Wpływ stanu technicznego na parametry optyczne reflektora pojazdu samochodowego

Transkrypt

1 WITASZEK Kazimierz 1 Wpływ stanu technicznego na parametry optyczne reflektora pojazdu samochodowego WSTĘP Oświetlenie samochodów ogrywa istotną role w zapewnieniu bezpieczeństwa ruchu drogowego. W Polsce w 2013 roku ponad 49% wypadków, których przyczyną był zły stan techniczny pojazdów zostało spowodowanych brakami w oświetleniu [7]. Praktyka pokazuje, że w czasie badan technicznych pojazdów diagności zwracają uwagę głównie na prawidłowe ustawienie świateł mijania (granicy światłocienia), tak by uniknąć oślepiania kierujących pojazdami nadjeżdżającymi z przeciwka. Mniejszą uwagę zwraca się na problemy należytej jasności oświetlenia, które decyduje o widoczności przeszkód oraz użytkowników drogi, takich jak piesi czy rowerzyści. Niedostateczna widoczność takich użytkowników jest często przyczyną wypadków [4, 5]. Obecnie reflektory wykonywane są najczęściej z tworzyw sztucznych. Materiały te mają wiele zalet gdyż umożliwiają formowanie elementów o skomplikowanych kształtach w łatwy sposób i przy niewielkich kosztach. Niska gęstość tworzyw sztucznych sprawia, że elementy z nich wykonane mają stosunkowo małą masę. Wywiera to korzystny wpływ na energochłonność jazdy, dzięki czemu uzyskuje się obniżenie emisji spalin. Zmniejsza to niekorzystne oddziaływanie samochodu na środowisko naturalne. Niekorzystną cechą tworzyw sztucznych są ich częstokroć gorsze własności mechaniczne w porównaniu z metalami czy ceramiką. Powoduje to intensywniejszy przebieg procesów starzenia fizycznego, przejawiających się między innymi jako powstawanie zarysowań, złuszczeń czy zmatowień zarówno kloszy jak i odbłyśników. Tworzywa sztuczne charakteryzują się również niską odpornością termiczną, dlatego prowadzone są prace nad skonstruowaniem odbłyśników chłodzonych cieczą [2]. Obserwuje się również stały postęp metod projektowania i wytwarzania reflektorów [1, 3, 6]. Uszkodzenia kloszy i odbłyśników reflektorów ograniczają generowany strumień światła, co jak wspomniano wpływa ujemnie na bezpieczeństwo ruchu drogowego. Te względy skłoniły autora do podjęcia badań wpływu stanu technicznego reflektorów na ich wybrane parametry optyczne. 1 BADANIA W pracy przeprowadzono badania wpływu stanu technicznego na powierzchniowy rozkład natężenia oświetlenia reflektorów samochodu osobowego Renault Clio II / Thalia. Do badań użyto kompletu dziesięcioletnich reflektorów wymontowanych z samochodu marki Renault Thalia wyprodukowanego w 2003 roku o przebiegu ok km. W tych samochodach stosowane są reflektory zespolone o oznaczeniach (lewy) oraz (prawy), produkowane w Turcji przez firmę MAKO. Posiadają one osobne odbłyśniki dla świateł mijania, drogowych i pozycyjnych oraz dla kierunkowskazów. Wszystkie odbłyśniki reflektora zamontowane są w obudowie zakrytej gładkim kloszem z tworzywa sztucznego, którego stan techniczny po dziesięciu latach eksploatacji pojazdu nie był zadowalający. Badaniom poddano również fabrycznie nowe zamienniki produkowane przez firmę DEPO o oznaczeniach L (lewy) oraz R (prawy). Na rysunku 1 przedstawiono porównanie zewnętrznego wyglądu badanych lewych reflektorów. Instalacja elektryczna samochodu Renault Thalia pozwala na załączenie tylko żarówek świateł mijania (H7) albo żarówek świateł mijania i drogowych jednocześnie (H7 + H1). Fotografie pokazane na rysunku 1 wykonano przy tym drugim ustawieniu, co pozwala lepiej uwidocznić 1 dr inż. Kazimierz Witaszek, Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, kazimierz.witaszek@polsl.pl,

