = 6 %Sо = 8,77 руб.      3.12

15 - прочие производственные расходы:

Sпроч = 21 %Sо = 30,69 руб.      3.13

Статья 16. 

Представляет собой сумму затрат по статьям 5-15 и определяет всю величину расходов предприятия на производство проектируемого изделия -производственную себестоимость Спр.

Спр = Sмп + Sт.тэ + Sо + Sд + Sсоц + Sин + Sэк.обор + Нобщецех + Нзав + Sбр + Sпроч = 1110,86 + 28,98 + 146,15 + 4,38 + 39,14 + 125,1 + 306,9 + 226,5 + 131,54 + 8,77 + 30,69 = 2159,01 руб.        3.14

Статья 17.

По этой статье учитываются внепроизводственные расходы предприятия внепр.. Они определяются в процентном отношении от производственной себестоимости (статья 16)

Внепр.= 2,5 % Спр = 53,97 руб.     3.15

Статья 18.

Полная себестоимость изделия Сполн. Представляет собой сумму всех

расходов предприятия на его производство и реализацию, т.е. сумму расходов по статьям 16 и 17.

Сполн. = Спр + Sвнепр. = 2212,98 руб.     3.16

Итоги расчета себестоимости проектируемого изделия после его подробного изложения в записке отражаются в обобщенном виде в таблице 2.4. Кроме того, рассчитывается удельный вес каждой статьи расходов в полной себестоимости проектируемого изделия (графа 5 таблицы 3.2.4).

Таблица 3.2.4.Калькуляция себестоимости проектироектируемого

п/п

Наименование статьи

               калькуляции

Обозначение

Сумма расходов,

руб.

Доля расходов

от полной

себестоимости, %

1

2

3

4

5

1

Сырье и материалы

Sм

138

6,235935

2

Покупные комплектующие

изделия полуфабрикаты и услуги кооперирования предприятия

Sн

859,22

38,82638

3

Транспортно-заготовительные расходы

Sт-з

99,73

4,506593

4

Возвратные отходы

Sотх

13,8

0,623594

5

Итого затрат на материалы

S∑ МП

1110,86

50,19747

6

Топливо и энергия на

технологические цели

Sт.тэ

28,98

1,309546

7

Основная заработная плата производственных рабочих

Sо

146,15

6,604217

8

Дополнительная заработная

плата производственных

рабочих

Sд

4,38

0,197923

9

Отчисления на социальное

страхование

Sесн

39,14

1,768656

10

Износ инструментов и

приспособлений целевого

назначения и прочие

специальные расходы

Sин

125,1

5,653011

11

Расходы на содержание и

эксплуатацию оборудования

Sэк.обор

306,9

13,86818

12

Общецеховые накладные

расходы

Hобщецех

226,5

10,23507

13

Заводские накладные расходы

Hзав

131,54

5,944021

14

Потери от брака

Sбр

8,77

0,396298

15

Прочие производственные

расходы

Sпроч

30,69

1,386818

16

Производственная себестоимость

Cпр

2159,01

97,56121

17

Внепроизводственные расходы

Sвнепр

53,97

2,438793

18

Полная себестоимость

Сполн.

2212,98

100

3.3 Расчет экономической эффективности проектируемого изделия

Экономия от снижения массы применяемой пластмассы:

Э =(Qбаз. - Qпл,)* Ц * Кпри (руб./шт.)    3.17

Э=(0,215-0,196)*45*1,3=1.15 руб./шт.    3.18

где Q6a, и Опл - масса в кг соответственно базового и планируемого изделия;

Ц - оптовая цена пластика в руб. за 1 кг (берется по прейскуранту цен);

Кприп ~ коэффициент, учитывающий припуска на обработку материалов (1,25-1.35).

Таблица 3.3.1Технико-экономические показатели

№ п/п

Наименование показателя

Единица измерения

Величина

1

Масса конструкции

кг

0,18

2

Размер опытной партии

шт.

10

3

Трудоемкость ОКР, всего: в том числе: проектирование технологическая подготовка опытного производства изготовление опытной партии испытания до оптимизации

чел./час.

353

4

Продолжительность ОКР, всего: в том числе: проектирование технологическая подготовка опытного производства изготовление опытной партии изделий испытание до оптимизации

час

203

5

Трудоемкость ОКР, всего: в том числе: проектирование технологическая подготовка опытного производства изготовление опытной партии испытания после оптимизации первым и вторым способом

чел./час.

353

6

Продолжительность ОКР, всего: в том числе: проектирование технологическая подготовка опытного производства изготовление опытной партии изделий испытание после оптимизации первым и вторым способом

час

73

7

Численность группы для выполнения ОКР

чел.

14

8

Полная себестоимость узла

руб.

2212,98

9

Экономический эффект

руб.

1,15


3.4 Вывод

Светоизлучающие диоды имеют большую перспективу. По надежности, долговечности, низкому энергопотреблению и ряду других параметров светодиоды превосходят лампы, применяемые в настоящее время в фарах.

Себестоимость одного часа работы светоизлучающих диодов и фар, работа которых основана на светодиодах, очень низка. Но срок службы светоизлучающих диодов несопоставим по сравнению с различными лампами и фактически он больше срока службы самого автомобиля. Поэтому себестоимость противотуманной фары на светодиодах будет выше стоимости фары основанной на лампах накаливания и галогенных лампах, но ниже противотуманной фары основанных на ксеноновых лампах.

В рамках данной дипломной работы была рассчитана общая трудоемкость выполнения ОКР проектируемой противотуманной фары, которая составила 353 чел./ч; проведено планирование ОКР способом СПУ.

