汽車燈具防霧設計與驗證

趙志星，周龍，吳海濤，劉睿，吳露露

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230000）

引言

隨著經濟的飛速發(fā)展，汽車在人們日常生活中扮演著越來越重要的角色，與此同時人們對汽車安全性的需求和認識也越來越高。汽車燈具是駕駛員獲得夜間照明及與外界進行信息交互的主要裝置。汽車車燈的內部霧氣凝結，是當前影響車燈質量、壽命和使用效能的一個嚴重問題，這也是目前車燈行業(yè)難以解決的一大難題。

本文通過對車燈霧氣形成的機理研究、燈具結構的優(yōu)化設計、燈具內部流場及溫度模擬分析，確立了汽車燈具的防霧設計流程及驗證方法。

1 霧氣形成的原因

當水蒸氣與低于其飽和溫度的物體表面接觸時，根據表面性質的不同，有兩種不同的凝結形式。如果凝結液體能很好地濕潤壁面，它就在壁面上鋪展成膜，這種凝結形式稱為膜狀凝結。當凝結液體不能很好的濕潤壁面時，凝結液體在壁面上形成一個個的小液珠，這種凝結形式稱為珠狀凝結。在車燈中，燈具面罩的材料為合成樹脂，是一種水所不能浸潤的材料，在其表面發(fā)生的凝結是珠狀凝結。

汽車燈具內部形成霧氣一般需要具備三個基本條件：車燈內的空氣中必須含有足夠的水蒸氣，車燈內必須存在溫度低于周圍環(huán)境水蒸氣凝結臨界溫度的區(qū)域，車燈內部存在凝結核心。當燈具內部空氣含有的水分在遇冷時,會在汽車的燈具面罩上形成一層霧氣，會嚴重影響汽車車燈的照明效果和外觀表現(xiàn)。

燈具在工作時會產生熱量，所以需要跟外界聯(lián)通，從而進行空氣交換以保證其內部溫度不至于過熱。

燈具與外界的空氣交換通過透氣孔實現(xiàn)。燈具內部的水分一般來源于兩方面：一方面來自于燈具內部自身部件的含水；另外一方面來自于外部環(huán)境，當燈具內外空氣流通時，外面的空氣含有水分也會通過透氣孔循環(huán)進入到燈具內部。

圖1 燈具內部水分來源

車燈內部件自身水分蒸發(fā)形成的水蒸氣是造成結霧的主要原因。當車燈點亮時，燈泡周圍空氣的溫度急劇上升，通過輻射和自然對流換熱，使車燈內部件的水蒸氣受熱蒸發(fā)，使得在空氣溫度較高的區(qū)域有較大的濕度，水蒸氣通過對流和擴散作用被輸送到車燈的各個角落。由于車燈內部溫度分布不均勻，當濕度較高、溫度較高的空氣流到溫度較低的區(qū)域時，一部分水蒸氣就在面罩上凝結成霧。

如果車燈內不存在水分，周圍環(huán)境變化所導致的空氣中水蒸氣的凝結是結霧的主要原因。最主要的情形是：車燈原先處在濕度較高、溫度也較高的環(huán)境中，車燈內空氣的濕度較大；當環(huán)境溫度降低時，如果車燈內的水蒸氣不能充分流動擴散到環(huán)境中去，仍維持高的濃度，而車燈內某些區(qū)域溫度低于外部環(huán)境的水蒸氣凝結臨界溫度，就會出現(xiàn)結霧現(xiàn)象。

在車燈內水蒸氣的數量和分布，取決于車燈外部環(huán)境、通氣孔以及車燈的結構特征。

根據上述分析，燈內溫度場、流動場、水蒸氣濃度的分布和車燈材料表面性質是影響結霧的主要因素。對前三者來說，水蒸氣濃度分布依賴于溫度場和流動場，燈內溫度分布越均勻，溫度越高，流動越強烈，則結霧的可能性越低。

