96030

Проект фары ближнего света на светодиодных элементах

Дипломная

Логистика и транспорт

У галогеновых и особенно ксеноновых ламп есть неприятная особенность, которая обусловлена принципом их работы – это некоторая инерционность связанная с временем необходимым для нагрева спирали в лампе или же для разгорания дуги в полную силу. У светодиодов инерционность гораздо ниже, что так же немаловажно для транспортных средств.

Русский

2015-10-02

1.44 MB

8 чел.

Введение

Хорошее освещение дороги перед автомобилем всегда было одним из основных требований безопасности  дорожного  движения. Автомобильные фары прошли путь от керосиновых и ацетиленовых фонарей до современных высокоэффективных систем освещения.

В настоящее время большинство автомобилей оборудуется фарами с галогенными лампами, которые более эффективны, чем обычные лампы накаливания. Их основным  преимуществом  является   невысокая стоимость, а к недостаткам можно отнести не очень высокую эффективность - примерно  27 лм/Вт, необходимость частой  замены ламп из-за разрыва нити накаливания. В среднем срок службы галогеновой лампы составляет  1000 часов.

В то же время появляется все больше автомобилей, в фарах которых применяются  газоразрядные лампы, которые еще недавно устанавливались только на автомобилях представительского класса. Газоразрядные лампы (в случае автомобильных фар чаще всего ксеноновые ) в первую очередь  являются более эффективными по сравнению с галогеновыми, так как они генерируют  больший световой поток при одинаковом потреблении энергии. Так, согласно данным, ксеноновые лампы имеют эффективность около  70 лм/Вт,  кроме этого газоразрядные лампы имеют больший срок службы, в среднем  2000 часов. К недостаткам ксенона можно отнести более высокую стоимость ламп и самой фары, кроме этого для ксеноновых фар требуется отдельный прибор – блок розжига, который служит для создания высокого напряжения и поджигания дуги.

В последние годы, с развитием полупроводниковых технологий, все большее распространение получают  светодиоды.

Самое  важное  их преимущество - это высокая  энергоэффективность, для современных светодиодов она достигает 160 лм/Вт. А благодаря маленьким размерам, светодиоды позволяют осуществлять с собой всевозможные манипуляции, что позволяет создать все виды форм и сборок, идеально соответствующих моделям автомобилей. Кроме этого, у светодиодов гораздо больший срок службы (до 40000 часов) по сравнению с вышеперечисленными источниками света, что делает срок службы светодиодной фары сравнимым со сроком службы всего автомобиля. У галогеновых и особенно ксеноновых ламп есть неприятная особенность, которая обусловлена принципом их работы – это некоторая инерционность связанная с временем необходимым для нагрева спирали в лампе или же для разгорания дуги в полную силу. У светодиодов инерционность гораздо ниже, что так же немаловажно для транспортных средств.

Но есть  у светодиодов и свои недостатки. Несмотря на  малое потребление энергии, светодиоды в нижней части эмиттера выделяют большое количество тепла, которое необходимо каким-то образом активно рассеивать, поскольку при сильном нагреве срок службы светодиодов значительно сокращается. Это приводит к тому, что мощные светодиодные элементы приходится устанавливать на крупные и массивные радиаторы. Однако для светодиодов которые применяются для  ближнего и дальнего света такого пассивного охлаждения зачастую  оказывается недостаточно, и в таких случаях на эти радиаторы устанавливают электрические вентиляторы. Они также потребляют лишнюю электроэнергию, достаточно громоздки, и, поскольку имеют движущийся ротор и подшипники скольжения, являются менее надежным узлом, чем сам светодиодный элемент.

Зато светодиоды нашли широкое применение для габаритных огней, указателей поворота, дневных ходовых огней и стоп-сигналов, так как там такая сила света не требуется и их мощность(а следовательно и выделяемое тепло) сравнительно маленькая.

Есть ещё один важный аспект, который необходимо учитывать, это, конечно, стоимость производства. В настоящее время, светодиоды по своей стоимости  сравнимы с галогеновыми и ксеноновыми  лампами. Что позволяет им получать все большее распространение, учитывая значительно больший срок службы светодиодов.