В результате была рассчитана фактическая общая продолжительность выполнения ОКР, составившая 203 ч, и установлен директивный срок выполнения всего комплекса работ: Lдир. = 75 ч. Для обеспечения выполнения ОКР в директивный срок был использован способ сетевого планирования и управления (СПУ), в результате которого по сетевому графику определен критический путь Lкp, то есть максимальный срок выполнения ОКР: Lкp = 145 ч. Так как Lкp больше, чем Lдир то была проведена оптимизация сетевого графика двумя способами и рассчитан критический путь выполнения путем перераспределения трудовых ресурсов,  Lопт1кр = 78 ч; после оптимизации графика путем интенсификации выполнения работ (второй способ)  Lопт2кр = 73 часа, что меньше Lкр = 75ч.

Так же была рассчитана полная себестоимость изготовления проектируемой противотуманной фары = 2212.98 руб.


4. Безопасность жизнедеятельности  и окружающей среды

4.1. Актуальность вопросов безопасности и защиты окружающей среды.

Развитие промышленности и технических средств сопровождается не только увеличением выброса загрязняющих веществ, но и вовлечением в производство все большего числа химических элементов. К настоящему времени в окружающей среде накопилось около 50 тыс. видов химических соединений, не разрушаемых деструкторами экосистем (отходы пластмасс, пленок, изоляции и т.п.). Множество различных технологических процессов привело к росту числа токсичных веществ, поступающих в окружающую среду.

Выбросы промышленных предприятий, энергетических систем и транспорта в атмосферу, водоёмы и недра Земли, достигают таких размеров, что в ряде районов Земного шара, уровни загрязнения значительно превышают допустимые санитарные нормы. Негативное влияние регионального загрязнения на здоровье людей, проявляется в крупных городах и промышленных центрах. По данным института географии РАН, в условиях десятикратного превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) токсичных веществ в атмосферном воздухе проживает население более 70 городов России с общей численностью более 50 млн. человек. Практически все города с населением более 1 млн. человек, а также Санкт-Петербург и Москва должны быть отнесены к I и II категории экологического неблагополучия, которое оценивается как «наиболее высокое» и «очень высокое». Чрезвычайно высокая насыщенность крупных городов транспортом вносит очень весомый вклад в их загрязнение. Доля выбросов автотранспорта в загрязнении воздушного бассейна, как правило, составляет 40-50 % и более, в Москве приближается к 80%. С негативным воздействием транспорта связано и шумовое загрязнение городов. Около 40-50% населения крупных городов живут в условиях акустического дискомфорта.

Неблагоприятное влияние на жизнедеятельность человека оказывает ряд вредных факторов, основными из которых являются загазованность, запыленность, неблагоприятные температурные режимы, повышенный шум, недостаточное освещение, повышенная вибрация, воздействие электромагнитных полей и различных излучений.

Как подчёркивают многие учёные, специалисты, если удастся избежать ядерной войны перед людьми встанет проблема биосферы и окружающей среды. Ведь ее, так же можно сравнить по технологии с химической войной против населения развитых и развивающихся стран.

Практическое обеспечение безопасности жизнедеятельности при проведении технологических процессов и эксплуатации технических систем во многом определяется решениями и действиями инженеров и техников. Актуальная задача, стоящая перед современными инженерами - это уменьшение указанных загрязнений до минимума, или их полная ликвидация с использованием последних достижений науки и техники. Важную роль в решении экологической проблемы играют инженерно-технические мероприятия по локализации и ликвидации вредных факторов. Это требует от инженерных кадров глубокого понимания проблемы, высокого уровня теоретических и практических знаний средств и методов защиты человека и окружающей среды, знания уровней допустимых воздействий негативных факторов на человека и природную среду, а также знания негативных последствий, возникающих при нарушении этих нормативных требования.

4.2 Анализ обеспечения безопасности технологического процессаизготовления фар

Производство фары включает в себя процессы литья пластмассовых деталей (отражатель, корпус), холодную штамповку (оправа ВОПИ), а так же лакокрасочные работы, металлизацию алюминием, травление, гальванические покрытия.

Меры безопасности при производстве фары должны сводиться к тому, чтобы сократить до минимума вредное воздействие на человека и окружающую среду таких веществ, как:

- пары бензина, керосина, трихлорэтилена, выделяемых при обезжиривании поверхностей органическими растворителями;

- паров серной или соляной кислот, используемых при травлении металла перед покрытием в гальванических цехах;

- туманов щелочей, выделяемых при хромировании и цинковании;

- отходов после литья пластмассы.

Так же надо отметить необходимость снизить вредность производства в штамповочных цехах, а также при металлизации в вакуумной камере.

К производству фар в связи с работой с различными кислотами и растворителями по части охраны труда и пожарной профилактики необходимо применять достаточно жесткие требования.

Все виды работ с кислотой и электролитом должны выполняться в защитных очках, резиновых фартуках и перчатках. Емкости для приготовления электролита должны быть оборудованы устройством для подачи кислоты и электролита по трубопроводам; для смыва кислот устанавливаются гидранты. При работе с кислотой поблизости должна находиться 2-3 литровая емкость с 5% раствором соды.

Цеха, в которых происходит травление деталей кислотой и растворителями, должны быть соответствующе оборудованы. Пол должен быть выложен кислотоупорной плиткой, высота помещений должна быть не менее 2.5 метров, считая от пола до нижней части конструкции потолка.