2 燈具的結構設計

從結構設計上降低燈具霧氣形成的風險，主要從增強燈具內部空氣流通和保持燈具內部溫度分布均勻入手。

2.1 增強燈具內部空氣流通

通常影響前大燈內部空氣流通的因素有以下兩個方面：

（1） 前大燈內部部件間的結構間隙

通常前大燈內部的裝飾框等部件與前大燈面罩的間隙，是影響燈具內部空氣流通的主要因素。如圖2斷面所示：圖中虛線方框中是大燈面罩和裝飾框距離較小的部位，通常部件間間隙大于5mm時，燈具內部的空氣流通是比較順暢的。因此將HFC0010車型的前大燈內部裝飾框與面罩的最小設計間隙定為5mm，非外觀可視區(qū)域間隙設計為10mm以上，保證內部空氣流通順暢。

圖2 前大燈裝飾框與面罩間影響空氣流通的部位

（2）前大燈通氣孔的布置位置、數量及結構形式

前大燈燈體上通氣孔布置的位置、數量及形式都是影響前大燈內部空氣流通的主要因素。

前大燈透氣孔布置位置要盡量布置在燈具尖角、冷區(qū)、光源附近，進氣孔和出氣孔的布置盡量布置在燈具溫度差最大的兩極區(qū)域，以此來增強燈具內部空氣流動。如下圖3所示：

圖3 前大燈通氣孔的布置位置示意圖

根據前大燈的光源類型和內部溫度模擬分布，來確定通氣孔的數量及結構。通常的通氣孔結構有U型彎管、L形彎管、圓形透氣膜、方形透氣膜、圓形透氣帽等。不同的結構類型透氣量及防水性都各有優(yōu)缺點，需要在具體燈具設計時結合周邊環(huán)境綜合考慮。

2.2 保持燈具內部溫度均勻

隨著汽車技術的發(fā)展，前大燈的造型也越來越復雜和多變，因此前大燈功能布置及光源選擇會受到很大限制，前大燈內部溫度均勻性也較難保證。下圖4是兩種在尖角處較容易形成霧氣的前大燈造型。

圖4 前大燈尖角部位易形成霧氣

前大燈造型盡量避免出現(xiàn)較大的尖角，尖角部位燈光難以照射到，同時空氣流通也較差。下圖5是兩種尖角造型處理稍好，不易形成霧氣的前大燈。

圖5 尖角部位處理較好的前大燈

HFC0010車型的前大燈在造型階段避免出現(xiàn)了上述尖角，保證了空氣流通，如圖6所示。

圖6 HFC0010前大燈尖角部位處理較好

3 燈具內部空氣流動模擬

燈具的結構設計完成時，通過計算機CAE的輔助模擬，可以有效地分析燈具面罩的冷區(qū)及燈具內部的空氣流動。通常采用ANSYS進行燈具面罩溫度分布和燈具內部空氣流動的模擬分析。下圖7是HFC0010車型的前大燈溫度分析，通過分析可以看出燈具內部平均溫度為54℃，在遠近光透鏡正上方是溫度最高區(qū)域，但是前大燈左側尖角及燈具下部溫度較低，局部最低溫度低于27℃，極易產生霧氣凝結。

圖7 前大燈內部溫度模擬

下圖8是對前大燈內部的空氣流動進行模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)前大燈下部裝飾框與面罩間隙小的區(qū)域，空氣流動較差，極易形成霧氣凝結。

圖8 前大燈內部空氣流動模擬

下圖9是對前大燈內部不同空氣流動速度的模擬，通常認為0.03m/s是有效地空氣流動速度，0.1m/s是可以快速消除霧氣的空氣流動速度?？梢园l(fā)現(xiàn)前大燈左下尖角處及遠近光下部裝飾框與面罩間隙小的區(qū)域，空氣流動速度很低。

圖9 前大燈內部不同空氣流動速度模擬

針對以上的分析，優(yōu)化HFC0010車型前大燈燈體上進行進氣孔和出氣孔的布置位置及其結構形式。圖9是對優(yōu)化后的前大燈的進氣孔和出氣孔的流通量進行的模擬分析。通過模擬分析看出，在前期模擬分析發(fā)現(xiàn)空氣流動較差位置，布置的進氣孔和出氣孔的流速是比較大的，說明優(yōu)化后的進出氣孔位置可以有效地改善燈具內部的空氣流通，目前的通氣孔位置及結構形式是較為合理。