2 zmatowienia na kloszach używanych reflektorów, gdyż oświetlona jest wtedy prawie cała jego powierzchnia. Rys. 1. Porównanie wyglądu kloszy badanych reflektorów: a) używany lewy; b) używany prawy; c) nowy lewy W najgorszym stanie technicznym znajdował się lewy, używany reflektor. Podczas oględzin zauważono uszkodzenia odbłyśnika świateł mijania w postaci nadpaleń ponad żarówką H7 oraz złuszczeń warstwy odblaskowej dookoła gniazda żarówki. Uszkodzenia te pokazano na rysunku 2a. W wyniku eksploatacji pojazdu bez gumowej zaślepki wnęki żarówki świateł mijania do wnętrza lewego reflektora dostawały się zanieczyszczenia, które osiadały na odbłyśniku. Ilość zanieczyszczeń była znaczna, co obrazują rysunki 2b i 2c. Najbardziej rzucającym się w oczy uszkodzeniem było zmatowienie powierzchni klosza, które w powiększeniu pokazano na rysunku 2d. Na powierzchni tworzywa można zaobserwować liczne drobne wykruszenia o ostrych krawędziach, wyglądem przypominające gwiazdki oraz pewną ilość większych płaskich ubytków po odpadnięciu płatków warstwy wierzchniej. Rys. 2. Uszkodzenia lewego, używanego reflektora: a) nadpalenie odbłyśnika i złuszczenia warstwy odblaskowej; b), c) znaczne zabrudzenia odbłyśnika; d) zmatowienie klosza; e) zaciek na kloszu; f) nadpalenia i pęknięcia oprawki świateł pozycyjnych Na rysunku 2e pokazano powiększony obraz kolejnego zauważonego uszkodzenia lewego klosza w postaci zacieku spowodowanego przez agresywne środki chemiczne używane do mycia silnika