При проведении подготовительных операций в гальванических цехах
(механической очистке и обезжиривании поверхности) выделяются пыль,
пары бензина, керосина, трихлорэтилена, туманы щелочей. Анализ
дисперсного состава туманов показал, что размер частиц находится в
пределах 5...6 мкм при травлении, 8... 10 мкм при хромировании, 5...8 мкм
при цинковании. Эта гремучая смесь представляет опасность для рабочих в
этих цехах.

Для безопасности труда большое значение имеет правильное устройство отопления, вентиляция и освещение на рабочих местах. Температура в цехах должна быть не ниже 15 °С и не выше 35 °С, а освещенность — не менее 40 Lx.

В цехах устанавливается принудительная приточно-вытяжная система вентиляции при помощи, которой удаляются пары и газы.

Концентрация водорода не должна превышать 0,7, а концентрация тумана серной кислоты в воздухе на уровне 1,5 м. от пола.

Так же значительное выделение пыли, масел и эмульсий выделяется при механической обработке пластмассовых деталей после литья и металлических после штамповки.

Уборка производственных помещений должна быть организована так, чтобы не допускать в них скопления отходов полимерных материалов (используемых для покрытия отражателей), пластмассы и ее пыли, полы в них все время должны поддерживаться во влажном состоянии.

На прессе, для литья отражателя и корпуса, должны быть укрыты и снабжены вентиляцией или местными отсосами следующие участки активного пылевыделения: питатель, штамп, разбраковочный стол, места укладки годных деталей и хранения забракованных деталей, транспортёр удаления отходов. Во всех отделениях сборочного цеха следует устанавливать приточно-вытяжную вентиляцию.

Особое внимание следует уделить штамповочным цехам. Работникам штамповочных цехов необходимо применять личные средства защиты органов слуха. Чтобы добиться эффективного снижения шумового воздействия, необходимо постоянно применять средства защиты органов слуха. Даже кратковременное снятие средств защиты в условиях шума значительно снижает эффективность защиты.

Существуют различные типы средств защиты органов слуха: беруши и наушники. Беруши делают из различных материалов, при использовании их втыкают в уши. Наушники состоят из двух чашечек, соединенных дужкой. Одноразовые беруши следует использовать только один раз, беруши и наушники многоразового использования требуют тщательного ухода, содержания в чистоте и своевременного выявления дефектов. Правильное и постоянное применение средств защиты слуха снижает шумовую нагрузку для берушей на 10-20 дБ, для наушников 20-30 дБ.

Наряду с этим необходимо обеспечить очистку воздуха, выбрасываемого вентиляционными системами исключающую загрязнение атмосферного воздуха на территории завода, а в отдельных случаях -предварительно очищать и приточный воздух, подаваемый в цеха системами приточной вентиляции.

Озеленение заводской территории также является важным средством оздоровления условий труда.

Предупреждение проникновение соединений алюминия, цинка, а так же различных химикатов в организм через желудочно-кишечные тракт и дыхательные пути может быть обеспечено лишь при соответствующем устройстве бытовых помещений на заводе и при соблюдении работающими правил личной гигиены.

Уборка помещений должна быть механизирована с применением пылесосов или проводиться влажным способом. Уборка рабочих столов, инструментов должна производиться ежедневно влажным способом. Спецодежда рабочих стирается еженедельно. В рабочих помещениях не разрешено хранение пищи, личных вещей, курение. Рабочие должны перед курением и едой полоскать рот, тщательно мыть руки, коротко стричь ногти, по окончанию работы чистить зубы. Запрещается посещать столовую в рабочей одежде. Так как обычные способы мытья рук не обеспечивают их полной очистки от свинцовой пыли, следует сначала мыть руки 1% раствором соды, затем с мылом и щеткой, поливая теплой водой, мужчинам не следует носить бороду и усы, так как регулярное бритье также является мерой личной гигиены.

Хорошим регуляторами для производства являются респираторы марок ПРБ-1 Ф-45. Смена фильтров респираторов и их очистка должны производиться по мере их загрязнения и повышение сопротивлению дыханию.

Концентрация вредных веществ в вентиляционных выбросах, удаляемых от мест окраски, зависят от состава и расхода лакокрасочных материалов, способа их нанесения на окрашиваемую поверхность, устройства вентиляции, окрасочного оборудования, метода окрашивания. В вентиляционных выбросах окрасочных цехов могут содержаться окрасочный аэрозоль (до 1 г/м3) и пары растворителей (до 10 г/м3). Для предотвращения выбросов токсичных отходов в атмосферу на предприятиях устанавливаются специальные устройства, фильтры. Утилизация отходов производиться в определённых местах и строго контролируется СЭС.

В качестве профилактики отравлений на производстве большое значение приобретает снабжение работающих доброкачественной спецодеждой, а на некоторых участках работы и нательным бельем. Недопустимы ранение и прием пищи в рабочих помещениях.

4.3 Мероприятия по обеспечению безопасной воздушной среды в производственном помещении при изготовлении фар.

При производстве фар, как уже говорилось выше, проводится много окрасочных работ (покрытие отражателя, корпуса, оправы ВОПИ). В окрасочных цехах токсичные вещества выделяются при обезжиривании поверхностей органическими растворителями перед окраской, подготовке лакокрасочных материалов, нанесении их на поверхность изделий и сушке покрытия.

Воздух, удаляемый вентиляционными отсосами от окрасочных камер, напольных решеток, сушильных установок и других устройств всегда загрязнен парами растворителей, а при окраске распылением, кроме того, окрасочным аэрозолем. При окраске изделий полимерными материалами в вентиляционном воздухе содержится пыль. Поэтому одним из необходимых условий здорового и высокопроизводительного труда является обеспечение чистоты воздуха в рабочей зоне производственных помещений, т.е. пространстве высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, где находятся рабочие места.

