汽车前照灯的作用及设计原理

前照灯俗称大灯，其功能是在夜间行车时照亮车前的道路及物体，同时可以利用远、近光变换信号超越前方车辆。在所有照明装置中，前照灯是最重要的照明装置。

1.前照灯的基本要求

前照灯安装在汽车前部左、右两侧，其照明效果直接影响夜间交通安全，为此世界各国都以法律形式规定了汽车前照灯的照明标准，其基本要求如下：

（1）照明距离。前照灯应保证车前有明亮而均匀的照明，使驾驶人能够辨明车前100 m以内路面上的任何障碍物。随着汽车行驶速度的提高，前照灯的照明距离也越来越远，当今汽车前照灯的照明距离应当达到200～400 m。

（2）防止炫目。前照灯应具有防止炫目的功能，以免夜间两车迎面相遇时，使对方驾驶人炫目而造成交通事故。

2.前照灯的结构组成

前照灯的光学系统由灯泡、反射镜和配光镜3部分组成。

1）灯泡

灯泡是照明灯的光源，目前汽车使用的前照灯灯泡主要有充气灯泡和卤钨灯泡两种，结构如图5－5所示。

图5-5　前照灯灯泡的结构

（a）充气灯泡；（b）卤钨灯泡
1—配光屏；2—近光灯丝；3—远光灯丝；4—灯壳；5—定焦盘；6—灯头；7—电极插片

（1）充气灯泡。因为金属钨的熔点高、发光强，所以灯丝采用钨丝制成。前照灯灯丝制成螺旋形状，不仅能够缩小灯丝和灯泡的尺寸，而且有利于聚合平行光束。由于金属钨受热后会蒸发，使灯泡的使用寿命缩短，因此在制造时先将玻璃泡内抽成真空，然后充入86%左右的氩气和14%左右的氮气的混合惰性气体。因为惰性气体受热膨胀会产生较大压力，可以减少金属钨的蒸发量，所以充入惰性气体能够提高灯丝的温度，增强发光效率，并可延长灯泡的使用寿命。

（2）卤钨灯泡。虽然充气灯泡充满了惰性气体，但是灯丝的钨质点仍然会蒸发损耗，且蒸发出来的钨淀积在灯泡上会使灯泡发黑。因此国内外普遍使用利用卤钨再生循环反应原理制成的新型电光源，即卤钨灯泡。卤钨灯泡具有体积小、发光强度大和发黑现象轻微的优点。

【知识链接】

卤钨再生循环过程是：从灯丝上蒸发出来的气态钨与卤素物质反应生成一种挥发性的卤化钨，当卤化钨扩散到灯丝附近的高温区域时又会分解，使钨重新回到灯丝上，被释放出来的卤素（指元素周期表上的氟、氯、溴、碘等卤族元素）继续扩散参与下一次循环反应，从而减少金属钨的蒸发量和灯泡发黑现象的发生。国内外普遍使用的卤素是溴和碘，由二者所制的卤钨灯泡分别称为溴钨灯泡和碘钨灯泡。我国使用溴钨灯泡。

卤钨灯泡的灯壳采用机械强度较高、耐高温的石英玻璃或硬玻璃制成，因此充入惰性气体的压力较高，不仅能够抑制钨的蒸发，而且可以减少灯泡发黑现象的发生。

2）反射镜

前照灯灯泡的功率为40～60 W，因此灯丝发出的光度有限。如无反射镜反射光束，则只能照亮汽车前方6 m左右的路面。反射镜的作用是：将灯泡发出的光线聚合成平行光束导向前方，如图5－6所示。灯丝位于焦点上，所发出的绝大部分光线向反射镜照射到立体角度ω范围内，经反射镜反射成平行光束射向远方，使光束增强几百倍至几千倍，使汽车前方150～400 m范围内的路面和障碍物清晰可见。

反射镜由薄钢板模压或由玻璃、塑料制成旋转抛物面形状，如图5－7所示。反射镜的内表面镀有银、铝或铬，并采用抛光工艺加工，以提高发射能力。

图5-6　反射镜的作用

1—配光镜；2—反射镜；3—灯丝

图5-7　前照灯反射镜

3）配光镜

为使照明范围内照度均匀，需要将反光镜反射出的平行光束进行整形，故在前照灯上配装有配光镜，又称为散光玻璃。配光镜的作用是：将反射镜反射出的光束在水平方向扩散、在竖直方向向下折射，使前照灯的照射符合配光法规要求。