3 Dodatkowo zauważono uszkodzenie oprawki żarówki świateł pozycyjnych w postaci pęknięć, wykruszeń oraz nadpalenia tworzywa sztucznego. Widok uszkodzonej oprawki ukazuje rysunek 2f. Odbłyśniki prawego, używanego reflektora poza niewielką ilością zanieczyszczeń pokazaną na rysunkach 3a i 3b nie wykazują zauważalnych defektów. Natomiast jego klosz był bardzo mocno zmatowiony, co można zaobserwować na rysunku 1b oraz w powiększeniu na rysunku 3c. Oględziny powiększonego obrazu powierzchni klosza ukazały, że jest ona pokryta licznymi płaskimi ubytkami o różnej wielkości po odpadnięciu płatków warstwy wierzchniej. Drobnych ubytków o ostrych krawędziach w postaci gwiazdek jest zdecydowanie mniej niż na lewym kloszu. Rys. 3. Uszkodzenia lewego, używanego reflektora: a), b) nieznaczne zabrudzenia odbłyśnika; d) zmatowienie klosza Podczas badań reflektory zamontowano na zaprojektowanym i wykonanym stanowisku, które odwzorowuje ich ułożenie w samochodzie, a także umożliwia swobodny dostęp do żarówek i śrub regulacyjnych. Zamiast elektrycznych korektorów położenia odbłyśników zastosowano mechaniczne, śrubowe odpowiedniki. Stanowisko wykonano z płyty meblowej w postaci stołu wyposażonego w nogi umożliwiające regulację położenia blatu. Każdy z badanych reflektorów przymocowano do osobnej płyty meblowej o wymiarach 450 x 450 mm, dzięki temu można podczas badań szybko je wymieniać bez potrzeby ponownej regulacji położenia luster odbłyśników. Jako źródeł światła zastosowano żarówki H1 i H7 Tungsram Megalight Ultra, do zasilania których użyto przemysłowego zasilacza impulsowego 230 V / 12 V typu BCV12400D firmy WM Power o mocy 400 W. Wybrano go ze względu na możliwość regulacji napięcia wyjściowego od 10 do 13,2 V. Zasilacz ten zmodyfikowano, tak aby poszerzyć zakres regulacji do 14,5 V. Naprzeciwko stołu z reflektorami, w odległości 3 m zainstalowano stanowisko do pomiaru natężenia oświetlenia. Umożliwiało ono przemieszczanie i ustawianie głowicy luksomierza Tenmars TM-202 w obrębie prostokąta o maksymalnej szerokości x = 5 m i wysokości y = 1,8 m. Posuw wzdłuż osi x był realizowany manualnie wzdłuż szyny przyklejonej do podłogi pomieszczenia. Powtarzalność ustawień pozycji była zapewniona dzięki użyciu wskaźnika laserowego oraz znacznikom naniesionym na powierzchni ustawionego za stanowiskiem ekranu. Przemieszczenie głowicy luksomierza w pionie było realizowane automatycznie wzdłuż kolumny urządzenia. Do napędu głowicy użyto zmodyfikowanego serwomechanizmu modelarskiego, na którym zamocowano koło zębate o module m = 1,5 mm. Współpracowało ono z przymocowaną do kolumny listwą zębatą wykonaną z pręta gwintowanego M10. Tak skonstruowany mechanizm umożliwiał przesuw głowicy pomiarowej z prędkością do 70 mm/s, jednak podczas badań ograniczono ją do 30 mm/s. Wynikało to z niewielkiej bezwładności działania układu elektronicznego luksomierza, której wartość ustalono eksperymentalnie i wynosiła ona 0,25 s dla zmiany sygnału w pełnym zakresie. Dzięki temu wskazania luksomierza zdążą się ustabilizować pomiędzy kolejnymi pomiarami. Do obliczania pozycji wózka, a tym samym głowicy pomiarowej użyto połączonej z serwomechanizmem napędowym tarczy modulującej strumień świetlny transoptora szczelinowego. Wiązka podczerwieni transoptora była przecinana podczas przesuwania wózka w pionie co każde 6 mm. Synchronicznie z tymi impulsami mikrokontroler sterujący pracą urządzenia wyzwalał proces konwersji w 24 bitowym przetworniku analogowo-cyfrowym, który mierzył sygnał z wyjścia 11169

4 analogowego luksomierza TM-202. W pamięci nieulotnej mikrokontrolera zapisano program sterujący pracą wszystkich podzespołów urządzenia. Urządzenie współpracowało poprzez port USB z komputerem PC i programem LUXprog, który zapisywał wyniki pomiarów natężenia oświetlenia w plikach tekstowych na dysku twardym komputera. Po każdej serii pomiarowej na ekranie komputera wyświetlany był wykres, zarejestrowanych w jej trakcie wartości natężenia oświetlenia. Widok głównych elementów stanowiska badawczego przedstawia rysunek 4. Rys. 4. Stanowisko badawcze: a) układ pomiaru natężenia oświetlenia; b) stół z reflektorami Natężenie oświetlenia mierzono obszarze prostokątnym o szerokości 4,3 m. Dla zachowania symetrii poziomej stanowisko oświetlające zostało tak umieszczone, aby jego oś wypadła w połowie długości szyn prowadzących (2,15 m). Wysokość obszaru pomiarowego dobrano eksperymentalnie i ustalono na 1,32 m. Plan pomiarów natężenia oświetlenia pokazano w tabeli 2. Tab. 1. Plan badań Stan reflektorów nowe używane Badane światła Odległość od stanowiska l, mm Przesuw poziomy głowicy luksomierza Przesuw pionowy głowicy luksomierza Zakres x, m Skok dx, m Zakres y, m Skok dy, m Liczba punktów pomiarowych mijania 3 4,3 0,1 1,32 0, drogowe 3 4,3 0,1 1,32 0, mijania 3 4,3 0,1 1,32 0, drogowe 3 4,3 0,1 1,32 0, ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Wyniki pomiarów natężenia oświetlenia cechowały się pewnym poziomem szumu, który był zauważalny w słabo oświetlonych partiach obszaru pomiarowego. Ze względu na losowy charakter szumu do jego usunięcia wystarczająca była filtracja dolnoprzepustowa za pomocą zmodyfikowanego algorytmu średniej kroczącej. Wyniki pomiarów zapisano w arkuszu kalkulacyjnym i dla każdego pomiaru natężenia oświetlenia E s przeprowadzono uśrednianie z sąsiednimi wartościami według wzoru: 11170

