ГАБАРИТНЫЙ ФОНАРЬ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С НЕСМЕННЫМ ИСТОЧНИКОМ СВЕТА
VEHICLE SIDE LIGHT WITH IRREMOVABLE LIGHT SOURCE

Изобретение относится к внешним сигнальным устройствам транспортных средств, предназначенных для установки в качестве габаритных фонарей автотранспортных средств и их прицепов.
Разработка и производство эффективных малогабаритных светодиодов позволило использовать их в качестве альтернативных источников света в устройствах световой сигнализации, и прежде всего в габаритных огнях, имеющих высокий коэффициент дневного использования [1, 2]. Эта тенденция получила одобрение в профильных комитетах ЕЭК ООН, и в соответствующие Правила ЕЭК ООН внесены изменения о признании в качестве альтернативы лампам накаливания несменных источников света, в том числе и на светодиодах [3, 4].
Известны конструкции габаритных фонарей, состоящие из корпуса, с размещенной в нем платой с несколькими светодиодами, схемой управления, и прозрачного рассеивателя [5-10].
Малые световые потоки первых светодиодов вынудили разработчиков габаритных огней использовать в несменных источниках целые кластеры светодиодов, что, в отсутствие теплоотвода избыточной рассеиваемой мощности, негативно сказалось на эффективности источников света и структурной надежности изделия в целом.
Согласно априорным оценкам, минимальные значения интегрального светового потока, рассчитанные по методу зональной интеграции для габаритных сигнальных огней, не превышают 4 лм [11].
1/2
Увеличение светового потока светодиодов позволило сократить их число, однако малые углы излучения (углы половинной яркости θ=15÷30°) определили необходимость разработки вторичной оптики для трансформации узконаправленного светового распределения источников в соответствии с фотометрическими спецификациями фонарей [5].
Следует отметить, что если диапазоны возможных значений осевой силы света для всех типов габаритных фонарей практически совпадают, то пространственные распределения силы света передних и задних огней существенно отличаются от боковых.
Согласно Правилам ЕЭК ООН №91 для боковых огней категории SM2 требуется обеспечить минимальное значение силы света 0,6 кд с угловым распределением в пределах ±45 градусов по горизонтали и ±10 градусов по вертикали. Для огней категории SM1 осевая сила света должна составлять не менее 4 кд. Это предопределило вид большинства конструкций боковых габаритных фонарей в форме прямоугольного параллелепипеда с обтекаемым рассеивателем и линейным горизонтальным размещением светодиодов и высокие требования к эффективности оптической системы [5-10].
Поскольку световое распределение фонаря не обладает осевой симметрией, то при его повороте вокруг оптической оси на 90 градусов световое распределение не соответствует фотометрическим спецификациям Правил, что обуславливает необходимость изготовления дополнительной модификации фонаря с вертикальным размещением световозвращателя относительно горизонтальной линии светодиодов.
Известна конструкция бокового габаритного фонаря с одним или двумя светодиодами и оптической системы, преобразующей конусообразное световое распределение светодиодов в крестообразное, выполненное в виде двух взаимоперпендикулярных полос, ширина которых определяется параметрами оптической системы, что по замыслу авторов обеспечивает унификацию изделия с возможностью установки фонаря в двух плоскостях [12]. Однако необходимость использования двух светодиодов не только увеличивает стоимость, но и уменьшает надежность конструкции несменного источника света. Сквозные крепежные отверстия в рассеивателе и корпусе усложняют конструкцию фонаря и требуют высокого качества сварки в местах соединения.
Известен боковой (передний, задний) габаритный фонарь транспортного средства категории SM1 [13], представляющий собой герметичную конструкцию из полимерного корпуса, с размещенным в нем модулем несменного источника света, содержащим кластер из трех светодиодов, и рассеивателя, сгруппированного со светоотражающим устройством, отличающийся тем, что корпус фонаря выполнен в виде монолитного соединения с патроном, совмещенным с штекерным разъемом, на внешней поверхности которого выполнены установочные места для крепления плоских пружинных защелок, а оптическая поверхность рассеивателя - в виде совокупности нецентральных поверхностей второго порядка с размещением светодиодов в фокальных плоскостях отдельных элементов поверхностей.