В данном дипломном проекте рассматривается целесообразность применения светодиодной  фары ближнего света на  городском наземном  транспорте с точки зрения соответствия принятым в настоящее время нормам на сертификацию осветительных приборов. А также влияние такого технического  решения на безопасность жизнедеятельности и экономическую выгоду от такого проекта.

Глава 1. Анализ нормативно технической документации на разработку приборов внешнего освещения на городском транспорте

1.1 Общие требования к фарам ближнего света

Согласно  ГОСТ 8769-75 (приборы внешние световые автомобилей, автобусов, троллейбусов, тракторов, прицепов и полуприцепов,количество, расположение, цвет, углы видимости).

Фара ближнего света - световой прибор, предназначенный для освещения дороги впереди транспортного средства при разъезде с встречным транспортным средством, а также при движении по городским улицам.

Требования к фарам ближнего света.

1.1.1. На каждом транспортном средстве, кроме   прицепов   и   полуприцепов , должны быть установлены две фары ближнего света.

1.1.2. Расположение фар ближнего света на транспортном средстве должно соответствовать указанному на рис. 1.

 

рис. 1

1.1.3. Фары ближнего света должны излучать белый свет. Допускается применение фар с селективно-желтым светом.

1.1.4. Фары ближнего света, устанавливаемые на транспортных средствах, проектирование которых начнется после 1 января 1986 г., должны быть видны в вертикальной и горизонтальной плоскостях в пределах углов видимости, указанных на рис. 1а


рис. 1а

1.1.5 Для механических транспортных средств вертикальное направление лучей ближнего света, измеряемое в статических условиях и при всех условиях нагрузки, определенных в приложении 3, должно оставаться от минус 0,5 до минус 2,5 % без ручной регулировки. В случае «порожнего транспортного средства» это вертикальное направление должно первоначально регулироваться от минус 1 до минус 1,5%. Для каждого типа транспортного средства предприятие-изготовитель должно указывать это первоначальное направление на табличке, устанавливаемой на каждом транспортном средстве.

Если указанное вертикальное направление обеспечивается при помощи устройства, регулирующего положение фары относительно транспортного средства, то в случае отказа этого устройства должна быть исключена возможность возвращения луча в положение более низкое, чем то, при котором произошел отказ данного устройства. Это условие должно обеспечиваться автоматически.

Допускается применение ручных регулировочных устройств непрерывного или ступенчатого действия, если предусмотрено исходное положение, обеспечивающее первоначальную регулировку фар в вертикальном направлении, указанном в п. 1.1.5, с помощью обычных регулировочных винтов. Эти ручные регулировочные устройства должны приводиться в действие с места водителя.

На регулировочных устройствах непрерывного действия должны быть контрольные точки, указывающие основные условия нагрузки.

1.1.6 Регулировочные  устройства ступенчатого действия должны иметь такое число ступеней, чтобы, начиная с первоначального значения вертикального направления, находящегося между 1 и 1.5 %, оно могло обеспечить все значения, находящиеся в пределах от 0.5 до 2.5 % для всех условий нагрузки, определенных в приложении 3. Условия нагрузки для каждой ступени должны быть ясно указаны около привода управления.

1.1.7 Согласно Правилам ЕЭК ООН 112 (фары дальнего и ближнего
света автомобилей
,   технические условия), световые характеристики фар должны оцениваться по освещенности в контрольных точках на вертикальном измерительном экране, расположенном на расстоянии 25 м от их светового центра (точка пересечения оси отражателя с внешней поверхностью рассеивателя). Контрольные точки ближнего света показаны на рис. 2

Так же существует правило ЕЭК ООН N 98  (Единообразные предписания,
касающиеся официального утверждения фар механических транспортных средств с  газоразрядными источниками света).

Освещенность в контрольных точках измерительного экрана (рис. 2) должна соотвествовать значениям в таблице 2.