5 s p _ Ei E s i s p (1) 2 p 1 gdzie: s numer kolejnego elementu w tablicy pomiarowej, p zakres uśredniania. Aby nie tracić informacji o dynamice zmian sygnału przyjęto wąski zakres uśredniania p = 2. Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia obliczeń dla dwu pierwszych i ostatnich pomiarów w serii ich wyniki pominięto, traktując je jako odcinki rozbiegowe. Uwzględniono je podczas doboru zakresu posuwu pionowego i ustawiania granicy światłocienia świateł mijania. Ze względu na stosunkowo skromne możliwości graficznej prezentacji wyników pomiarów przez arkusze kalkulacyjne dane wyeksportowano do plików tekstowych, które posłużyły za zbiory wejściowe dla programu Gnuplot. Jest to zaawansowana aplikacja służąca miedzy innymi do tworzenia wykresów trójwymiarowych. Za jej pomocą wygenerowano wykresy powierzchniowego rozkładu zmierzonych wartości natężenia oświetlenia. Rysunek 5 przedstawia dane pozyskane dla świateł drogowych. Rys. 5. Wyniki pomiarów natężenia oświetlenia dla świateł drogowych reflektorów nowych (a) i używanych (b) 11171

6 Dla lepszej czytelności na wykresach naniesiono izolinie w odstępach do 1000 lx. Najwyższa zmierzoną wartością natężenia oświetlenia dla świateł drogowych używanych reflektorów było ok lx, podczas gdy reflektory nowe osiągnęły w tych samych warunkach nieco ponad lx, co daje przyrost natężenia oświetlenia w najjaśniejszym punkcie o ponad 120%. Uwagę zwraca również inny charakter prawej plamy światła. Posiada ona dodatkowe lokalne maksimum, odpowiadające środkowi plamy światła żarówki H7. Wynika to najprawdopodobniej z różnej konstrukcji odbłyśników żarówek H1 i H7 w prawym i lewym reflektorze. Na rysunku 6 przedstawiono w postaci trójwymiarowych wykresów wyniki pomiarów natężenia oświetlenia dla świateł mijania. W tym przypadku również naniesiono na wykresach izolinie, jednakże zastosowano mniejszy odstęp wynoszący 500 lx. Dla lewego, używanego reflektora najwyższa zmierzona wartość natężenia oświetlenia ledwie przekroczyła 1800 lx, co można tłumaczyć obecnością zanieczyszczeń na powierzchni odbłyśnika, podczas gdy prawy o bardziej zmatowionym kloszu osiągnął ponad 2200 lx. Natężenie oświetlenia generowanego przez światła mijania nowego reflektora było większe o ponad 220% i osiągnęło prawie 7200 lx. W tym przypadku również można zauważyć niewielką, około 10% asymetrię wartości maksymalnych natężeń oświetlenia dla prawego i lewego reflektora. Rys. 6. Wyniki pomiarów natężenia oświetlenia dla świateł mijania reflektorów nowych (a) i używanych (b) Duża ilość punktów pomiarowych pozwoliła na dość dokładne odwzorowanie kształtu plam światła, więc rysunkach 7 oraz 8 przedstawiono dane pomiarowe w postaci kolorowych map, które pozwalają na lepsza ocenę kształtu plam światła, niż typowe wykresy trójwymiarowe

7 Rys. 7. Kształt plamy światła uzyskany w wyniku pomiarów natężenia oświetlenia dla świateł drogowych reflektorów nowych (a) i używanych (b) Rys. 8. Kształt plamy światła uzyskany w wyniku pomiarów natężenia oświetlenia dla świateł mijania reflektorów nowych (a) i używanych (b) 11173