Недостатком такой конструкции является необходимость строгого соблюдения геометрии размещения источников света относительно осей элементов вторичной оптики и применение нескольких светодиодов с большой габаритной длиной, что и определяет размеры фонаря в целом. Кроме того, применяемый разъем AMP не обеспечивает высокого класса защиты от попадания влаги, что негативно сказывается на показателях надежности фонаря.
Известна конструкция габаритного фонаря с двумя светодиодными источниками [14], расположенными на плате вдоль горизонтальной оси бокового габаритного фонаря и внешнего рассеивателя, а требуемое пространственное световое распределение фонаря обеспечивается оптическим элементом, трансформирующим исходное световое излучение светодиодов или дополнительными элементами оптики внешнего рассеивателя. Одним из вариантов конструкционного решения является интегрирование вторичной оптики и внешнего рассеивателя фонаря. Важнейшей задачей, решаемой в рассматриваемой конструкции, является обеспечение эффективного теплового режима светодиодов путем выбора материалов оптического элемента. Одним из достоинств патентованной конструкции является ее малая толщина и возможность обеспечения широкого диапазона углов видности. Однако наличие дополнительного элемента вторичной оптики увеличивает стоимость изделия, его вес и требует применения специальных термостойких материалов. Использование большого числа источников еще больше усугубляет эти эффекты и негативно сказывается на структурной надежности изделия.
Те же задачи решаются использованием оптической системы, состоящей из одного светодиода и вторичной оптики в виде совокупности линейно расположенных цилиндрических линз [15].
Известна конструкция, в которой в качестве источника используется один светодиод, а требуемое световое распределение обеспечивается вторичной оптикой в виде линзы Френеля с дополнительными круглыми отверстиями, обеспечивающими прохождение света без преломления в диапазоне углов 40-45 град, и, как следствие, увеличивает вклад в световое интегральное распределение фонаря в области «проблемных» углов [16].
Отсутствие герметичного разъема и световозвращателя, несимметричность вторичной оптики, исключающая возможность вертикальной установки фонаря, являются недостатками конструкции.
Для исключения необходимости в строгой ориентации фонаря относительно транспортного средства вторичная оптика модуля несменного источника света должна обладать осевой симметрией [17-19].
Известна конструкция габаритного фонаря, принятая за прототип, состоящая из полимерного корпуса цилиндрической формы, с размещенным в нем модулем несменного источника света, выполненным на основе единичного светодиода, установленного на плате, снабженной гибким выводным кабелем [20]. Вторичная оптика, выполненная из прозрачной пластмассы в виде тонкой линзы, обеспечивает симметричное световое распределение фонаря. Обсуждается возможность установки нескольких светодиодов с эквивалентным световым потоком, компоновки конструкции и методов сборки, обеспечения герметичности и способов установки изделия на транспортном средстве. К достоинствам следует отнести малые габариты, вес, осевую симметрию вторичной оптики и конструкции в целом.
Среди недостатков следует отметить отсутствие световозвращателя, что снижает пассивную безопасность транспортного средства, отсутствие быстросъемного герметичного разъема, что усложняет подключение фонаря к бортовой цепи транспортного средства, а предлагаемый вариант использования кластера светодиодов в несменном источнике света влечет за собой проблемы теплоотвода светодиодов и связанные с ними изменения конструкции.
Увеличение световой эффективности широкоугольных светодиодов до значений 100-140 лм/Вт обеспечивает требуемые значения светового потока включением единичного светодиода в диапазоне номинальных токов инжекции. Наиболее эффективными источниками света являются многокристальные SMD светодиоды, обеспечивающие требуемый световой поток при значительно меньших токах инжекции, что не только увеличивает эффективность работы фонаря и снижает его энергопотребление и температуру, но и многократно увеличивает ресурсные характеристики несменного источника света. Кроме того, применение SMD светодиодов существенно упрощает конструкцию несменного источника света, повышает технологичность его изготовления, поскольку автоматизируется процесс монтажа на печатную плату. В свою очередь, малые габариты SMD светодиодов обеспечивают минимальные габаритные размеры несменного источника света, эффективную компоновку конструкции фонаря и, как следствие, минимальную габаритную толщину фонаря в целом. Последнее обстоятельство особенно важно при использовании габаритных фонарей на боковых панелях пассажирского транспортного средства в условиях жестких требований к установочным размерам светотехнических изделий.