Рис. 2

Таблица 2

Точка на измерительном экране

Требуемая освещенность по ЕЭК ООН 112, лк

Требуемая освещенность по ЕЭК ООН 98, лк

В 50 L

не более 0,4

не более 0,5

75 R

не менее 12

не менее 20

50 L

не более 15

Не более 20

50 R

не менее 12

не менее 20

50 V

не менее 6

не менее 12

25 L

не менее 2

не менее 4

25 R

не менее 2

не менее 4

Любая точка в зоне I

не более 2E<*>

не более 20

Любая точка в зоне III

не более 0,7

не более 0,7

Любая точка в зоне IV

не более 3

не более 4

<*> E –фактическая освещенность в точке 50R и соответственно 50L.

Так как светодиодные источники света являются более эффективными, чем галогеновые и газоразрядные лампы, принимаем, что новая разработка должна соответствовать критериям освещенности по Правилам ЕЭК ООН 98.

1.1.8 Свет, излучаемый фарами, должен быть белым. Координаты цветности должны, по локусу рис (3), соответствовать указанным в табл. З. 

Таблица 3

Пределы в сторону цветов

Координаты цветности

Синего

х ≥ 0,310

Красного

у 0,382

Зеленого

у ≤ 0,150 + 0,640х

у ≤  0,440

Пурпурного

у ≥ 0,050 + 0,750х

Желтого

х ≤ 0,500

Рис 3

Так как светодиодные источники света являются более эффективными, чем галогеновые и газоразрядные лампы, принимаем, что новая разработка должна соответствовать критериям освещенности по Правилам ЕЭК ООН 98.

1.2 Технические требования к  внешним осветительным приборам.

1.2.1. Фары дальнего и ближнего света должны изготовляться в соответствии с требованиями ГОСТ 3940.

1.2.2. Степень защиты фар от проникновения посторонних тел и воды — IР54 по ГОСТ 14254.

Степень защиты от проникновения посторонних тел и воды металлостеклянного полуразборного оптического элемента IP44.

1.2.3. Место соединения отражателя с приклеенным рассеивателем должно быть герметичным.

1.2.6. Детали фар из пластмассы и резины должны быть устойчивыми к воздействию топлива и смазочных материалов.

1.2.7. Оптические элементы и детали их крепления должны иметь устройства, предотвращающие возможность самопроизвольного изменения положения оптического элемента.

1.2.8. Падение напряжения в цепи фары, включая предусмотренные на фаре присоединительные провода, не должно превышать 150 мВ при номинальном токе каждой нити лампы в отдельности.

1.2.9. Окраска видовых поверхностей фар (поверхность, видимая при внешнем осмотре фары, установленной в рабочем положении на автомобиле) — по ГОСТ 9-032.

На видовой поверхности допускаются следы вытяжных переходов от штампов. На остальных поверхностях деталей допускаются следы от подвесок, наплывы и подтеки лака или эмали.

Внешний вид фар должен соответствовать утвержденному образцу, согласованному в установленном порядке.

1.2.10. Ресурс фар должен быть не менее ресурса до первого капитального ремонта транспортного средства. Критерием предельного состояния фары (кроме оптического элемента) является невозможность регулирования направления светового пучка и (или) сквозное разрушение корпуса фары.

1.2.11. Ресурс полуразборного металлостеклянного оптического элемента должен быть не менее 100 тыс. км пробега автомобиля или 2000 моточасов работы транспортного средства; ресурс полуразборного оптического элемента с антикоррозионной защитной пленкой — не менее 200 тыс. км пробега автомобиля или 4000 моточасов работы транспортного средства.

Срок службы оптического элемента — не менее двух лет, а оптического элемента с антикоррозионной пленкой — не менее четырех лет.

1.2.12. Фары должны выдерживать без видимых повреждений включение на время до 12 ч при температуре окружающей среды (23±5) *С.

