三、照明与信号系统的组成与新技术
    1．前照灯
前照灯应保证车前有明亮而均匀的照明，使驾驶人能辩明车前150m以内路面上的任何障碍物。具有防止眩目的装置，以免夜间两车迎面相遇时，使对方驾驶人眩目而造成交通事故。前照灯还应具有指示车辆行驶趋向、在夜间会车行驶时使对方驾驶人能判断本车的外廓宽度的功能。汽车前照灯按照其光学系统可分为反射型和投影型。
    （1）反射型前照灯反射型前照灯按反光镜的形状可分为抛物面型和自由曲面型，其区别在于反光镜曲面的形状及计算方法不同。
    1）抛物面型前照灯。如图3所示为抛物面型前照灯，它分为单焦距和多焦距两种。

    如图4所示，其工作原理如下：

    ①反光镜接收、会聚前照灯灯泡发出的光线。
    ②光线经配光镜的偏移和散射。
    ③形成满足法规要求的光形。
    单焦距抛物面反光镜曲面由一条抛物线绕其轴线旋转而成，它的作用是采集、会聚来自灯泡的光线，并将此光线以平行于光轴方向射出。对于单焦距的近光灯，只有大约55％的反光镜曲面被有效利用（图5）。

    为了充分利用反光镜曲面，出现了多焦距抛物面反光镜，即反光镜曲面由多个不同焦距的曲面片组成。如图6所示，它同单焦距反光镜相比，能够大大提高反光镜曲面的利用率，同时提供更加良好的路况照明。

    2）自由曲面前照灯。如图7所示为自由曲面（FREE-FORM，简称FF）前照灯，它经历了两个发展过程。

    多光面前照灯是自由曲面前照灯的初级阶段，其反光镜由多个自由曲面组成，同传统的抛物面前照灯相比，这种前照灯的反光镜的利用率更高。但其最大缺点是：由于各反光镜的倾斜角不同，导致不必要的杂散光出现，有可能使对面的驾驶人眩目。

    自由曲面前照灯是自由曲面前照灯的高级阶段。它用一块光滑的玻璃替代了配光镜，原来配光镜的配光功能将由反光镜承担，其反光镜曲面为不规则几何形状，是计算机通过复杂运算、优化临界参数、应用仿真程序而产生的曲面，光学原理类似配光镜，能同时实现配光镜的偏移和散射功能（图8）。对于自由曲面的反光镜的近光灯，几乎接近100％的反光镜曲面被有效利用（图9）。

如图10所示，自由曲面反光镜可设计为连续式、分段式和多面式，不同的设计方案反光镜的外观区别很大。分段式反光镜是最佳的设计方案，可以得到理想的光形。连续式反光镜存在很大的设计局限性，这种曲面上不允许有台阶和拐点。这种曲面的优点是产生不必要的光线的可能性较小。多面式反光镜由于曲面形状的突变，会产生许多不必要的光线，有可能导致眩目的产生，但这种反光镜的最大优点是具有非常明亮的外观。

    自由曲面反光镜还具有如下优点：
    ①光线完全能够满足法规中高达60°可见角的要求。
    ②通过无纹配光镜可以清晰地看到前照灯的内部结构。
    ③使汽车前照灯的设计具有更大的自由度。
    由于自由曲面前照灯使用的是无纹配光镜，非常容易看见反光镜表面的灰尘颗粒及配光镜中的气泡，故无纹配光镜意味着很高的生产和开发费用。
    （2）投射型前照灯如图11所示为投射型前照灯，其工作原理与投影幻灯机相同，由灯泡、反光镜、挡板、凸透镜和配光镜组成。如图12所示，反光镜曲面为复合椭球面，其横截面为椭圆，纵截面为椭圆，灯泡位于椭球面的第一个焦点处，椭球面的第二个焦点同凸透镜的焦点重合。由位于椭球面第一个焦点处的灯泡发出的光线经反光镜反射后，在第二个焦点会聚，经凸透镜折射后，成为平行于光轴的光线，再经配光镜的折射，形成满足法规要求的光形。投射型近光灯系统还使用了挡板，挡板的作用是遮挡一部分光线，形成法规要求的明暗截止线。设置在第二焦点附近的挡板遮挡了二部分的反射光，因而可以非常容易地获得非常清晰的明暗截止线。

