Развитие автомобильных фар.
икс файл
offline
метки: фото
Почему первые фары были газовыми, как русский инженер помог General Electric внедрить электрический свет и чем линзованная оптика лучше рассеивателей. Изучаем столетнюю эволюцию фар от карет с керосинками до конца ХХ века.Фары для автомобиля — это все. Они освещают дорогу, они делают его заметным для остальных участников движения, недаром как в России, так и во многих других странах ближний свет должен быть включен в любое время суток. Ну а кроме того, фары являются важным имиджевым элементом или даже визитной карточкой некоторых моделей.
Подробнее в комментариях.
икс файл
offline
Первый опыт
Первые световые приборы пришли на машины из мира карет. Вопреки распространенному заблуждению, кареты были не такими уж примитивными транспортными средствами, у них имелись и подвески, и системы обогрева, и даже тормоза. И, разумеется, освещение. Первоначально освещение дороги не входило в число приоритетных задач — главным было обозначить положение экипажа на дороге и осветить ближайшие окрестности.
Скорости были невелики, лошади сами искали дорогу, да и ночные поездки были не слишком частыми. Обычно в полной темноте ехать не было нужды, либо это была хорошая лунная ночь, либо карета ожидала рассвета на постоялом дворе от греха подальше. Боялись тогда вовсе не ночных ДТП, а дорожного разбоя.
Первые световые приборы пришли на машины из мира карет. Вопреки распространенному заблуждению, кареты были не такими уж примитивными транспортными средствами, у них имелись и подвески, и системы обогрева, и даже тормоза. И, разумеется, освещение. Первоначально освещение дороги не входило в число приоритетных задач — главным было обозначить положение экипажа на дороге и осветить ближайшие окрестности.
Скорости были невелики, лошади сами искали дорогу, да и ночные поездки были не слишком частыми. Обычно в полной темноте ехать не было нужды, либо это была хорошая лунная ночь, либо карета ожидала рассвета на постоялом дворе от греха подальше. Боялись тогда вовсе не ночных ДТП, а дорожного разбоя.
икс файл
offline
Масляные и керосиновые лампады
С появлением первых самодвижущихся повозок и постепенным ростом скоростей старые способы с использованием керосиновых, масляных ламп или даже свечей себя исчерпали. На момент появления автомобиля уже были известны и параболические отражатели и даже линзы, они использовались в фонарях на судах и на железной дороге, но все упиралось в источник света.
Мощные газовые фонари требовали запаса газа, а его надолго не хватало, даже довольно большой и тяжелый баллон работал от силы час. Электрические лампы требовали мощного источника тока, а с ним были проблемы. Даже системы зажигания на первых машинах были основаны на магнето, свободной электроэнергии не было на борту, а аккумуляторов не хватало даже на электромобилях. Последние тоже довольствовались керосиновым или газовым освещением.
Первые газовые лампы
Решение предложил Луи Блерио в 1896 году, запатентовав ацетиленовую лампу и генератор. Прелесть этого решения была в том, что горючий газ ацетилен вырабатывался прямо на машине при соединении карбида кальция и воды. Без воды карбид был почти безопасен, а объем производимого газа легко регулировался поступлением воды в генератор.
Пламя ацетиленовой горелки оказалось очень мощным, ярким и довольно "чистым" — копоти почти не было, что позволяло использовать различные оптические элементы в компактной фаре. А объем готового ацетилена, весьма опасного газа, склонного к детонации и самовозгоранию, оказывался невелик. К тому же ацетиленовый генератор можно было расположить подальше от фар, которые часто повреждались.
С появлением первых самодвижущихся повозок и постепенным ростом скоростей старые способы с использованием керосиновых, масляных ламп или даже свечей себя исчерпали. На момент появления автомобиля уже были известны и параболические отражатели и даже линзы, они использовались в фонарях на судах и на железной дороге, но все упиралось в источник света.
Мощные газовые фонари требовали запаса газа, а его надолго не хватало, даже довольно большой и тяжелый баллон работал от силы час. Электрические лампы требовали мощного источника тока, а с ним были проблемы. Даже системы зажигания на первых машинах были основаны на магнето, свободной электроэнергии не было на борту, а аккумуляторов не хватало даже на электромобилях. Последние тоже довольствовались керосиновым или газовым освещением.
Первые газовые лампы
Решение предложил Луи Блерио в 1896 году, запатентовав ацетиленовую лампу и генератор. Прелесть этого решения была в том, что горючий газ ацетилен вырабатывался прямо на машине при соединении карбида кальция и воды. Без воды карбид был почти безопасен, а объем производимого газа легко регулировался поступлением воды в генератор.