1/2
Поскольку светодиоды такого типа имеют широкоугольное распределение света (со значениями угла излучения на половине интенсивности θ, равными 60÷70 градусов), то возникает задача эффективного использования светового потока в пределах требуемых углов пространственного распределения для обеспечения фотометрических спецификаций габаритных огней. Для обеспечения пассивной безопасности габаритные огни комбинируются со световозвращающим устройством и размещаются либо в центре, либо сбоку в виде отдельной секции габаритного фонаря. При горизонтальном размещении светодиодов в несменном источнике света в одну линию, параллельную габаритной длине фонаря, обеспечивается требуемое несимметричное световое распределение, которое нарушается в случае его вертикального расположения, что обуславливает необходимость изготовления дополнительной модификации фонаря с вертикальным размещением световозвращателя относительно горизонтальной линии светодиодов.
Важными конструктивными признаками являются способы крепления и подключения фонаря к бортовой сети автомобиля.
Крепление винтами через сквозные крепежные отверстия в рассеивателе и корпусе усложняют конструкцию фонаря [12, 13] и требуют высокого качества сварки в местах соединения. В этом случае при затяжке крепежных винтов возможна деформация сварного соединения или его растрескивание вблизи точек крепления, что является причиной разгерметизации корпуса. Постоянное скопление грязи и влаги на этих участках при эксплуатации фонаря приводит к коррозии крепежа и ухудшению внешнего вида изделия.
Известны способы крепления с помощью плоских пружинных защелок, устанавливаемых на внешней поверхности патрона или резьбового соединения с гайкой и стопорной шайбой [13].
Подключение фонарей к бортовой сети транспортного средства осуществляется с помощью гибких выводных проводов [14-15] или штекерных разъемов [13].
В основу изобретения поставлена задача разработки конструкции технологичного в изготовлении габаритного фонаря транспортного средства, обладающего высокими показателями надежности и энергоэффективности, снабженного герметичным легкосъемным разъемом, одновременно обеспечивающим высокую степень защиты от внешних воздействий с минимально возможной габаритной толщиной, обеспечивающей удобство установки и монтажа на транспортном средстве как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях.
Технический результат проявляется в унификации конструкции габаритного фонаря, обеспечивающей установку на транспортное средство как в горизонтальном, так и в вертикальном положении, возможности реализации светотехнических характеристик габаритных огней различного функционального назначения, например боковых габаритных категории SM1, задних категории R и передних категории А, путем выбора фотометрических и колориметрических спецификаций светодиода. Модульная конструкция обеспечивает низкую себестоимость изделия, его малую габаритную толщину, а монолитная конструкция степень защиты IP67 и удобство монтажа на транспортное средство с помощью двух закладных шпилек. Отсутствие сквозных монтажных отверстий на световозвращающей поверхности рассеивателя фонаря является важной конструктивной особенностью, одновременно обеспечивающей как лучшую герметичность изделия, так и увеличение коэффициента световозвращения в результате большей площади световозвращающего устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в габаритном фонаре транспортного средства с модулем несменного источника света, состоящим из герметичного корпуса из полимерного материала, выполненного в виде монолитного соединения с патроном типа AMP Superseal, совмещенным со штекерным разъемом повышенной надежности и рассеивателя, согласно изобретению несменный источник света выполнен на основе единичного многокристального SMD светодиода, а вторичная оптика - в виде совокупности поверхностей вращения второго порядка, центры которых совпадают с оптической осью светодиода, и интегрирована в световозвращатель, являющийся частью внешнего рассеивателя. Крепление осуществляется закладными шпильками в корпусе фонаря, что обеспечивает целостность рассеивателя.
В габаритном фонаре подключение к бортовой сети автомобиля выполнено в виде гибких проводов с герметизированными выводами.
В габаритном фонаре несменный источник света выполнен по технологии СОВ (Chip-on-Board).
Габаритный фонарь снабжен кронштейном для установки на транспортное средство.
В корпусе габаритного фонаря на тыльной стороне корпуса выполнены закладные крепежные шпильки, обеспечивающие надежную фиксацию фонаря на транспортном средстве.
В несменном источнике света габаритного фонаря цветовые характеристики светодиодов выбираются в соответствии с его колориметрическими спецификациями.