Глава 2. Конструктивный раздел

2.1 Обзор аналогичных конструкций

На данный момент существует множество различных конструкций фар ближнего света, как в отдельном корпусе, так и в модуле блок фары. Подавляющее большинство из них имеют галогенные либо ксеноновые лампы. Рассмотрим подробнее конструкцию модуля ближнего света Hella 60мм, который представляет из себя галогенную фару с элипсоидным отражателем и линзой .

2.1.1 Обзор конструкции модуля ближнего света Hella 60мм.

Аналогом разрабатываемой фары является модуль ближнего света Hella 60 мм рис. 3.

Рис. 3. Модуль ближнего света Hella

2.1.2 Описание конструкции.

Модуль ближнего света Hella 60мм содержит (Рис.4):

Корпус (1) , Крышка (2) , Лампа HB3 (3) , Отражатель(4) , Линза(5) ,Экран(6).

Рис.4

Конструкция модуля представлена на рисунке 4.

Основой конструкции служит герметичный пластмассовый корпус (1).В корпусе выполнено  отверстие и  специальные  пазы под лампу HB3. Лампа (3) имеет специальные выступы, которыми она плотно закрепляется в корпусе. Герметичность этого соединения обеспечивается резиновым уплотнительным кольцом, устанавливающимся на все лампы типа HB3. В корпус впрессован эллиптический  отражатель(4), таким образом, чтобы нить накала лампы оказывалась в его первом фокусе. Экран (6) плотно вставлен в специальную прорезь и имеет таким образом жесткое соединение с корпусом. В  крышке (2), в специальное посадочное место установлена линза, которая держится в нем за счет силы трения.

Крышка прижимается к корпусу и зацепляется за него при помощи пластиковых эластичных защелок, обеспечивающих плотное герметичное соединение.

2.1.3 Принцип действия фары.

Лампа HB3 установлена в корпусе таким образом, чтобы ее нить накала была в  первом фокусе эллипсоидного отражателя. К лампе подводится напряжение, нить накала, пропуская через себя ток, нагревается и начинает излучать свет.

Эллипсоидный отражатель собирает все лучи идущие от лампы и фокусирует их на непроницаемом экране. Таким образом, лучи которые идут в направлении зоны глаз встречных водителей  попадают на экран и не проходят дальше . Те лучи, которые проходят над экраном, попадают на линзу, которая заново фокусирует их, в результате чего  изображение экрана переносится на дорогу в перевернутом виде и получается четкая светотеневая граница как показано на рисунке 5, которая и требуется в соответствии с техническими требованиями к фарам ближнего света.

 

                                                             Рис. 5

На рисунке 6 приведены изолюксы для данной фары.

Рис 6

2.2 Модуль ближнего света на светодиодных элементах.

На основании требований к фарам ближнего света, приведенных в главе 1, предлагается новая конструкция – модуль фары ближнего света на светодиодных элементах.

2.2.1 Модуль фары ближнего света содержит:

Корпус (1), оправа линзы(2) ,кольцо(3) ,опора отражателя(4), опора экрана(5), экран(6), радиатор(7) ,линза(8), светодиод(9),  вентилятор(10), отражатель(11).

Рис. 6 Модуль ближнего света составные элементы

Конструкция  предлагаемого модуля представлена на рисунке 6.

Корпус (1) служит основой и креплением для остальных элементов .

Внутрь корпуса, с передней стороны, запрессована опора отражателя (4), которая  прижимает отражатель (11) к  светодиоду (9) .

В нижней части корпуса на винтовом соединении  крепится опора экрана(5), на которой непосредственно крепится сам экран(6).

На переднюю его сторону, в специальный паз, устанавливается линза(8), после чего она  прижимается оправой линзы(2), которая в свою очередь накручивается на корпус по резьбе М68.

На заднюю сторону корпуса винтами крепится радиатор (7).

Рис. 7

Так же в корпусе с нижней стороны вырезано  отверстие (13) для проводов питания (14) .

Светодиод крепится к радиатору вплотную, при помощи винтового соединения. К светодиоду (Рис. 7), в специальные контактные точки (12)  припаиваются 2 провода питания (положительный и отрицательный) .Далее провода питания проходят через специальное отверстие(13) внизу корпуса и на конце имеют специальный разъем (15), с помощью которого они подсоединяются к бортовой сети автомобиля.

