CC BY
71
Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.
Литература
1. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Учебник для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 720 с.
2. Houston R., Cathcart G. Combustion and Emission Characteristics of Orbital's Combustion Process Applied to Multi-Cylinder Automotive DI 4-Stroke Engines// SAE Paper 980153. -1998. - P. 34-48.
3. Фомин B.M., Каменев В.Ф., Хрипач H.A. и др. Оценка методов и способов получения во-дородосодержащего топлива для питания силовых установок АТС // Сборник научных трудов. Выпуск 239. М.: Изд-во ГНЦРФ ФГУП «НАМИ», 2008. с. 38-71.
4. Фомин В.М., Каменев В.Ф. Бортовое генерирование водородосодержащего газа для транспортных двигателей. // Транспорт на альтернативном топливе. 2013. № 2(32). с. 4147.
Использование лазерного света в автомобильной светотехнике
доц. Хортов В.П., Гребенчиков А.П., д.ф.-м.н. проф. Скворцов A.A.
Университет машиностроения (МАМИ), (495) 223-05-37, khortov045'amail.ru, grehenchikov9l'amail.ru, skvortsovaa2009 'a yandex,ru
Аннотация. Рассмотрена возможность использования лазеров в системе освещения автотранспортных средств.
Ключевые слова: лазер, источник света, автомобильные осветительные приборы, автотракторное электрооборудование
Автомобильные светотехнические приборы прошли долгий путь развития от газовых источников света до светодиодных ламп. Вслед за светодиодными лампами пришла идея использования лазеров в светотехнике, поскольку современные технологии их изготовления позволяют сделать это [1].
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения как в непрерывном, так импульсном режиме [2].
Это явление А. Эйнштейн предсказал еще в 1916 г., ав 1936 г. подтвердил русский физик В.А. Фабрикант, который, анализируя спектр газового разряда, пришел к выводу: свет можно усилить, стимулируя излучение, и сформулировал необходимые для этого условия. Затем в 1951 г. вместе с М.М. Вудынским (тогда заведующий кафедрой физики МАМИ) и Ф.А. Бутаевой впервые экспериментально подтвердил свои предположения. Тогда же была подана заявка на изобретение, сформулированная следующим образом: «предлагается способ усиления электромагнитного излучения, основанный на использовании явления индуцированного излучения». Потом во многом на этой основе Н.Г. Басов и A.M. Прохоров (сотрудников Физического института АН СССР), а также Ч. Таунс (США) в 1960-1962 гг. разработали лазер на рубине, газовый лазер и, наконец, лазер на полупроводниковых элементах. За что все трое в 1964 г. были отмечены Нобелевской премией.
Именно полупроводниковые лазеры идеально подходят для автомобильной техники, так как имеют очень маленькие размеры и требуют для питания, в отличие от газовых и твердотельных лазеров, низкое напряжение.
Есть у них и другие достоинства, которые вытекают из принципа их работы. Согласно зонной теории [3], электроны в полупроводнике могут занимать две энергетические зоны (рисунок 1): нижнюю - валентную и верхнюю - зону проводимости. В чистом (ненагретом) полупроводнике все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны.
Если же на него подействовать электрическим током или световым импульсом, то некоторая часть электронов перейдет в зону проводимости. В результате такого перехода в валентной зоне окажутся «дырки», которые играют роль положительного заряда, участвующе-234 Известия МГТУ «МАМИ» № 2(16), 2013, т. 1
го в процессе электропроводности. Возможен и обратный переход электронов (излучатель-ный или безизлучательный). При этом в некоторых полупроводниках (например ОаАв, ОаМ, СёБ и т.д.) в результате перехода электронов из зоны проводимости в валентную и соединения их с «дырками» происходит излучение фотонов (излучательная рекомбинация носителей заряда). Обеспечить обратный переход электронов можно при помощи ударной ионизации, оптического излучения электрического тока и т.д.. Последний метод особенно интересен: он позволяет получать излучения в диапазоне от инфракрасной до ультрафиолетовой области при КПД, равном 60 % и более [2, 4].
Е А
Зона проводимости
©0000 ©00,
Запрещенная зона Е„
ЧАААЛ>
Валентная зона
000 ©00©©
Рисунок 1. Схема энергетических уровней полупроводникового лазера: излучательный переход «зона-зона»
Схема полупроводникового лазера приведена на рисунке 2,а. Изготовляют его следующим образом.