Воздух рабочей зоны редко имеет свой химический состав, так как многие технологические процессы сопровождаются выделением в воздух производственных помещений вредных веществ - паров, газов, твердых и жидких частиц. Пары и газы образуют в воздухе смеси, а твёрдые и жидкие частицы вещества - дисперсные системы - аэрозоли, которые делятся на пыль, дым, туман. Пыль бывает крупно-, средне- и мелкодисперсной.

Поступление в воздух рабочей зоны того или иного вещества зависит от технологического процесса, используемого сырья, а также от промежуточных и конечных продуктов. Так в рабочей зоне помещений по производству фар, в связи с работой с лакокрасочными покрытиями, с растворителями, а так же механической обработкой полимерных материалов, выделяются:

  1. аэрозоли серной и (или) соляной кислот (туман);
  2. пары бензина, керосина, и др. органических растворителей;
  3. соединения фенола, формальдегида, стирола;
  4. алюминий и его соединения.

По ГОСТ  12.1.005-85 установлены предельно допустимые концентрации вредных  веществ  qпдк  (мг/м3)  в  воздухе рабочей  зоны  производственных помещений. В таблице 4.3.1, представлена ПДК некоторых веществ. Табл. 4.3.1. ПДК некоторых веществ в воздухе рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005-85 (извлечение).

Таблица 4.3.1

Наименование

ПДК,

мг/м3

Класс опасности

Агрегатное состояние

Серная кислота

1

2

Аэрозоль

Алюминий и его сплавы (в пересчете на алюминий)

2

3

Аэрозоль

Медь

1/0,5

2

Аэрозоль

Никеля карбонил

0,0005

1

Пары

Пары бензина

 0,1

2

Пары

Соединения фенола юрмальдегида

0,01/0,007

1

Аэрозоль

В соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.3.02-78 для каждого проектируемого или действующего предприятия устанавливается предельно допустимый выброс (ПДВ) вредных веществ в атмосферу при условии, что выбросы вредных веществ от данного источника в совокупности с другими источниками (с учетом перспективы их развития) не создадут приземную концентрацию, превышающую ПДК.

4.4 Светильники, устанавливаемые в производственных помещениях.

В помещениях по производству фар есть отдельные участки, связанные с травлением деталей бензином или керосином, эти участки можно отнести к помещениям, которые согласно ПТУ называются взрывоопасной зоной. Так как в этих помещениях имеются установки связанные с выделением горючих газов. Электрические светильники во взрывоопасных зонах создают опасность поджигания взрывоопасных смесей при искровых, дуговых, тлеющих разрядах, а также при недопустимом перегреве частей электрических светильников. Поэтому во взрывоопасных зонах следует использовать специально для них предназначенные электрические светильники, снабжённые средствами взрывозащиты.

Взрывозащита может быть обеспечена определёнными комплексами мер и средств, различным образом, препятствующим воспламенению взрывоопасной наружной среды, - видами взрывозащиты.

Для электрических светильников видом взрывозащиты является взрывонепроницаемость оболочки. Взрывонепроницаемая оболочка выдерживает давление взрыва и предотвращает распространение взрыва изнутри оболочки в окружающую взрывоопасную зону.

Достигается это за счёт высокой механической прочности и того, что щели в соединениях частей оболочки достаточно длинные и узкие, чтобы снизить температуру продуктов взрыва, выходящих из оболочки наружу, до безопасной величины. Количество установленных светильников должно удовлетворять требованиям СНиП 23.05.95. по освещённости. Освещённость в помещении по СНиП 23.05.95. должна быть 100 Lx.

Помимо применения специальных электрических светильников для освещения взрывоопасных зон могут использоваться электрические светильники общего назначения одним из следующих способов:

  1. через не открывающиеся окна с двойным остеклением без фрамуг и
    форточек;
  2. через специальные ниши, в стене имеющие двойное остекление с
    вентиляцией их с естественным побуждением наружным воздухом;
  3. через фонари специального типа со светильниками, установленными в потолке за двойным остеклением, и вентиляцией (с естественным побуждением) фонарей наружным воздухом;
  4. в коробах застеклённых небьющимся стеклом, продуваемых под избыточным давлением чистым воздухом;
  5. с помощью осветительных устройств со щелевыми светодиодами.

4.4.1. Расчет искусственного освещения участка сборки

Исходные данные:

Длина помещения А = 60м

Ширина помещения В = 25м

Площадь помещения S = 1500 м2

Используемые светильники тип - ПВЛМ 2x40 с лампами ЛБ Расчет производится для помещения с побеленными потолком и стенами с окнами, закрытыми белыми шторами.

Расчет освещения:

Для сборочных цехов минимальная освещенность Е = 200лк.

Световой поток люминесцентных ламп ЛБ - 40 Ф = ЗОООлм.

Для светильников ПВЛМ 40x2 световой поток Фо = бОООлм

.

Исходя, из вышеперечисленных данных можно предварительно рассчитать количество светильников, необходимых для указанного помещения:

  4.1

Далее, учитывая коэффициент запаса, коэффициент использования рассчитываем световой поток для одного светильника:

4.2

Е - заданная освещенность;

к - коэффициент запаса;

S - площадь помещения;

z - отношение Еср/Емин, для большинства светильников равное 1,1... 1,3;

 N - число светильников;

ŋ- коэффициент использования.

Для определения коэффициента использования находят индекс помещения i и предположительно оценивают коэффициенты отражения потолка, стен, пола:

4.3

Где А - длина помещения, В - ширина помещения, h - высота подвешивания светильников над рабочей поверхностью (для обеспечения экономичности, удобства и безопасности обслуживания высоту подвески ссветильников принимают не более 5 метров).

