后視鏡安裝標準及視野分析

冷傳剛　王　謙　史　俍　李蘊愷（天津內燃機研究所　天津　300072）

后視鏡安裝標準及視野分析

冷傳剛王謙史俍李蘊愷（天津內燃機研究所天津300072）

摘要：后視鏡是駕駛員獲得間接視野的主要來源，是影響駕駛安全的重要部件。對后視鏡安裝相關標準進行了介紹，重點在球面鏡成像的光學規律基礎上，通過建立后視鏡安裝的幾何模型，定量計算了視鏡像點的可見角度，進一步計算出視鏡設計參數對可見角度的影響，最后通過試驗進行了驗證。分析結果為后視鏡參數設計和安裝位置提供了理論依據，并為后視鏡安裝的相關試驗提供了理論指導。

關鍵詞：后視鏡安裝球面鏡成像可見角度

引言

后視鏡安裝的現行國標有兩個。《GB 17352-2010摩托車和輕便摩托車后視鏡的性能和安裝要求》[1]，適用于摩托車和輕便摩托車，不適用于車身部分封閉或全部封閉駕駛員的摩托車，標準沒有直接規定后視鏡的視野要求，但標準對反射面尺寸，反射面曲率半徑，安裝數量和安裝位置等有明確要求，所以滿足本標準要求的后視鏡具有良好的駕駛視野；《GB 15084-2013機動車輛間接視野裝置的性能和安裝要求》[2]，適用于安裝在M和N類及至少駕駛室被部分封閉的L類機動車輛上的間接視野裝置。可以安裝在L類車輛的后視鏡類型有：I類內后視鏡，III類和VII類主外后視鏡。標準除了對反射面尺寸、曲率半徑，安裝數量和安裝位置等有明確要求外，還對每一類后視鏡視野有了具體規定，都要求在駕駛員眼點位置通過后視鏡應能觀察到水平路面上不同范圍的視野區域并延伸至地平線。

1　后視鏡安裝標準的發展趨勢

由于摩托車國標接近歐洲標準，后視鏡新標準的起草將受歐規的影響，所以下面介紹（EU）No 3引起的新變化。

1）Commission Delegated Regulation（EU）No 3 Annex X后視鏡安裝部分的規定[3]：

（1）L1e-B，L3e和L4e類車輛應符合UNECE法規No.81的所有相關要求

L1e-B，L3e和L4e類車輛可以安裝通過UNECE法規No.46認證的II類或III類間接視野裝置。

（2）L2e，L5e、L6e和L7e類車輛應符合UNECE法規No.81或No.46的所有相關要求。

①符合UNECE法規No.81的L2e，L5e、L6e和L7e類車輛可以安裝通過UNECE法規No.46認證的II類或III類間接視野裝置。

②L2e，L5e、L6e和L7e類車輛可以額外選裝一個I類后視鏡。

2）后視鏡國標發展趨勢

新版國標GB 15084-2013與歐規ECE R46非常接近，可以預見（EU）No 3的新變化將成為后視鏡國標的發展趨勢。EU No.3標準使摩托車可選的后視鏡更多，不但帶駕駛室的三輪摩托車可以使用其它類摩托車的后視鏡外，其它類摩托車也可以使用帶駕駛室的摩托車的后視鏡了。具體內容如下：

兩輪摩托車除了可用原有的ECE R81規定的后視鏡外，還可以選裝ECE R46規定的II類或III類間接視野裝置；不帶駕駛室的三輪摩托車除了可用原有的ECE R81規定的后視鏡外，還可以選裝ECE R46規定的II類或III類間接視野裝置，還可以額外選裝一個I類后視鏡；帶駕駛室的三輪摩托車除了可用原有的ECE R46規定的間接視野裝置外，還可以選裝ECE R81規定的II類間接視野裝置，還可以額外選裝一個I類后視鏡。L6e和L7e類車輛屬于全地形車，其要求與三輪摩托車相同。

2　后視鏡視野特性簡析

各類視鏡都要滿足其相應的觀察視野要求。圖1為對VII類視鏡的視野區域大小的規定。

圖1　VII類視鏡視野要求

L類車輛上安裝的后視鏡屬于光學零件的凸面鏡，所有光學規律都適用于后視鏡。下文先介紹與后視鏡相關的球面反射鏡的成像規律。

如圖2所示，凸面鏡OE的半徑為R，焦點為F點。根據焦點的定義，平行于鏡面中心線的光線BE，經鏡面反射后，反射光線的反向延長線必經過焦點F，BC與EF的交點為B點的像B′。圖中U為物距，V為相距。

圖2　球面反射鏡成像

球面反射鏡的物像位置公式為[4]：

球面反射鏡軸線方向上的放大率恒為負值，物像移動方向相反，即當物體向光軸正方向移動時，像則沿光軸向光軸的負方向移動。

根據以上理論和裝于車輛上的后視鏡特點，可以得到以下結論：

1）由于U>0，所以V

2）對于相同的視野區域（U恒定），反射面的曲率半徑R大小決定像點V的位置，R越小則像點離視鏡越近（V越小），連接像點與鏡面邊緣的角度越大，從而視野范圍越大；而且后視鏡反射面尺寸越大，連接像點與鏡面邊緣的角度越大，從而能夠觀察到的視野范圍越大。