Рис 8

2.2.2 Принцип работы модуля ближнего света.

К контактам светодиода (1) (40 Вт) подводится напряжение и он начинает излучать сильный пучок света. Светодиод расположен в фокусе параболического  отражателя (2),  таким образом, что  лучи  исходящие из центра светодиода попадают на отражатель, далее идут параллельно главной оптической оси и далее фокусируются линзой(4) на измерительном экране(5) (Луч 1).Часть светодиода перекрывается экраном(3), таким образом, что верхняя светотеневая  граница на измерительном экране по форме повторяет экран (3), параметры которого заданы требованиями к фарам ближнего света (Луч 2).

Таким образом, все множество лучей исходящих из светодиода укладываются в диапазон между Лучом  2 и Лучом 3 на измерительном экране. Что обеспечивает требуемую светотеневую границу.

2.2.2 Основным преимуществом  такой конструкции, по сравнению с  рассмотренным выше модулем ближнего света Hella, является применение в ней мощного светодиода , вместо галогеновой лампы HB3.

В модуле ближнего света применяется светодиод LG 40W COB G2  3,000K

На рисунке 9 приведены его основные габаритные показатели.

Рис. 9

В таблице  основные электро-оптические характеристики светодиода.

Характеристики светодиода                                                        Таблица 4

Параметр

Условия

Значение

Единицы измерения

Напряжение

Тр=25оС

If = 1040мA

37,0

В

Световой поток

4656

лм

Эффективность

121

лм/Вт

Цветовая температура

3,045

K

Угол излучения

116

град.

Выделение тепла

0,6

град/Вт

2.2.3 Цветовая температура свечения светодиода 3045К, что является оптимальной цветовой температурой для восприятия человеческим глазом в темноте. Так же данные значения обеспечивают полное соответствие правилу ЕЭК ООН 112.

2.4 Расчет освещенности экрана для модуля ближнего света на светодиоде

Рассчитаем освещенность экрана в точке 75R. Для этого найдем освещенность площадки диаметром 0,1м, центром которой и будет являться точка 75R,как показано на  рис 9.

Рис. 9

Исходные данные для расчета:

Диаметр площадки на экране D2 = 0,1м.

Диаметр светящей поверхности светодиода D1 = 22,5 мм = 0,0225м.

Фокус линзы 45мм.= 0,045м.

Расстояние от светодиода до  линзы 50мм = 0,050м.

Расстояние от фары до экрана r = 25м.

Световой поток излучаемый светодиодом   Ф1 = 4656лм.

2.3.1 Найдем увеличение линзы Г.

,

Где f- Расстояние от линзы до экрана,

      d- Расстояние от светодиода до линзы.

2.3.2 Найдем площадь всей светящей поверхности светодиода:

Рис.10

2.3.3 Радиус светящей поверхности :

Площадь светящей поверхности

2.3.4 Зная радиус пятна на экране:

м.

А также зная увеличение линзы Г= 500, определяем радиус светового пучка, исходящего от светодиода в направлении экрана:

2.3.5 Находим площадь сечения этого светового пучка на светодиоде:

Рис.11

2.3.6 Зная общую площадь светящей поверхности светодиода  и световой поток , исходящий из этой поверхности, мы составляем пропорцию и находим световой поток , приходящийся на выбранный ранее участок на экране.

2.3.7 Определим телесный угол для данного светового пучка:

Рис. 12

2.3.8 Находим силу света в этом пучке:

2.3.9 Определяем освещенность экрана:

2.3.10 Принимаем, что:

Потери на каждой плоскости – 4%,

Потери в линзе - 10%,

Потери в защитном стекле фары – 5%,

2*4+10+5=23%,

Итого 23% потерь, тогда 100% - 23% = 77%.