Интенсивность излучения
Длина волны
Рисунок 2. Схема полупроводникового лазера (а) и его спектральная характеристика (б): 1 - начальный этап; 2 - стационарный режим
Из сплава, состоящего, скажем, из арсенида галлия (ОаАв) и донорных примесей (полупроводник и-типа) с концентрацией 0,001 %, вырезается образец в форме параллелепипеда (или куба) размерами в несколько сотен микрон. Затем в нем формируются два р—п-перехода, для чего на поверхность ^-области наносится сплав золота с серебром. Поскольку торцы образца выполняют функции зеркал, их тщательно полируют, а его боковые стороны делают плоскопараллельными, чтобы они были резонаторами. Подготовленный образец припаивают к покрытому золотом молибденовому основанию с тем, чтобы обеспечить омический контакт с ^-областью. Излучение выводится через плоскопараллельные стороны образца, а верхние и нижние стороны являются контактами, к которым прикладывается напряжение.
Работа лазера сводится к следующему (рисунок 2,6). В начальный период, когда сила тока, текущего через^р-и-переходы, невелика, ширина полосы излучения довольно большая,
и поток света не является узконаправленным: при превышении порогового значения тока излучение имеет форму лепестка, т.е. он становится узконаправленным. Причем необходимая для этого мощность очень мала, а мощность излучаемая, наоборот, получается большой.
Например первый полупроводниковый лазерный диод, который экспонировался в 1965 г. на Лейпцигской ярмарке, имел кристаллы размером 0,03 мм при мощности излучения в импульсе 10 Вт.
Лазерное излучение (в отличие от теплового) характеризуется такими свойствами: оно узконаправленно (испускаются лишь волны, многократно отраженные от стенок резонатора и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оптической оси); монохромно (выходное излучение является следствием резонансного процесса, связанного с переходом частиц с фиксированного энергетического уровня); когерентно (излучение монохрома-тично и имеется строго фиксированный сдвиг фаз). У него есть один обобщенный показатель, важный с точки зрения автомобильной фары. Это спектральная яркость - величина, связывающая между собой поток энергии, излучаемой лазером, телесный угол и диапазон длин волн, в котором сосредоточено излучение.
Возьмем, к примеру, солнце. По формуле М. Планка посчитано [5], что с 1 см поверхности солнца излучается 7 кВт мощности. Но эта энергия распределяется в широком (от 0,25 до 1,80 мкм) спектральном диапазоне. В узкой же световой полосе (например на волне 0,532 мкм, соответствующей красному цвету) эта мощность составляет всего лишь 10" Вт-с/см . В то время как выходная мощность самых маломощных лазеров начинается с 10~3 Вт/мм2, что в 104 раз больше, чем у солнца в этой полосе излучения. Что касается спектральной яркости, то яркость солнца соответствует температуре 6000 К, а у лазерных источников - 101г\..101УК. То есть лазер как источник света эффективнее солнца.
Однако лазерам присуща одна особенность: у них узкий пучок света, который использовать непосредственно в автомобильных осветительных приборах невозможно. Но в качестве возбудителя люминофора, расположенного в фокусе осветительного прибора, не только можно, но и нужно. Важно лишь выбрать наиболее эффективный люминофор.
В итоге для первого экспериментального образца лазерной фары автомобиля был взят люминофор ФЛЗ-8, спектры поглощения и излучения которого показаны на рисунке 3. Физико-химические свойства рассматриваемого люминофора позволяют использовать его в автомобильной светотехнике.
100 80
60
40
200 280 360 440 520 600 1, нм Рисунок 3. Спектр поглощения (1) и спектр излучения (2) люминофора ФЛЗ-8
При разработке конструкции экспериментальной фары авторы подбирали лазерную головку (длина волны излучения) и тип люминофора, расположение лазерной головки и люминофора, а также электропитание и управление лазером. Полученные в ходе экспериментов
данные дали в итоге довольно полное представление о прообразе лазерной фары.
Так, эксперименты подтвердили: лазерный свет значительно отличается от солнечного и от всех других ранее известных его источников, что позволяет снизить расход энергии на работу автомобильных фар (например по сравнению со светодиодными фарами - более чем в 2 раза). Значит, лазерный свет улучшит топливную экономичность автомобилей. Причем его высокая интенсивность не является угрозой для людей и животных. Потому что он излучается на люминофор, где его энергия преобразуется в белый свет.
Очень важный вопрос - размеры лазерных диодов. Известно, что они в несколько раз меньше размеров обычных светодиодов. Это, безусловно, открывает кардинально новые возможности для разработчиков автомобильной светотехники.