Предлагаемая унифицированная конструкция фонаря позволяет исключить негативное влияние внешних факторов, обеспечивает возможность как вертикальной, так и горизонтальной установки на транспортном средстве, одновременно повышая его экономическую эффективность и конкурентоспособность.
Для лучшего понимания изобретение поясняется чертежами, где
Фиг.1 - общий вид габаритного фонаря транспортного средства с модулем несменного источника света;
Фиг.2 - вертикальное сечение габаритного фонаря.
Габаритный фонарь транспортного средства с несменным источником (Фиг.1, Фиг.2) представляет собой сварную полимерную конструкцию, состоящую из монолитного корпуса 1 и патрона 2, хвостовая часть которого выполнена в виде штыревой колодки типа AMP Superseal 3, имеющего степень защиты IP 67, и рассеивателя 4. Для удобства монтажа фонаря на транспортном средстве на задней (тыльной) поверхности корпуса выполнены две закладные шпильки 5. Внутри корпуса патрона 2 размещен модуль несменного источника света 6, состоящий из электронной платы управления 7, многокристального SMD светодиода 8, снабженной штекерными колодочными наконечниками 9 для обеспечения фиксированного осевого положения модуля 6 в корпусе патрона 2 относительно элементов вторичной оптики 10 рассеивателя 4. Использование в качестве выводных терминалов штекерных наконечников, расположенных перпендикулярно плоскости платы, представляется современным и эффективным способом соединения печатной платы с бортовой сетью транспортного средства [9].
Использование клея герметика в местах контактов штекерных наконечников и корпуса фонаря, совместно с лабиринтным уплотнением разъема типа AMP Superseal обеспечивает герметичность модуля несменного источника света 6 со стороны штекерного разъема 3.
Применение многокристального SMD светодиода 8, обладающего малыми габаритными размерами, и размещение платы модуля несменного источника света 6 в корпусе 1 фонаря параллельно рассеивателю 4 позволяет существенно уменьшить габаритную толщину фонаря, его массу и себестоимость. Внутренняя поверхность корпуса патрона 2 снабжена системой креплений 11 для удобства фиксации платы несменного источника света 7. Монолитный рассеиватель 4, выполненный из прозрачного полимера, не имеет отверстий и совмещает функции световозвращателя 12 и вторичной оптики 10 модуля несменного источника 6 света габаритного фонаря (Фиг.2). Вторичная оптика 10 обладает осевой симметрией и выполнена в виде совокупности поверхностей вращения второго порядка, центры которых совпадают с оптической осью светодиода 8.
Габаритный фонарь функционирует следующим образом.
При подаче напряжения питания от бортовой сети транспортного средства через герметичный штекерный разъем 2 на электронную схему управления устройства включается светодиод 8 несменного источника света, что приводит к излучению света в направлении вторичной оптики 10. Свет, проходя через элементы вторичной оптики 10 в результате эффектов полного внутреннего отражения и преломления совокупностью поверхностей второго порядка, расположенных на внутренней поверхности линзы, образует интегральное двумерное пространственное распределение в соответствии с фотометрическими предписаниями огня требуемой категории. Выбор колориметрических характеристик светодиодов определяется требованиями ТНПА.
Варьируя тип светодиодов несменного источника света и колориметрические характеристики рассеивателя, можно реализовать функции переднего, бокового и заднего габаритных фонарей.
Унификация вторичной оптики существенно уменьшает себестоимость изделия, а его герметичность определяет высокую долговечность.
Предлагаемое конструктивное решение, по сравнению с прототипом, упрощает задачу по обеспечению функций габаритного бокового (переднего, заднего) фонаря, что определяет его экономическую эффективность и высокую конкурентоспособность.
Предлагаемый фонарь обладает степенью защиты IP67, что позволяет исключить негативное влияние факторов внешней среды и обеспечить его долговечность.
Одним из вариантов технологии изготовления несменного источника света является технология непосредственного монтажа кристаллов на подложку СОВ (Chip-on-Board) позволяющая одновременно уменьшить размеры платы и повысить его надежность.
В качестве опции габаритный фонарь может быть снабжен кронштейном для установки на горизонтальную поверхность транспортного средства.
Как показали натурные испытания, разработанная конструкция обеспечивает высокую надежность изделия и удобство монтажа на транспортное средство.