Освещенность экрана учитывая потери в световом приборе:

Требования к фарам ближнего света, изложенные в главе 1, предписывают освещенность в точке 75R не менее 20 лк, при использовании фары ближнего света на светодиодных элементах мы получаем расчетную освещенность в данной точке 36лк, что в 1,5 раза превышает минимальное значение. Из этого можно сделать вывод, что со светодиодными фарами освещенность экрана легко удовлетворяет действующим требованиям правил.

На рис. приведено светораспределение (изолюксы) предлагаемой фары полученное в результате измерений.

Рис.

Выводы

В данном разделе дипломного проекта была рассмотрена новая конструкция – фара ближнего света на светодиодных элементах. Новая конструкция рассматривалась как замена существующему аналогу – модулю ближнего света Hella 60мм. Для модуля ближнего света Hella 60мм было показано устройство его конструкции, а так же принцип его работы, далее были приведены результаты измерений (изолюксы) освещенности экрана, которые являются основным качественным показателем светового прибора. Далее была подробно описана предложенная конструкция – фара ближнего света на светодиодных элементах и описан принцип ее работы. Так же был произведен расчет освещенности которую обеспечивает данный световой прибор, который показал что фара с 1,5 кратным запасом удовлетворяет требованиям правил   ЕЭК ООН   98. Также  были представлены результаты испытаний (изолюксы) данной фары. На основании этих испытаний можно сделать вывод что фара с запасом удовлетворяет всем требованиям по освещенности, а так же значительно превосходит результаты своего аналога - модуля ближнего света Hella 60мм, при этом потребляя меньше энергии (40Вт мощность светодиодной фары, 60Вт мощность лампы HB3)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80591. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИРОДНЫХ РЕГИОНОВ МИРА 362.5 KB
  Различают несколько групп хозяйственно-культурных типов: Первобытные охотники собиратели и рыболовы среди которых различают: собирателей и охотников жаркого пояса собирателей и рыболовов морских побережий и бассейнов больших рек охотников и рыболовов холодного пояса...
80592. Приливы в Мировом океане 315.43 KB
  Учебное пособие посвящено одной из наиболее интересных проблем современной океанологии - теоретическому изучению приливов в Мировом океане. В нем собраны и систематизированы любопытные сведения о приливах – их громадной роли в истории человечества, их месте в современной жизни и что можно ожидать от них в будущем.
80593. ФИЗИЧЕСКАЯ ГЕОГРАФИЯ МАТЕРИКОВ И ОКЕАНОВ 204.22 KB
  Сложен метаморфическими породами докембрия и нижнего палеозоя. Восточная часть архипелага - платформа, покрытая чехлом осадочных пород палеозоя и мезозоя; западная сформировалась в эпоху каледонского орогенеза.
80596. Колебания уровня и волны в Мировом океане 637 KB
  Колебания уровня вследствие неравномерности в процессе поступления (осадки, речной сток) или расхода воды (испарение) также могут быть весьма значительными. Так, сильные ливневые осадки могут вызвать кратковременные резкие подъемы уровня.
80597. Письменное сложение и вычитание трёхзначных чисел без перехода через десяток 54 KB
  Цель: учить детей пользоваться письменным приёмом сложения и вычитания трёхзначных чисел без перехода через разрядную единицу способом вычисления в столбик; развивать математические способности, речь, логическое мышление, зрительную память, познавательный интерес и самостоятельность...
80598. Дикі та свійські тварини 73.5 KB
  Мета: ознайомлювати учнів з істотними ознаками диких і свійських тварин; учити визначати яку користь приносить свійські тварини людині;формувати уміння їх розпізнавати за істотними зовнішніми ознаками місцем мешкання способом харчування; розвити логічне мислення через завдання на порівняння...
80599. Пригадайте, поміркуйте. Підсумковий урок по темі «Шевченкове слово» 36 KB
  Мета: систематизувати і узагальнити знання учнів з теми; розширити знання з теми Шевченко-художник; ознайомити із творчістю землячки народної художниці Катерини Білокур; вчити учнів порівнювати; виховувати любов до рідної землі до прекрасного. Знайомство з творчістю народної художниці Катерини Білокур.