4.4

Величина для соответствующего индекса помещения:

1=4ŋ=75%;       4.5

Находим световой поток для одного светильника:

4.6

исходя из полученной величины очевидно, что для обеспечения лучшей освещенности количество светильников нужно увеличить вдвое.

В итоге для создания искусственного освещения сборочного участка, соответствующего нормам, необходимо 100 светильников типа ПВЛМ -40x2.

4.5.  Мероприятия по снижению шума.

Так как при производстве фар некоторые детали изготавливаются путем холодной штамповки, то отдельное внимание необходимо уделить воздействию шума на организм человека, работающего рядом с прессом для штамповки.

Постоянное наращивание мощностей производственного оборудования в электротехнической промышленности привело к тому, что многие работающие постоянно подвергаются воздействию интенсивных шумов, а в отдельных случаях, и вибрации. Продолжительное воздействие шумов и вибрации  на  организм  человека  приводит  к  заболеванию  отдельных работающих различными профессиональными заболеваниями органов слуха

и центральной нервной системы.

Большинство шумов производственного характера состоят из шумов

частот всего слухового диапазона, но интенсивность их распределения по

частотам различна.

Производственные шумы подразделяются по происхождению:

  1. механические шумы, образующиеся при трении отдельных деталей, например, шестерён друг о друга;
  2. ударные шумы, возникающие при ковке, штамповке и различных слесарных работах с применением молотков и других ударных инструментов;
  3. аэродинамические   шумы,   возникающие   при   движении   или истечении газа по трубам. 1   

Шум в 150 дБ для человека непереносим, а шум в 180 дБ вызывает

усталость металлов. Прямоточные воздушные волны способны вырывать

заклёпки и вызывать коробление швов металлических конструкций.

           По характеру спектра шум разделяется:

  1. на широкополосный с непрерывным спектром шириной более одной октавы;
  2. тональный, в спектре которого имеются выраженные дискретные токи.

         По временным характеристикам шум разделяется:

  1. на постоянный шум, уровень которого за восьмичасовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ при измерении на временной характеристики шумомера ГОСТ 12.1.003-88;
  2. и непостоянный уровень шума, который за восьмичасовой рабочий день изменяется во времени более чем на 5 дБ при измерении во временной характеристике шумомера.

 Непостоянный шум в свою очередь подразделяется:

  1. на колеблющийся во времени, уровень звука которого непрерывно измеряется во времени;
  2. и прерывистый, уровень звука которого ступенчато изменяется (на 5 дБ и более), причём длительность интервалов, в течение которых уровень остаётся постоянным, составляет 1 сек. и более;
  3. импульсный, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 сек., при этом уровень звука, измеренные соответственно во временных характеристиках импульс и шум, отличается не менее чем на 7 дБ.

Характеристика  постоянного  шума  на  рабочих  местах  является

уровнем    звукового    давления    Л    в    дБ    в    октавных    полосах   с

среднегеометрическими частотами: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000,

8000,определяемые по формуле:

L=20*LgP/P0      4.6

Р - среднее квадратичное значение звукового давления, Па;

Ро - исходное значение звукового давления, в воздухе

Ро = 2*10-5 Па.      4.7

U = √∑Uj2 * Kj2       4.8

Uj - среднее квадратичное значение контролируемого значения (виброскорости или виброускорения) в i - и частотной полосе; N - число частотных полос (1/3 или 1) в нормируемом частотном диапазоне; Ki - весовой коэффициент для i - и частотной полосы.

При оценке локальной вибрации используют среднее за время воздействия корректированное значение.

Uсp=√1/mUj2       4.9

Uj - корректированное значение корректирующего параметра;

М - общее число полученных корректируемых значений за равные

промежутки времени.

Для оценки вибрации с помощью дозы за нормируемый параметр принимают эквивалентное корректированное значение U3KB.;

u3KB. = √Д/t       4.10

Где, Д=∫U2(t)dt      4.11

U(t) - мгновенное корректируемое значение параметра вибрации в момент, получаемое с помощью корректирующего фильтра с характеристикой, t- время воздействия вибрации за рабочую смену.

Вибрация, воздействующая на человека, корректируется отдельно для каждого установленного направления в каждой октавной полосе.

Гигиенические нормы вибрации, воздействующие на человека на постоянных рабочих местах в производственных помещениях предприятия, установленные ГОСТом 12.1.012-90 не превышаются.

Характеристикой непостоянного шума на рабочих местах является интегральный измерений - эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБ.

4.6 Выполнение требований по нормированию вибрации.

Продолжительное применение ручных сверлильных и шлифовальных машин, независимо от привода (электрические или пневматические), что особенно часто бывает при выполнении ремонтных работ, без применения средств защиты может быть причиной вибрационной болезни.

Вибрация вызывает колебательную энергию, величина которой пропорциональна квадрату колебательной скорости измеряемой в Вт/м2. Физическое ощущение вибрации возникает при непосредственном контакте с отдельными деталями оборудования и соприкосновения с обрабатываемыми деталями, находящимися под воздействием сил колебания.

В зависимости от способа передачи колебаний человеку вибрацию делят:

  1. на общую, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека;
  2. и локальную, передающуюся через руки человека.
  3. Вибрация, воздействующая на ноги сидящего человека, на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов, также относится к локальной.

   По направлению действия вибрация вибрацию подразделяют:

  1. на     вертикальную,     распространяющуюся     по     оси     X, перпендикулярной к опорной поверхности;
  2. горизонтальную, распространяющуюся по оси Y, от спины к груди; горизонтальную, распространяющуюся по оси Z, от правого плеча к левому плечу.