Пламя ацетиленовой горелки оказалось очень мощным, ярким и довольно "чистым" — копоти почти не было, что позволяло использовать различные оптические элементы в компактной фаре. А объем готового ацетилена, весьма опасного газа, склонного к детонации и самовозгоранию, оказывался невелик. К тому же ацетиленовый генератор можно было расположить подальше от фар, которые часто повреждались.
икс файл
offline
Запаса карбида в генераторе хватало на несколько часов, а зеркало фары надо было чистить не чаще, чем раз в десять-двадцать часов. По тем временам это был вполне разумный интервал технического обслуживания. Часто примерно через такое же время нужно было уже проводить серьезные работы по двигателю и подвеске.
Наиболее "чистые" и технически совершенные карбидные лампы могли вообще не требовать технического обслуживания годами, а свет, производимый ими, попадал в самый "удачный" для человеческого глаза диапазон. Но конкуренции с электрическим освещением газовые лампы не выдержали. Как только электрические лампы стали долговечнее и появились достаточно мощные генераторы, яркая эра карбидного освещения закончилась.
Наиболее "чистые" и технически совершенные карбидные лампы могли вообще не требовать технического обслуживания годами, а свет, производимый ими, попадал в самый "удачный" для человеческого глаза диапазон. Но конкуренции с электрическим освещением газовые лампы не выдержали. Как только электрические лампы стали долговечнее и появились достаточно мощные генераторы, яркая эра карбидного освещения закончилась.
икс файл
offline
Переход к электричеству
Электрическое освещение пытались приспособить для машин и паровозов еще с момента изобретения первых вакуумных электрических лапм, например, конструкции Александра Лодыгина в 1874-м или Томаса Эдисона в 1879-м. Основным достоинством электричества являлись полная безопасность и отсутствие необходимости очищать оптическую систему фонаря.
До изобретения вольфрамовой нити лампы изготавливали с угольной нитью или с платиновой, но первые были не очень долговечны, а вторые очень уж дороги. Первые патенты на использование вольфрамовой нити получил, опять же, Лодыгин. Уже в 1906 году он продал разработку корпорации General Electric, которая смогла значительно удешевить производство вольфрамовой нити и в 1910-м запустить лампы в серийное производство.
Электрическое освещение пытались приспособить для машин и паровозов еще с момента изобретения первых вакуумных электрических лапм, например, конструкции Александра Лодыгина в 1874-м или Томаса Эдисона в 1879-м. Основным достоинством электричества являлись полная безопасность и отсутствие необходимости очищать оптическую систему фонаря.
До изобретения вольфрамовой нити лампы изготавливали с угольной нитью или с платиновой, но первые были не очень долговечны, а вторые очень уж дороги. Первые патенты на использование вольфрамовой нити получил, опять же, Лодыгин. Уже в 1906 году он продал разработку корпорации General Electric, которая смогла значительно удешевить производство вольфрамовой нити и в 1910-м запустить лампы в серийное производство.
икс файл
offline
Несмотря на КПД около 2-3%, это было серьезным прорывом, ведь электричество в машине можно было применить не только для работы головного освещения. Освещение панели приборов и салона, электрический прикуриватель сигар, батарейное контактное зажигание и самое главное — электрический стартер для двигателя! И об этом в нашем рассказе стоит упомянуть чуть подробнее.
В 1911 году сотрудник компании Delco Чарльз Кеттеринг опубликовал в журнале Popular Mechanics статью о проектируемом им устройстве электрического старта. Причем стартер являлся еще и генератором, ведь электричество для зарядки аккумуляторной батареи тоже нужно было где-то брать.
Идея настолько понравилась основателю компании Cadillac (и Lincoln, кстати) Генри Леланду, что в 1912 году в серийное производство запустили первый автомобиль с "полным электропакетом" — Cadillac Model Thirty SelfStarter, на котором был и электростартер, и генератор, и, разумеется, полное электрическое освещение, включая задние фонари и освещение салона.
Можно сказать, что прорыв в электрификации серьезно повысил шансы на победу ДВС в затянувшейся борьбе с паровыми автомобилями и электромобилями, удобство использования и надежность запуска намного улучшились, а по мощности и автономности ДВС и так опережал конкурентов.
В 1911 году сотрудник компании Delco Чарльз Кеттеринг опубликовал в журнале Popular Mechanics статью о проектируемом им устройстве электрического старта. Причем стартер являлся еще и генератором, ведь электричество для зарядки аккумуляторной батареи тоже нужно было где-то брать.