圖10 前大燈透氣孔布置圖

4 燈具霧氣的試驗驗證

通過單燈試驗及整車試驗對燈具霧氣進行驗證。單燈試驗在淋雨點燈模擬試驗箱內完成。試驗方法：

a）固定：按整車安裝要求，必須采取適當防護裝置，避免水流直接噴入透氣孔內部；

b）轉動時間：轉動時間為60°/s；

c）轉動范圍：轉動范圍為繞配光鏡/燈具面罩 180°±20°；

d）按規(guī)定節(jié)拍控制試樣試驗，可持續(xù)工作時間為15min，各階段時間公差為±5s，試驗周期6h。

此試驗燈具各功能按照不同的點亮邏輯進行點亮，同時試驗箱內噴頭對大燈進行冷水噴淋，模擬雨天燈具工作工況（見圖11）。

圖11 淋雨試驗箱示意圖

HFC0010車型的前大燈單燈試驗結果如下圖12所示：試驗后前大燈面罩尖角區(qū)域、遠近光正下方及側邊區(qū)域產生霧氣，室內靜置15分鐘后，霧氣全部消散，單燈的淋雨試驗合格。

圖12 淋雨試驗后及靜置15分鐘后前大燈狀態(tài)

燈具的整車霧氣驗證在車輛靜止狀態(tài)下對整車進行環(huán)境艙內的模擬淋雨試驗測試。由于不同的車型的發(fā)動機艙內的布置及發(fā)動機排量都不同，所以不同車型的前大燈對應的環(huán)境也不同，因此在進行整車試驗前，對HFC0010車型前大燈對應的發(fā)動機艙環(huán)境溫度進行摸底測試，也有利于我們更準確的了解前大燈的使用環(huán)境及對應工況。

在進氣孔、出氣孔及預留的進出氣孔位置布置溫度傳感器探頭，如圖13所示：

圖13 前大燈燈體上布置溫度傳感器位置

在室外常溫環(huán)境下測得1.5T和2.0T兩個車型發(fā)動機艙內前大燈燈體不同位置的溫度如下圖 14所示。結果表明：1.5T發(fā)動機艙左側平均溫度77.3℃，右側平均溫度76.7℃。2.0T發(fā)動機溫度艙左側平均溫度81.1℃，右側平均溫度84.5℃。同一側前大燈尖角位置的進氣孔及出氣孔溫度差小于 4℃。

圖14 前大燈燈體上不同位置的溫度

發(fā)動機工作的情況下，在環(huán)境艙內對前大燈進行淋雨試驗，試驗結果如下圖15、16所示：試驗剛結束時，2.0T車型霧氣比 1.5T霧氣嚴重，發(fā)動機熄火后，大燈繼續(xù)點亮30min，兩燈霧氣均消失。

圖15 1.5T車型在環(huán)境艙淋雨后產生霧氣的區(qū)域

圖16 2.0T車型在環(huán)境艙淋雨后產生霧氣的區(qū)域

由上面的數據測量及實車試驗可以看出，當發(fā)動機工作時，發(fā)動機艙內的溫度升高，前大燈尖角位置溫度升高，導致前大燈進氣孔和出氣孔的溫差縮小，空氣流通速度變慢，空氣流通減弱。同時溫度升高導致空氣中含水率也隨之升高，循環(huán)進入燈具內部的空氣濕度增大，在前大燈面罩遇冷時，形成霧氣凝結現(xiàn)象，且發(fā)動機艙內溫度越高，起霧現(xiàn)象越嚴重。

當發(fā)動機熄火后，隨著發(fā)動機艙溫度降低，前大燈繼續(xù)點亮，進氣孔及出氣孔溫差逐漸變大，前大燈內部空氣循環(huán)加速，30min后霧氣消失。

5 結束語

本文主要結合HFC0010車型前大燈的開發(fā)，論述了乘用車燈具的正向防霧設計和驗證方法，利用ANSYS三維軟件的輔助計算，模擬前大燈內部的空氣流動及溫度分布。對透氣孔在前大燈上的位置進行合理布置，使其滿足燈具散熱及空氣流通的要求，同時對燈具內部結構的設計優(yōu)化，完善燈具內部空氣流通，降低霧氣形成的風險。在此基礎上進行實車的試驗驗證，印證了關于燈具透氣孔布置位置和燈具內部結構設計的設計原則，同時得出霧氣與發(fā)動機艙溫度之間的關系，確立了汽車燈具的防霧設計流程及其驗證方法。

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