Экспериментальная лазерная фара была изготовлена на базе обычной четырехугольной автомобильной фары. При этом в фокусе ее отражателя был установлен (рисунок 4) пластмассовый прозрачный шарик 1 диаметром 5 мм, на поверхность которого нанесен люминофор ФЛЗ-8.
На расстоянии 5 см от фокуса размещена лазерная головка 3, излучающая синий свет с длиной волны 405 нм. Напряжение питания устройства составляло 3 В, а потребляемая мощность - 0,05 Вт. Излучение лазера в виде узкого луча попадало на поверхность шарика, покрытого люминофором, и вызывало его люминесценцию в видимом спектральном диапазоне, и поскольку он находился в фокусе отражателя, то получался яркий луч света длиной до 60 м.
а)
(б)
Рисунок 4. Схема экспериментальной фары с одной лазерной головкой (а) и лазерная головка в сравнении с монетой достоинством 5 рублей (б): 1 — шарик с нанесением на него люминофором; 2 - отражатель; 3 - лазерная головка; 4 - луч лазера.
Рисунок 5. Схема экспериментальной фары с двумя лазерными головками: 1 — шарик с нанесенным люминофором; 2 — отражатель; 3 — лазерные головки; 4 — луч лазера
Таким образом, эксперименты доказали: такой источник - вполне реален. Не случайно
Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели, ими начинают заниматься и за рубежом. Например фирма БМВ планирует [6] в будущем устанавливать лазерные фары на свои автомобили. Что же касается наших исследований, то здесь намечается проведение широкомасштабных испытаний первых лазерных фар, а также изготовление фары с двумя лазерными головками (рисунок 5), что позволит не только повысить ее мощность, но и более рационально решить вопросы ближнего и дальнего света.
Литература
1. Алфёров Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии. //УФН. 2002. Т.172. №9.С.1068-1086.
2. Крохин О.Н. Лазер - как источник когерентного света. // УФН. 2011.Т. 181. № I.e. 3-7.
3. Шалимова К В. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат. 1985. 324 с.
4. Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция, спектры. Под.ред. У. Тсанга. М.:Радио и связь. 1990. 320 с.
5. Федоров Б.Ф. Лазеры. Устройство и применение. М.: ДОСААФ СССР. 182 с.
6. http://motor.ru/news/2011/09/01/bmwlaser/
К вопросу определения осевых сил на шкивах клиноременной передачи
Иванов В.А, Мамаев А.Н., Чепурной С.И.
Университет машиностроения
Аннотация. В предлагаемой методике расчета осевых сил на шкивах клиноременной передачи используются уравнения, полученные с учетом основных положений пространственной теории клина.
Ключевые слова: клиновой ремень, осевые силы, дуга обхвата, шкив, натяжение ремня
При исследовании механизма передачи окружной силы клиновым ремнем и процесса скольжения ремня в канавках ведущего и ведомого шкивов необходимо учитывать конкретную - клиновую форму ремня. Вместе с тем необходимо учитывать физико-механические характеристики ремня.
Клиновой ремень представляет собой сложноструктурную полимерную композицию, физико-механические свойства которой зависят от большого числа факторов. Кроме того, при работе клиновой ремень испытывает сложное напряженное состояние, поэтому составляющие ремень элементы, отличающиеся между собой упругими и прочностными свойствами, могут занимать различное положение относительно друг друга.
В процессе передачи окружной силы ремень скользит в канавках шкивов передачи как в окружном, так и в радиальном направлении, что приводит к интенсивному износу его рабочих поверхностей. Работоспособность и долговечность ремней всех видов зависит также от свойств корда, структуры наполнителя, обертки, технологии изготовления и целого ряда других факторов.
При свободном изгибе ремня сечение его искажается и боковые поверхности ремня принимают криволинейную форму, что обусловливает, в свою очередь, неравномерное распределение давления по высоте боковой поверхности ремня при его работе на шкивах, приводящее к снижению долговечности ремня.
Основные требования предъявляются к ремням для вариаторов. Так, для достижения высокого диапазона регулирования ремень должен иметь большую ширину, малый угол клина и малую толщину (высоту) для того, чтобы работать на шкивах малых диаметров. То есть вариаторный ремень должен отличаться увеличенным соотношением ширины ремня по его нейтральному слою (вр) к высоте (И), уменьшенным углом клина а по упругим свойствам - пониженной сопротивляемостью изгибу и высокой поперечной жесткостью.
При решении практических задач, связанных с расчетом клиноременных передач и особенно вариаторов, возникает необходимость в определении осевых сил, действующих на шкивах передачи.