По временной характеристике различают:

  1. постоянную вибрацию, для которой контролируемый параметр за время наблюдения изменяется не более чем в 2 раза(6 дБ);
  2. непостоянную вибрацию, изменяющуюся не более чем 2раза.

Гигиеническую оценку вибрации производят одним из трех методов: частным (спектральным) анализом, интегральной оценкой по частоте и дозой вибрации. При частотном анализе номеруемыми параметрами являются средние квадратичное значение вибростойкости V (и их логарифмические уровни Lv) или виброускорения, а для локальной вибрации - в октавных или 1\3 октавных полосах частот.

Логарифмические уровни виброскорости Lv в дБ определяется по формуле

Lv = 201gV/5*108     4.12

V — среднее квадратичное значение вибростойкости м/с;

 Lv - опорная вибростойкость м/с.

При интегральной оценке по частоте нормируемых параметров корректированные значения контролируемого параметра вибрации

4.7 Средства пожаротушения применяемые в помещенияхпо производству фар.

В данных производственных помещениях вместо углекислотных огнетушителей можно применять автоматические установки газового пожаротушения. Установки газового пожаротушения подразделяют: по способу тушения, по способу пуска и по способу хранения средств огнетушения.

По способу тушения установки газового пожаротушения делят на установки объемного и локального пожаротушения. Способ объемного тушения основан на равномерном распределении огнетушащего средства и создании огнетушащей концентрации во всем объеме помещений, что обеспечивает эффективное тушение любой точки помещения, в том числе и труднодоступной. Установки объемного тушения применяют в закрытых помещениях, в которых возможно быстрое развитие пожара.

Установки локального (местного тушения) применяют для нейтрализации пожаров, агрегатов и оборудования при невозможности или нецелесообразности тушения в объеме всего помещения.

По способу пуска установки газового пожаротушения бывают с тросовым (механическим), пневматическим, электрическим, комбинированным пускателем.

По способу хранения средств огнетушения в баллонах установки подразделяют на установки под давлением и без давления. Наибольшее распространение получили установки газового пожаротушения с электрическим и пневматическим пуском. Электрическая часть установки с пневматическим пуском обеспечивает автоматический контроль над готовностью установки к работе, выдает сигнал о пожаре, защищаемых помещениях и о срабатывании установки. Аппаратура электроавтоматики установки газового пожаротушения с электрическим пуском состоит из станции пожарной сигнализации с пожарными извещателями, шкафа управления линейных сооружений с пиропатронами. Аппаратура обеспечивает непрерывный контроль готовности установки и тушению пожара, получение сигнала о пожаре, автоматическое включение, дистанционное включение при отказе автоматического пуска, выдачу импульса для изменения режима работы технологического оборудования при пожаре.

Число баллонов с огнетушащими средствами в батареях БАЭ и БАП может варьироваться за счет подсоединения разборных секций к секционному коллектору. Общее число рабочих баллонов, обслуживающих пусковые батареи из двух баллонов не превышает 20 шт водоёмах питьевого и культурно - бытового назначения. В таблице 4.7.1. представлены ПДК некоторых веществ в воде водоёмов.

Таблица 4.7.1

Табл. 4

.9.1. ПДК некоторых веществ для

водоемов (извлечения).

Вещество

Водоёмы 1 категории.

Водоёмы 2 категории

ЛПВ

ПДК, г/м

ЛПВ

ПДК,

г/м

Бензол

Санитарно-токсикологический

0,5

Токсикологический

0,5

Фенол

Органолептический

0,001

Рыбохозяйственный

0,001

Бензин, керосин

То же

0,1

То же

0,01

Cd2+

Санитарно-токсикологический

0,01

Токсикологический

0,005

Cu2+

Органолептический

1

То же

0,01

Zn2+

Общесанитарный

1

То же

0,01

Цианиды

Санитарно-токсикологический

ОД

То же

0,01

 

Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения запрещают сбрасывать в водоёмы сточные воды:

  1. если  этого  можно  избежать,  используя  более  рациональную
  2. технологию,   безводные   процессы   и   системы   повторного   и

оборотного водоснабжения;

  1. если  сточные воды содержат сырьё, реагенты  и  продукцию

предприятий   в   количествах,   превышающих   технологические

потери;

  1. если сточные воды содержат вещества, для которых не установлена

ПДК;

  1. если сточные воды содержат ценные отходы, которые можно было

               бы утилизировать.

При разработке оборотных систем водоснабжения промышленных предприятий необходимо планировать очистку и повторное использование поверхностных сточных вод с учётом следующих направлений оптимального решения задачи:

  1. локализация стока с отдельных участков территории предприятия и

его отвод либо в общезаводские очистные сооружения, либо (после

предварительной очистки) в общую схему очистки поверхностных

сточных вод;

  1. раздельная    организация    стоков    с    водосборных    участков,

отличающихся по составу и количеству примесей, поступающих в

поверхностные сточные воды;

  1. очистка поверхностного стока совместно с производственными

сточными водами;

  1. локальные очистные сооружения для поверхностных сточных вод.

Очищенные поверхностные сточные воды используют для подпитки оборотных систем водоснабжения. Используют их и в системах пожаротушения, при этом очистка сточных вод ограничивается, как правило, отстаиванием в прудах.

Методы и технологическое оборудование для очистки сточных вод можно классифицировать на механические, физико-химические и биологические.

Для механической очистки сточных вод от взвешенных веществ используют процеживание, обработку в поле действия центробежных сил и фильтрование.

Процеживание реализуют в решетках и волоконоуловителях.