3）如果后視鏡向左/右旋轉調整時，左/右側的物體將在后視鏡內成像，即駕駛員將看到處于車輛左/右側的物體。

4）對于同一視鏡，眼點離后視鏡的軸向距離越小（相當于相距V越小），能觀察到的視野范圍越廣。

圖4 視鏡像點幾何模型

3　后視鏡成像的可見角度分析

后視鏡雖然可以調節，但在固定眼點觀察時，調整前后只是視野區域的改變，而不是視野大小的增減。后視鏡成像的可見角度由后視鏡的幾何特性決定，為定量研究后視鏡成像的可見角度，本文建立如圖3所示的幾何模型：反射面為AB的后視鏡安裝于車長為L的車輛上，MN為目標視野范圍（距離車后lm遠，寬度為h m），即標準GB 15084規定的視野區域的起點，后視鏡反射面軸線中心與車輛最前端的距離為a，視鏡反射面中心至車輛外端的距離為b，視鏡調整后其軸線與車輛縱向中心線的夾角為θ，通過作圖法確定N點在后視鏡的像，用同樣的方法可以確定M點的像。

圖3　后視鏡成像幾何模型

圖中已知參數有：視鏡反射面長度AB，視鏡反射面曲率半徑OA、OB和視野區域尺寸（目標視野尺寸）。根據圖中的幾何關系可求得N點的物距：

求得像距V。于是問題轉化為圖4所示的三角形幾何角度問題。

在等邊三角形OAB中，N′為目標視野范圍N點的像，根據視鏡成像規律可知N點的可見角度為圖中?N+βN。此外P長度可以從圖3中的ONH三角形相似關系求得，QT=R-OQ，N′D=PQ=V-QT，

于是

同理對M點作圖計算可以求得M點的幾何可見角度?N，βN，像M′，N′的可見角度為M′點和N′點幾何可見度的交集，即min（?N，?M）+min（βN，βM）。將可見角度計算公式編輯到Excel單元格中，并將已知數據代入Excel，對MN像的可見角度進行計算。

計算用數據取自某150ZC樣車的實測結果，L= 2.26m，a=0.335m，b=0.148m，θ=8°，R=1.228m，l= 0.156，樣車視鏡類別為VII類，故視野區域選取圖1所示的左側區域，計算結果如表1所示。

表1　后視鏡模型計算結果

本例模型計算的可見角度為7.47°，雖然可見角度不大，但通過合理放置座椅位置，可以在視鏡里觀察到MN點。

為分析后視鏡可見角度隨視鏡主要參數的變化規律，分別計算當車輛長度，視鏡長度，視鏡曲率半徑3個參數在限值內變化時，成像的可見角度變化趨勢，結果分別如圖5，6，7所示。

可以看出，視鏡成像的可見角度隨車長、曲率半徑、視鏡橫向長度在規定的限值內的變化非常明顯，而最明顯的是視鏡的橫向長度。對本例所選參數的視鏡，當視鏡橫向長度在0.020~0.078m之間時，可見角度為負值，即視鏡成像無論在哪個角度都無法觀察到，故在視鏡設計上，合理選擇視鏡的幾何尺寸是至關重要的。同時在本例計算中，發現恒為負，這是因為M點的像高大于視鏡橫向長度的一半，故觀察者只有從視鏡右側才能觀察到M點的像，這與日常經驗是吻合的：越靠左側的物體，從視鏡里觀察，需要越往右側才能看到。由于恒為負，為了能觀察到目標視野，左視鏡需要向右旋轉調整，右視鏡需要向左旋轉調整。

圖5　可見角度隨車輛長度變化

圖6　可見角度隨視鏡長度變化

圖7　可見角度隨視鏡曲率半徑變化

4　后視鏡視野的試驗驗證

對某150ZC樣車按照圖1的視野區域大小站人標記，試驗人員在座椅上通過視鏡觀察，驗證能否觀察到人員站立的視野區域，結果如圖8所示，視野能夠滿足要求，試驗結果與預期的設想一致。

圖8 視野的試驗驗證

參考文獻

1全國汽車標準化技術委員會.GB 17352-2010摩托車和輕便摩托車后視鏡的性能和安裝要求[S].北京：中國標準出版社，2010

2全國汽車標準化技術委員會.GB 15084-2013機動車輛間接視野裝置的性能和安裝要求[S].北京：中國標準出版社，2013

3The European Union.Comm ission Delegated Regulation （EU）No 3/2014[S].Official Journal of the European U－nion，2014

4吳曉紅，鄭丹.光學基礎教程[M].武漢：華中科技大學出版社，2012

中圖分類號：U463.85+6

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0057-04

收稿日期：（2014-12-17）

作者簡介：冷傳剛（1979-），男，工程師，主要研究方向為振動噪聲與零部件檢測。

An Analysisof Standard and Vision on Rearview M irror

Leng Chuangang，W ang Qian，ShiLiang，LiYunkai
Tianjin InternalCombustion Engine Research Institute（Tianjin，300072，China）

Abstract：The rearviewmirror is themain source toobtain indirectvision for drivers.And itisan important component which influences driving safety.Related standards of the rearview mirror installation are introduced in this paper.By setting up the geometrymodelsof rearviewmirror installed,based on the rules of sphericalmirror imaging,the paper quantitatively calculates the visible angle of image in the rearview mirror.Then the influence of design parameters on the visible angle of themirror can be obtained.Finally an experiment is conducted to verify the results.This result provides the theoreticalbasis for the rear-view mirror design and installation position,and also provides theoreticalguidance for rear-viewmirror test.

Keywords：Rear-viewmirrormounting，Sphericalmirror imaging，Visibleangle