Идея настолько понравилась основателю компании Cadillac (и Lincoln, кстати) Генри Леланду, что в 1912 году в серийное производство запустили первый автомобиль с "полным электропакетом" — Cadillac Model Thirty SelfStarter, на котором был и электростартер, и генератор, и, разумеется, полное электрическое освещение, включая задние фонари и освещение салона.
Можно сказать, что прорыв в электрификации серьезно повысил шансы на победу ДВС в затянувшейся борьбе с паровыми автомобилями и электромобилями, удобство использования и надежность запуска намного улучшились, а по мощности и автономности ДВС и так опережал конкурентов.
икс файл
offline
Всеобщая электрификация машин свершилась: уже к 1915 году аккумулятор и генератор стали непременным атрибутом автомашины, как и электрическое освещение, а вот стартеры еще некоторое время оставались люксовой опцией — заводили машину по-прежнему "кривым стартером", маховиком, пневмосистемой или холостым патроном.
В дальнейшем освещение на машинах было только электрическим. Поначалу мощность ламп накаливания была значительно меньше, чем ацетиленовых, но со временем этот вопрос решили, поэкспериментировав с наполнителем для колбы. Изначально внутри лампы был вакуум, а потом туда догадались закачивать газ. Сначала аргон, а затем пары галогенов (брома или иода). Это позволило продлить лампам жизнь, существенно увеличить температуру накаливания нити, а следовательно, и силу света.
И основной задачей конструкторов на долгие годы стало уже не увеличение мощности излучения, а удобство использования света. Первыми задачами стали стандартизация цоколей ламп, формирование ограниченного луча для скрытого освещения и предотвращения ослепления встречных машин. Все задачи были связаны между собой и ставились перед конструкторами военными — как раз шла первая мировая война.
В дальнейшем освещение на машинах было только электрическим. Поначалу мощность ламп накаливания была значительно меньше, чем ацетиленовых, но со временем этот вопрос решили, поэкспериментировав с наполнителем для колбы. Изначально внутри лампы был вакуум, а потом туда догадались закачивать газ. Сначала аргон, а затем пары галогенов (брома или иода). Это позволило продлить лампам жизнь, существенно увеличить температуру накаливания нити, а следовательно, и силу света.
И основной задачей конструкторов на долгие годы стало уже не увеличение мощности излучения, а удобство использования света. Первыми задачами стали стандартизация цоколей ламп, формирование ограниченного луча для скрытого освещения и предотвращения ослепления встречных машин. Все задачи были связаны между собой и ставились перед конструкторами военными — как раз шла первая мировая война.
икс файл
offline
Ближний и дальний
Уже к двадцатым годам сформировалось разделение на "ближний" и "дальний" свет. Дальний работал по-паровозному, освещая дорогу на пределе яркости светового пучка, а ближний свет освещал только ограниченный участок дороги, не ослепляя водителей встречных машин. Соответственно, больше света попадает на обочину и меньше — на встречную полосу.
Уже к двадцатым годам сформировалось разделение на "ближний" и "дальний" свет. Дальний работал по-паровозному, освещая дорогу на пределе яркости светового пучка, а ближний свет освещал только ограниченный участок дороги, не ослепляя водителей встречных машин. Соответственно, больше света попадает на обочину и меньше — на встречную полосу.
икс файл
offline
Правила использования ближнего и дальнего света были прописаны в правилах дорожного движения, а вскоре и в законах. В европейских странах еще в 1957-м были приняты директивы ЕЭК(Economic Commission of Europe) по формированию асимметричного светового пучка, и с тех пор свет европейских машин значительно отличается от американских и японских.
В Японии фары тоже светят асимметрично, но движение в стране левостороннее, а значит, и световой поток распределяется иначе, чем у европейцев. На американском же континенте автомобильная промышленность на долгие годы оказалась в плену странных законов, которые в разные годы предписывали использовать только круглые фары, запрещали блок-фары (вы, наверное, еще помните "Вольво" и "Мерседесы" с характерной странной оптикой и большими бамперами, которые приезжали к нам из США) и обязывали использовать только симметричное распределение света.
В Японии фары тоже светят асимметрично, но движение в стране левостороннее, а значит, и световой поток распределяется иначе, чем у европейцев. На американском же континенте автомобильная промышленность на долгие годы оказалась в плену странных законов, которые в разные годы предписывали использовать только круглые фары, запрещали блок-фары (вы, наверное, еще помните "Вольво" и "Мерседесы" с характерной странной оптикой и большими бамперами, которые приезжали к нам из США) и обязывали использовать только симметричное распределение света.