Отстаивание основано на свободном оседании (всплывании) примесей с плотностью больше (меньше) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках и жироуловителях.

Очистку сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляют в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах.

Фильтрование применяют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией. Его используют как на начальной стадии очистки сточных вод, так и после некоторых методов физико-химической очистки. Для очистки сточных вод фильтрованием применяют в основном два типа фильтров: зернистые и микрофильтры.

Физико-химические методы очистки используют для очистки от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ. Многие методы физико-химической очистки требуют глубокого предварительного выделения из сточной воды взвешенных веществ, для чего широко используют процесс коагуляции; основными методами являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпаривание, испарение и кристаллизация.

Биологическая очистка применяется для выделения тонкодисперсных и растворенных органических веществ. Она основана на способности микроорганизмов использовать для питания содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и т.п.)

4.8 Нормирование качества воды.

Нормирование качества воды рек, озёр и водохранилищ проводят в соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны труда поверхностных вод от загрязнения».

Правила устанавливают нормируемые значения для следующих параметров воды водоёмов: содержание плавающих примесей и взвешенных веществ, запах, привкус, окраска и температура воды, значение рН, состав и концентрации минеральных примесей и растворённого в воде кислорода, биологическая потребность воды в кислороде, состав и предельно допустимая концентрация (ПДК) ядовитых и вредных веществ и болезнетворных бактерий.

Вредные и ядовитые вещества разнообразны по своему составу, в связи, с чем их нормируют по принципу лимитирующего показателя вредности (ЛПВ), под которым понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие каждого вещества.

Санитарные правила и правила охраны поверхностных вод от загрязнения устанавливают две категории водоёмов (или их участков): 1 - водоёмы питьевого и культурно-бытового назначения и 2 - водоёмы рыбохозяйственного назначения.

При нормировании качества воды в водоёмах питьевого и культурно-бытового назначения используют три вида ЛПВ: санитарно - токсикологический, обще санитарный и орсанолентический. Для водоёмов рыбохозяйственного назначения наряду с указанными используют ещё два вида ЛПВ: токсикологический и рыбохозяйственный.

Нормами установлен ПДК боле 400 вредных веществ в водоёмах питьевого и культурно-бытового назначения, а также более 100 вредных веществ в водоёмах рыбохозяйственного назначения. ПДК вредных веществ в водоёмах рыбохозяйственного назначения, как правило, меньше, чем в водоёмах питьевого и культурно бытового назначения. В табл.4.8.1 представлены ПДК некоторых веществ в воде водоёмов.

«Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения» запрещают сбрасывать в водоёмы сточные воды, если этого можно избежать, используя более рациональную технологию, безводные процессы и системы повторного и оборотного водоснабжения; если сточные воды содержат ценные отходы, которые можно было бы утилизировать; если сточные воды содержат сырьё, реагенты и продукцию предприятий в количествах, превышающих технологические потери; если сточные воды содержат вещества, для которых не установлен ПДК. При разработке оборотных систем водоснабжения промышленных предприятий необходимо планировать очистку и повторное использование поверхностных сточных вод с учётом следующих направлений оптимального решения задачи:

Таблица 4.8.1.

Вещество

Водоёмы 1 категории.

Водоёмы 2 категории

рии.

ЛПВ

ПДК,г/м3

ЛПВ

ПДК,г/м3

1

2

3

4

5

Бензол

Санитарно-токсикологический.

0,5

Токсикологический.

0,5

Фенол

Органо-лентический

0,001

Рыбохозяйственный.

0,001

Бензин

То же

0,1

То же

0,05

Cd +

Санитарно-токсикологический.

0,01

Токсикологический.

0,005

C'u

Органо-лентический.

1

То же

0,01

Zn

Общесанитарный.

1

»

0,01

Циониды

Санитарно-

токсилогический

0,1

»

0,01

 Cn         Органо-лентический.

Органно-лентический

0,1

----------------

0

 

локализация стока с отдельных участков территории

предприятия и его отвод либо в общезаводские очистные

сооружения, либо (после предварительной очистки) в

общую схему очистки поверхностных сточных вод;

  1. раздельная организация стоков с водосборных участков,

отличающихся по составу и количеству примесей,

поступающих в поверхностные сточные воды;

  1. очистка поверхностного стока совместно с производственными сточными водами;
  2. локальные очистные сооружения для  поверхностных

сточных вод.

На рисунке 4.1 представлена схема очистки поверхностных сточных вод с территории предприятия. Сточные воды из водосборных коллекторов по трубопроводу 2 поступают в отстойник - усреднитель 1, откуда насосом 4 они подаются на песчаный фильтр 6 и далее поступают в ёмкость 7 очищенной воды и по трубопроводу 8 направляются для использования в различных целях. Осадок, скопившийся в отстойнике - усреднителе 1, поступает в уплотнитель осадка 12, в который также по трубопроводу 11 подают осадок из резервуара промывной воды 10, образующейся при промывке фильтра 6 очищенной водой, отбираемой насосом по трубопроводу 9. Промывная вода из фильтра 6 поступает в резервуар 10 по трубопроводу 5 и насосом 4 через трубопровод 3 направляется в отстойник - усреднитель 1. Уплотнённый осадок периодически удаляется из уплотнителя 12 по трубопроводу 13.

 Очищенные  поверхностные  сточные  воды  используют для подпитки оборотных систем водоснабжения. Используют их и в системах    пожаротушения,    при    этом    очистка    сточных вод ограничивается, как правило, отстаиванием в прудах.