8 Przy tworzeniu wykresów zastosowano wielobarwną skalę, której zakresy przejść tonalnych dobrano tak aby można było ocenić dynamikę zmian oświetlenia zarówno w obszarach jasnych, jak i tych słabiej oświetlonych. Oprócz widocznej już uprzednio znacznej różnicy w jasności oświetlenia obszaru pomiarowego stan techniczny reflektorów wpływa również na wielkość oświetlonego obszaru. Analizując słabiej oświetlone obszary na rysunkach 7 i 8, można stwierdzić, że poprzez nadmierne rozpraszanie światła stare reflektory oświetlają większy obszar, natomiast nowe skupiają promienie świetlne na mniejszej powierzchni. Szczegółową analizę tego zjawiska przedstawiono na rysunku 9. Zawiera on zestawienie dystrybuant udziału oświetlonych powierzchni, osobno dla świateł mijania i drogowych. W obu przypadkach dla starych reflektorów udział słabo oświetlonej powierzchni jest większy. Zjawisko to jest szczególnie widoczne dla świateł mijania, co może świadczyć o mocniejszym oświetleniu obszarów powyżej granicy światłocienia, które powinny pozostać ciemne, aby uniknąć oślepiania kierujących pojazdami nadjeżdżającymi z przeciwka. W związku z tym dokonano analizy natężenia oświetlenia w obszarze granicy światłocienia dla świateł mijania obu reflektorów, którą przedstawiono na rysunku 10. Wartości współrzędnej x dobrano tak, by mieściły się one w zakresie poziomego odcinka granicy światłocienia, podlegającego regulacji na stacjach kontroli pojazdów. Rys. 9. Dystrybuanty przedstawiające udział oświetlonej powierzchni dla świateł mijania (a) i drogowych (b) Rys. 10. Natężenie oświetlenia w obszarze granicy światłocienia dla świateł mijania reflektora lewego x = 1,3 m (a) i prawego x = 2,5 m (b) 11174

9 Z rysunku 10 wynika, że nowe reflektory charakteryzują się zauważalnie ostrzejszą granicą światłocienia, w porównaniu ze zużytymi. Potwierdzają to obliczenia nachylenia prostoliniowych części charakterystyk. Dla nowych reflektorów wynosi ono ponad 15 lx/mm, natomiast dla używanych 9 11 lx/mm. Dla oceny wpływu stanu reflektora na możliwość oślepienia kierujących pojazdami obliczono średnie natężenie oświetlenia dla obszaru powyżej granicy światłocienia. Wyniki tych obliczeń przedstawiono w tabeli 2. Tab. 2. Średnie natężenie oświetlenia obszarów powyżej granicy światłocienia dla świateł mijania Stan reflektorów nowe używane Badane światła mijania Reflektor Przesuw poziomy głowicy luksomierza Zakres x, m lewy 0,9 1,4 Zakres y, m Średnie natężenie oświetlenia E, lx 42,17 prawy 2,2 2,7 64,07 0,67 0,92 lewy 0,9 1,4 82,20 prawy 2,2 2,7 112,91 Wyniki pomiarów zawarte w tabeli 2 pozwalają stwierdzić, że używane reflektory znacznie mocniej oświetlają obszar powyżej granicy światłocienia. Generowane przez nie natężenie oświetlenia jest o 75 95% wyższe, co może ujemnie wpływać na bezpieczeństwo ruchu. WNIOSKI Wyniki przeprowadzonych badań pozwoliły na stwierdzenie, że stan techniczny reflektorów samochodowych znacząco wpływa na natężenie oświetlenia powstającego w wyniku ich działania. Zaobserwowano, że maksymalne natężenie oświetlenia przy użyciu świateł mijania w nowych reflektorach jest o ponad 220% wyższe niż w zużytych. Dla świateł drogowych wartość ta jest wyższa o ponad 120%. Używane reflektory cechują się większym rozproszeniem strumienia emitowanego światła. Dla świateł mijania skutkuje to mniej ostrą granicą światłocienia i prawie dwukrotnym podwyższeniem natężenia oświetlenia w obszarze powyżej tej granicy. Zjawiska te prowadzą do pogorszenia oświetlenia drogi przed pojazdem, oraz zwiększenia ryzyka oślepienia kierujących innymi pojazdami poruszającymi się po drodze. Streszczenie Podczas eksploatacji samochodów można zaobserwować stopniowe pogarszanie się stanu technicznego reflektorów. Powoduje to zmniejszenie jasności oświetlenia drogi. Skutkuje to ograniczeniem widoczności przeszkód oraz innych uczestników ruchu jak np. piesi i rowerzyści. Zjawisko to wywiera niekorzystny wpływ na bezpieczeństwo ruchu drogowego. W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu stanu technicznego reflektorów na powierzchniowy rozkład natężenia oświetlenia świateł drogowych i mijania samochodu Renault Clio II / Thalia. Wyniki przeprowadzonych badań pokazały, że znaczący wpływ na prawidłowe działanie reflektorów wywiera zarówno stan klosza oraz odbłyśnika, jak i obecność zanieczyszczeń wewnątrz reflektora. Stwierdzono, że dziesięcioletnie reflektory cechują się znacznie niższym maksymalnym natężeniem oświetlenia oraz większym rozproszeniem wiązki światła. Wymiana takich reflektorów na nowe pozwala na dwu a nawet trzykrotnie zwiększenie maksymalnego natężenia oświetlenia. Światła mijania zużytych reflektorów wykazywały prawie dwukrotnie większe natężenie oświetlenia w obszarze powyżej granicy światłocienia. Eksploatacja samochodu z takimi reflektorami zwiększa ryzyko oślepienia pojazdami nadjeżdżającymi z przeciwka. Influence of technical state of automotive headlamps on their optical parameters Abstract During the service of cars a gradual deterioration of headlamps technical state can be observed. As a result 11175