配光镜是由若干块棱镜和透镜组合而成的，其几何形状比较复杂，如图5－8（a）所示。配光镜是用透光玻璃压制而成的，外形一般为圆形、异形和矩形。当反射镜反射出的平行光束照射到凹透镜上时，凹透镜将使光束向水平方向散射，如图5－8（b）所示；当平行光束照射到棱镜上时，棱镜将使光束向下折射，如图5－8（c）所示。

图5-8　配光镜

（a）几何形状；（b）水平散射光束；（c）垂直折射光束

3.前照灯的防炫措施

【知识链接】

所谓炫目，是指人眼被强光照射时，由于视觉神经受到刺激而失去对肉眼的控制（人眼瞳孔来不及收缩），本能地闭上眼睛或只能看见亮的物体，不能看清暗处物体的生理现象。

在夜间会车时，前照灯光束就会导致迎面车辆的驾驶人炫目而发生交通事故。为了避免炫目，前照灯采用了双丝灯泡，从而保证夜间行车安全。双丝灯泡有两根灯丝，其中一根灯丝功率较大，称为远光灯丝；另一根灯丝功率较小，称为近光灯丝。(www.xing528.com)

在国内外汽车用双丝灯泡的前照灯中，按近光灯配光方式不同，分为对称形和非对称形两种配光方式。

（1）对称形配光方式（SAE方式）。对称形配光方式是美国汽车工程师学会（SAE）制定的配光标准。在SAE方式中，双丝灯泡的远光灯丝设置在反射镜的焦点上，近光灯丝设置在焦点上方并稍向右偏（从灯泡向反射镜观看）位置。美国和日本采用这种配光方式。

当接通远光灯丝电路时，灯丝发出的光线由反射镜反射后沿光学轴线平行射向远方。当接通近光灯丝电路时，照射到反射镜上部的近光灯丝光线由反射镜反射后倾向路面，而照射到反射镜下部的近光灯丝光线由反射镜反射后将倾向上方，由于近光灯丝的大部分光线由反射镜反射后倾向路面，因此大大减小了对迎面车辆驾驶人的炫目作用。

（2）非对称形配光方式（ECE方式）。非对称形配光方式是联合国欧洲经济委员会（ECE）制定的配光标准。ECE方式是世界公认的配光性能比较理想的配光方式，我国采用这种配光方式。在ECE方式中，双丝灯泡的远光灯丝也设置在反射镜的焦点上，但近光灯丝设在焦点前方且稍高于光学轴线，并在近光灯丝下方设有金属制成的配光屏（即屏蔽罩）。

图5-9　具有配光屏的双丝灯泡

（a）近光灯丝电路接通时；（b）远光灯丝电路接通时
1—近光灯丝；2—配光屏；3—远光灯丝

当接通远光灯丝电路时，远光灯丝发出的光线由反射镜反射后沿光学轴线平行射向远方。当接通近光灯丝电路时，由近光灯丝射向反射镜上部的光线经反射镜反射后倾向路面，而配光屏挡住了近光灯丝射向反射镜下部的光线，故没有向上反射引起炫目的光线，如图5－9所示。

当汽车在夜间行驶且迎面没有行驶车辆时，可接通远光灯丝电路照明，使前照灯光束射向远方，以利于提高车速。当两车相遇时，应当接通近光灯丝电路照明，使光束倾向路面，车前50 m内路面也能清晰可见，从而避免迎面车辆驾驶人炫目。

4.前照灯的分类

汽车前照灯可按装备数量和反射镜的结构形式进行分类。按前照灯数量不同可分为四灯制和双灯制两种。安装两只前照灯的称为双灯制，内装双丝灯泡。安装4只前照灯的称为四灯制，外侧两只采用双丝灯泡，内侧两只采用单丝（远光灯丝）灯泡。当需要使用远光照明时，4只灯泡同时发亮，用以增强照明效果。

按反射镜的结构形式不同，前照灯分为可拆卸式、半封闭式和全封闭式3种。由于可拆卸式前照灯的气密性差，反射镜易受潮气和灰尘污染而降低反射能力，因此已被淘汰。目前大都采用半封闭式和全封闭式两种形式。