икс файл
offline
Эксперименты с рассеиванием
Первой технологией, получившей массовое распространение для получения пучка света заданной формы стали параболический рефлектор и рассеиватель с призматическими линзами. Эта технология знакома многим, ее использовали на машинах вплоть до конца 90-х годов, например, на знакомым всем "Жигулях" и "Волгах".
Световой поток в этом случае отражается от рефлектора, задачей которого является как можно более полное отражение светового потока, и попадает на стекло фары, которое состоит из множества вертикальных собирающих линз и призматических элементов, отвечающих за распределение света по дальности и направляющих свет на дорожное полотно. Конструкция позволяет использовать стекла сложной формы и с большим наклоном, но КПД такой конструкции оказался невысоким. Не более 40% светового потока используется по назначению, а по методике компании Hella — и вовсе 27%.
Следующим шагом на пути к улучшению освещения стало использование фар головного света с рефлектором свободной формы. Технологию часто называют FF — от английского Free Form. В этом случае отражатель имеет намного более сложную форму, а стекло можно использовать плоское, без оптических элементов. В настоящее время эта технология — одна из наиболее часто используемых в фарах для обычных ламп накаливания. Фары такого типа имеют КПД намного выше — около 67% (45% по методике Hella). Но и это не предел.
Первой технологией, получившей массовое распространение для получения пучка света заданной формы стали параболический рефлектор и рассеиватель с призматическими линзами. Эта технология знакома многим, ее использовали на машинах вплоть до конца 90-х годов, например, на знакомым всем "Жигулях" и "Волгах".
Световой поток в этом случае отражается от рефлектора, задачей которого является как можно более полное отражение светового потока, и попадает на стекло фары, которое состоит из множества вертикальных собирающих линз и призматических элементов, отвечающих за распределение света по дальности и направляющих свет на дорожное полотно. Конструкция позволяет использовать стекла сложной формы и с большим наклоном, но КПД такой конструкции оказался невысоким. Не более 40% светового потока используется по назначению, а по методике компании Hella — и вовсе 27%.
Следующим шагом на пути к улучшению освещения стало использование фар головного света с рефлектором свободной формы. Технологию часто называют FF — от английского Free Form. В этом случае отражатель имеет намного более сложную форму, а стекло можно использовать плоское, без оптических элементов. В настоящее время эта технология — одна из наиболее часто используемых в фарах для обычных ламп накаливания. Фары такого типа имеют КПД намного выше — около 67% (45% по методике Hella). Но и это не предел.
икс файл
offline
Линзованная оптика
Наиболее эффективной оптической схемой для фары является так называемая прожекторная. Ее техническое обозначение — трехосный эллипсоид, или просто DE (сокращение от немецкого Dreiachs Ellipsoid), а в просторечии такую схему чаще всего именуют "линзой". Такой блок имеет эффективность свыше 70% (52% — по методике Хелла). Но не это является его основным достоинством.
В отличие от других технологий, он может работать с объемными источниками света и формировать очень точный световой пучок, который можно направить буквально параллельно дороге, а значит, и снизить степень ослепления водителей даже лучом дальнего света. Интереснее всего то, что такая схема является одной из старейших, ее использовали еще на маяках и кораблях в конце ХIХ века.
Также любопытно, что в России линзованная оптика прочно ассоциируется именно с газоразрядными лампами (о них речь ниже), хотя были автомобили и с галогенными фарами, свет которых рассеивался линзами. Но к середине 90-х стало понятно, что лампы накаливания уже не отвечают современным требованиям по яркости света и экономичности.
Наиболее эффективной оптической схемой для фары является так называемая прожекторная. Ее техническое обозначение — трехосный эллипсоид, или просто DE (сокращение от немецкого Dreiachs Ellipsoid), а в просторечии такую схему чаще всего именуют "линзой". Такой блок имеет эффективность свыше 70% (52% — по методике Хелла). Но не это является его основным достоинством.
В отличие от других технологий, он может работать с объемными источниками света и формировать очень точный световой пучок, который можно направить буквально параллельно дороге, а значит, и снизить степень ослепления водителей даже лучом дальнего света. Интереснее всего то, что такая схема является одной из старейших, ее использовали еще на маяках и кораблях в конце ХIХ века.
Также любопытно, что в России линзованная оптика прочно ассоциируется именно с газоразрядными лампами (о них речь ниже), хотя были автомобили и с галогенными фарами, свет которых рассеивался линзами. Но к середине 90-х стало понятно, что лампы накаливания уже не отвечают современным требованиям по яркости света и экономичности.
икс файл
offline
Что появилось в ответ на эту проблему, вы уже знаете. Сначала ксенон, потом светодиоды, а теперь и лазерные фары.