Рисунок 4.1  Схема очистки сточных вод


4.9 Вывод

В данном разделе рассмотрен анализ обеспечения безопасности технологического процесса изготовления фар с волоконно-оптическим преобразователем изображения:

  1. меры безопасности при работе с токсическими и вредными веществами;
  2. мероприятия по обеспечению безопасности воздушной среды (установка вентиляционной системы, контроль ПДК вредных веществ);
  3. установка специальных светильников, снабженных средствами взрывозащиты на отдельных участках, связанных с использованием взрывоопасных материалов.

Представлен расчет искусственного освещения участка сборки, классификация шума и средств защиты органов слуха, рассмотрены требования по нормированию вибрации, методы гигиенической оценки норм вибрации, воздействующей на человека.

В подразделе «Мероприятия по обеспечению электробезопасности» представлен расчет защитного зануления, рассмотрены средства и методы защиты от электрического тока.

В подразделе «Средства пожаротушения» рассмотрены различные средства пожаротушения.

Дан анализ качества сточных вод, представлены параметры нормирования качества воды в водоемах питьевого и культурно-бытового назначения, ПДК некоторых вредных веществ, методы очистки сточных вод.


Список используемой литературы:

  1.  Бодров А.Н, Горкин П.А. «Технология автотракторного
    электрооборудования» - М.; Машиностроение, 1996.
  2.  Левитин К.М. «Противотуманные фары и безопасность движения
    автомобилей» - М: Транспорт; 1984.
  3.  «Методические указания по составлению пояснительной записки к
    Дипломному проекту для студентов специальности
    «Электрооборудование автомобилей и тракторов» № 1206.
  4.  Левитин К.М. «Разработка нормативов к светораспределению сигнальных огней в режиме светомаскировки» - Труды НИИ автоприборов, 1984.
  5.  Скобелев В. М «Световые приборы автомобилей и тракторов» - М:
    Эйфроиздательство, 1986.
  6.  Карякин Н.А., Латышева Л Н, Мирошниченко Н.И. «Исследование
    светотежических характфистик автомобильных фар с целью разработки
    оптического элемента, отвечающего ТУ ВАЗ-ФИАТ» - М; МЭИ, 1990.
  7.  ШугаеваТ.М. «Методы расчета оптической системы автомобильных
    фар» - М; Транспорт, 1988.
  8.  Горкин П.А., Клементьев П.К. «Технология производства и ремонта
    автотракторного электрооборудования» . М: Машиностроение, 1990.
  9.  Левитин К.М. «Безопасность движения автомобилей в условиях
    ограниченной видимости» - М: Транспорт, 1989.


Патентный поиск


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16386. Знакомство с интерфейсом программы Microsoft Excel. Ввод и редактирование данных. Использование табличного процессора для выполнения расчетов 289.5 KB
  Лабораторная работа N1. Знакомство с интерфейсом программы Microsoft Excel. Ввод и редактирование данных. Использование табличного процессора для выполнения расчетов. Дисциплина: Информатика Информационные технологии Цель: познакомиться с интерфейсом программы Excel элеме
16387. Статистические функции MS Excel 216.5 KB
  Статистические функции MS Excel С использованием электронной таблицы произвести обработку данных помощью статистических функций. Даны сведения об учащихся класса включающие средний балл за четверть возраст год рождения и пол. Определить средний балл мальчиков долю
16388. Функции в Ms Excel 49 KB
  Лабораторная работа №2 Функции в Ms Excel В целом Microsoft Excel содержит около 1000 функций рабочего листа встроенных функций обеспечивающих возможность выполнения самых разнообразных вычислений. Все они в соответствии с характером вычислений делятся на 12 групп: матема...
16389. MS Excel 2007. Использование функций 147.14 KB
  MS Excel 2007. Использование функций IФункции в MS Excel. Мастер функций IIЗадание для самостоятельной работы 2.1.Математические функции 2.2.Статистические функции Функции в MS Excel. Мастер функций При проведении расчетов в электронных таблицах часто необходимо использо...
16390. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ 47.24 KB
  Математические функции Математические функции используют при выполнении арифметических и тригонометрических вычислений округлении чисел и в некоторых других случаях. 1. Курсивом оформлены необязательные аргументы функций. 2. Вместо списка чисел раздел...
16391. Использование формул и функций в MS Excel.Создание и применение шаблона 14.2 KB
  Практическая работа №5. Тема: Использование формул и функций в MS Excel.Создание и применение шаблона. Цель: Освоить технологию работы с функциями программы MS Excel.Научиться решать прикладные задачи в MS Excel. 1Функция ПРОСМОТР – возвращает значение из строки из столбца ил
16392. Microsoft Office Excel 2007. Вычисления в Excel. Формулы и функции 70.5 KB
  Практическая работа №10 Microsoft Office Excel 2007. Вычисления в Excel. Формулы и функции Практическая часть Задание 1. Переименование ячеек и создание ссылок Создайте лист Excel Правая кнопка/Создать/Лист Microsoft Office Excel и назовите его по своему усмотрению. В данном листе переимену
16393. Использование EXCEL для работы с финансовыми функциями накопления и дисконтирования 179.64 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 Использование EXCEL для работы с финансовыми функциями накопления и дисконтирования Цель работы: изучить финансовые функции ПС БС ПЛТ. Теоретическая часть При работе с финансовыми функциями используются специальные фи
16394. Microsoft Excel 2007. Форматы ячеек, функции, работа с блоками 47 KB
  Практическая работа № 12Microsoft Excel 2007. Форматы ячеек функции работа с блоками Задание 1. Число формат ячейки Создайте новый документ Microsoft Excel. Первый лист файла переименуйте в Формат. Для этого выполните двойной клик на Лист1 введите новое название листа и нажмите Enter. ...