图5-10　全封闭式前照灯的结构

1—配光镜；2—反射镜；3—接头；4—灯丝

（1）半封闭式前照灯。半封闭式前照灯的显著特点是配光镜靠卷曲反射镜边缘上的牙齿而紧固在反射镜上。配光镜与反射镜之间垫有橡皮密封圈，灯泡只能从反射镜后端装入。半封闭式前照灯的优点是灯泡灯丝烧断后，可以直接更换灯泡，因此目前仍被各国采用。其缺点是密封不良。

（2）全封闭式前照灯。全封闭式前照灯又称为真空灯，结构如图5－10所示，其反射镜和配光镜熔焊为一个整体形成灯泡，内部充以惰性气体，灯丝焊在反射镜底座上。反射镜的反射面采用真空镀铝工艺进行处理。

全封闭式前照灯的优点是密封性能好，反射镜不会受到大气中灰尘和潮气的污染，反射效率高，使用寿命长。其缺点是灯丝烧坏后，需更换整个总成，因此使用成本较高。

5.前照灯控制

各型汽车前照灯的控制电路大同小异，一般情况下前照灯的控制电路如图5－11所示。

图5-11　前照灯的控制电路

灯光继电器的作用是保护车灯开关。因为前照灯消耗的电流较大，每只前照灯灯丝电流一般都在4 A左右，而车灯开关触点允许流过的电流有限，因此采用灯光继电器控制前照灯电流。当车灯开关接通前照灯电路时，只接通灯光继电器线圈电路，灯光继电器触点闭合，前照灯电流经灯光继电器触点流向前照灯灯丝，并不流过车灯开关，从而防止车灯开关触点烧蚀。

当变光开关拨到“近光”挡位时，两只近光灯灯丝电路接通，其电路为：蓄电池正极→易熔线→电流表→灯光继电器触点→变光开关“近光”挡位→近光熔断丝→前照灯左、右共两只近光灯丝→搭铁→蓄电池负极。

当变光开关拨到“远光”挡位时，4只远光灯灯丝电路接通，其电路为：蓄电池正极→易熔线→电流表→灯光继电器触点→变光开关“远光”挡位→远光熔断丝→前照灯左、右共4只远光灯丝→搭铁→蓄电池负极。

东风载货汽车也装有4只前照灯，但仍为双灯制，内侧两只为前照灯，配装双丝灯泡，外侧两只是单丝灯泡，为辅助前照灯，又称为侧灯，供夜间山区或转弯行驶使用，受灯总开关第Ⅲ挡控制。

【知识链接】

随着汽车行驶速度的提高和前照灯照明距离的增大，为了防止迎面行驶车辆驾驶人炫目，部分高档轿车（如沃尔沃轿车）配装了前照灯光束自动控制系统（HBAC）。该电控系统由光敏传感器、光束控制电控单元和执行器（步进电动机）组成。它利用光敏传感器检测迎面车辆前照灯的光束，当检测到有光束照射时，光束控制电控单元就会控制步进电动机动作，步进电动机通过调节光束调节板的位置，使光束照射角度改变而不至于照射到迎面车辆驾驶人，从而达到防止炫目的目的。

6.气体放电灯

气体放电灯是指灯管内部充满包括惰性气体氙气（Xenon）在内的多种化学气体，利用高压使气体产生放电现象而形成光源的照明灯。因为灯管内的气体大部分为氙气，故又称为高亮度放电（High Intensity Discharge，HID）氙气灯，简称“氙气灯”。氙气灯分为汽车用氙气大灯和户外照明用氙气灯两种。

【知识链接】

汽车用氙气大灯是用包裹在石英管内的高压氙气替代传统的钨丝，提供更高色温、更聚焦的照明灯。其发光原理是在抗紫外线水晶石英玻璃管内充以多种化学气体，其中大部分为氙气与碘化物等，然后再透过增压器将汽车12V直流电压瞬间增压至23 000V左右，经过高压振幅激发石英管内的氙气电子游离，在两电极之间产生气体放电而形成光源。由氙气所产生的白色超强电弧光可提高光线的色温值，工作电流仅为3.5 A，亮度是卤素灯泡的3倍，使用寿命是卤素灯泡的11倍。