10 brightness of road lighting in front of a car decreases. It can reduce visibility of other road users such as pedestrians or cyclists at night, and as a consequence a safety of driving. This paper presents a study of the influence of headlamps technical state on driving and passing lights illumination surface distribution. The new and deteriorated (ten-year-old) headlamps of a Renault Clio II / Thalia car were investigated. Research results indicate, that the technical state of lamp lenses and reflecting elements as well as contaminations presence inside the lamps, significantly influences the light beam brightness and shape. Much lower illumination and higher light dispersion can be observed for ten-year-old headlamps in comparison with the new ones. Maximum illumination is two or even three times higher for the latter ones. As a result the road lighting in front of the car is much better and the visibility of non-illuminated road users and obstacles increases. On the other hand the illumination of passing lights dark areas (above the boundary between bright light and shadow) is up to two times higher for deteriorated headlamps, than for new ones. It can be dangerous because of greater risk of other road users dazzling, especially drivers of cars coming from the opposite direction. BIBLIOGRAFIA 1. Satorres Martínez S., Gómez Ortega J., Gámez García J., Sánchez García A., A sensor planning system for automated headlamp lens inspection. Expert Systems with Applications 36 (2009) s Sousa J.M.M., Vogado J., Costa M., Bensler H., Freek C., Heath D., An experimental investigation of fluid flow and wall temperature distributions in an automotive headlight. International Journal of Heat and Fluid Flow 26 (2005) s Wilk J., Mazur J., Computer Aided Design of Automotive Headlamps. Proceedings of the th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design s Wood J. M., Lacherez P. F., Marszalek R. P., King M. J., Drivers and cyclists experiences of sharing the road: Incidents, attitudes and perceptions of visibility. Accident Analysis and Prevention 41 (2009) s Pattinson W., Thompson R. G., Trucks and Bikes: Sharing the Roads, Procedia - Social and Behavioral Sciences 125 ( 2014 ) s Wang J., Cai Y., Zhao X., Zhang Ch., Thermal design and simulation of automotive headlamps using white LEDs. Microelectronics Journal 45 (2014), s Komenda Główna Policji. Biuro ruchu drogowego. Zespół profilaktyki i analiz: Wypadki drogowe w Polsce w 2013 roku. Warszawa,