Заявителем изготовлены и испытаны опытные образцы габаритных фонарей предлагаемой конструкции.
Промышленное использование предложенного варианта конструкции бокового (переднего, заднего) габаритного фонаря ожидается в 2012 г.
Источники информации
1. Патент РБ. №568. Несменный источник света. Зуйков И.Е., Колонтаева Т.В., Петров С.П. МПК F21S 8/10, заявлено 05.12.2001, опубл. 30.06.2002.
2. Патент РБ. №1701. Несменный источник света. Бусел А.П., Зуйков И.Е., Колонтаева Т.В. МПК F21S 8/10, заявлено 03.10.2004, опубл. 30.12.2004.
3. Правила ЕЭК ООН №7 (02) / Пересмотр 4. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения подфарников, задних габаритных (боковых) огней, стоп-сигналов и контурных огней механических транспортных средств и их прицепов.
4. Правила ЕЭК ООН №91 (00) / Пересмотр 1. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения боковых габаритных фонарей механических транспортных средств и их прицепов.
5. Патент РБ. №567. Габаритный фонарь транспортного средства. Зуйков И.Е., Колонтаева Т.В., Петров С.П. МПК F21S 8/10, заявлено 05.12.2001, опубл. 30.06.2002.
6. ЕР 1559951 (А2), 03.08.2005, Vehicle lamp and method of mounting the vehicle lamp, Branderm Rolf [DE]; Umakanthan Amarnath [DE], МПК B60Q 1/04; B60Q 1/26; F21S 8/10; F21V 17/18.
7. EP 1679228, 12.07.2006, Vehicle lamp, Umakanthan Amarnath (IN); Weddemann Heribert (DE); Wolter Kerstin (DE), МПК B60Q 1/32; B60Q 1/26; B60Q 1/26; B60Q 1/32.
8. JP 2010009973 A, 14.01.2010, Led marker lamp, Ide Katsuyuki, МПК F21S 2/00; G09F 13/20; E01F 9/053.
9. U.S. Patent 20080100470, 01.05.2008, Side turn indicator, Conway, Scott M., Flower Mound, МПК G09F 9/33; B60Q 1/34.
10. U.S. Patent 392068, 25.09.2003, Side turn/marker lamp, Pond Greg, МПК B60Q 1/00.
11. AN 1149-1. Using Super Flux LEDs In Automotive Signal Lamps, www.lumiled.com.
12. U.S. Patent 2005117360, 02.05.2005, Vehicle light having a cruciform light distribution, Wimbert Frank (DE); Werner Hermann (DE); Wolff Reingard (DE), МПК B60Q 1/32; B60Q 1/32.
13. Патент РБ. №3963. Габаритный фонарь транспортного средства с несменным источником света. Балохонов Д.В., Зуйков И.Е., Колонтаева Т.В. МПК F21S 8/10, заявлено 01.02.2007, опубл. 30.10.2007.
14. U.S. Patent 20100277903, 04.11.2010, Lamp for side-marker, clearance or combination thereof, Bauer Joshua G., МПК F21V 1/00; F21S 6/00; F21V 21/00; F21V 29/00.
15. U.S Patent 7772988, 10.08.2010, LED light assembly with predetermined distribution pattern and built-in retroreflector, Patrick J. Condon, МПК G09F 9/33.
16. U.S. Patent 6305830, 23.10.2001, Lighting optics for light means of vehicles, Zwick Hubert, МПК F21V 7/00.
17. U.S. Patent 7703950, 27.04.2010, Side-emitting lens for LED, Ewert Jurgen Е., МПК F21V 5/02.
18. U.S. Patent 20090129097, 21.05.2010, Side-emitting lens for led lamp (21-May-2009) МПК F21V 5/00.
19. JP 2006066130, 09.03.2006, Marker lamp for vehicle, Koizumi Hiroya; Natsume Kazunori; Mochizuki Miki, МПК F21S 8/10; F21Y 101/02; F21S 8/10.
20. U.S. Patent, 09.02.2010, Vehicle mini lamp, Johnson Gary, МПК B60Q 1/26; F21S 8/10.
21. High Brightness LEDs on FR4 Laminates, Gerhard Neumann, LED professional Review (LpR), Sept/Oct 2011, p.62-66.