    投射型前照灯分为DE前照灯和超级DE前照灯。最初DE前照灯使用的是三轴椭圆面反光镜，现在的DE前照灯反光镜是经计算机优化的自由曲面，只有一部分类似椭圆面。超级DE前照灯使用的也是自由曲面，只是它将光的利用率从DE前照灯的大约36％提高到52%。它通过计算机优化设计反光镜和配光镜的曲面，使挡板尽量少地遮挡反光镜反射的光线，从而达到提高反光镜的利用率的目的。

  虽然DE前照灯的专利是在20世纪30年代被授予的，但它在汽车制造业中一直枣被采用。直到后来，随着生产技术的提高，才使大批量生产DE灯成为可能。投射型前照灯的发展经过了如下几个步骤。
    1）反光镜和透镜曲面由二次曲线旋转而成，使用Hl灯泡，近光灯挡板结构简单。
    2）具有自由曲面反光镜的、高效的超级DE灯。
    3）使用金属的自由曲面反光镜，采用高精度、低成本的光学系统。
    4）增加了抛物面反光镜环，使透镜周围看起来更加明亮。
    5）生产出直径为70mm的透镜，它使超级DE前照灯质量较轻，且投射到配光镜上的光线密度较小。
    6）无近光灯挡板，高效的DE灯。
    7）使用40mm透镜。
使用40mm透镜是为了满足造型需要，从光学角度讲，应首选大直径的透镜。因为透镜直径的减小意味着光透过的面积减小，40 mm透镜的表面积只有70mm透镜的1/3。也就是说对于使用40mm透镜的前照灯来说，投射到配光镜上的光线密度较大，这就增加了塑料配光镜的设计难度。只要配光镜表面稍脏一点，就会造成前照灯眩目程度的明显增大。从光学的角度来讲，DE灯只能用于近光灯和雾灯系统，远光灯系统最好仍使用传统的反射型灯光系统。

    （3）高强度放电灯如图13所示为高强度放电灯（High Intensity Discharge Lamp），简称HID灯，也叫气体放电灯（Gas Discharge Lamp），简称GDL。由于这种灯充入的是氨气，故有时也称之为氙灯。高强度放电灯使用的是一种新型光源，与其相应的其他电子元件也是为这个光源专门设计的。它与传统的前照灯系统具有相同的机械和光学元件，故法规对卤钨前照灯的要求对它也是适用的。

    1） HID前照灯的特点。与传统的前照灯相比，HID前照灯系统提高了驾驶的舒适性和安全性。特别是在弯道上，能够尽早地观察到道路边缘行人、骑车者及障碍物。此外，HID前照灯还具有以下特点。
    ①发光效率高，亮度大，消耗能量小，可靠性高，寿命长，不受车上电压波动影响。
    ②在限制地面照明的同时，改善横向分布。
    ③在限制最大照度的同时，扩大亮区范围。
    ④限制左车道的照度，以减少雨天和路面潮湿时，反射光对对面来车的眩目效应。
    2） HID前照灯的工作原理及步骤。利用高压脉冲电加在完全密闭的微型石英灯泡（管）内的金属电极之间，激励灯泡内的物质（氙气、少量的水银蒸气、金属卤化物）在电弧中电离产生光亮，因此灯管内有一颗小小的玻璃球，这其中就是灌满了氙气及少许稀有金属，只要用电流去刺激它们进行化学反应，两者就会发出高达4000～12000K色温的光芒，光色一般呈蓝白色。
    其工作步骤如下：
    ①系统接通，由调压单元中的高频直流-交流-直流变换器将汽车上的12V直流电转换成85V维持灯泡工作的直流电。
    ②由调压单元将85V直流电转换为使放电灯泡放电所需的25 kV高压电，点火单元将此高压脉冲加在放电灯泡的两电极上（每10ms点火7次），产生电弧，继而气体电离发光，电离的气体产生并传导电流，使灯泡中的金属盐蒸发。此时，光源发出的光是最终光通量的1/30 3s后，所有金属盐蒸发完毕，灯泡发出的光达到工作光通量。
    ③光源达正常输出后，调压单元向放电灯泡提供的是85V的工作电压。放电灯的发光颜色由灯泡中的金属卤化物和氙气共同决定。

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