汽車前照燈霧氣原理研究與應(yīng)對(duì)措施

李 俊，鄧德志，杜旭耀

（廣汽乘用車有限公司，廣東 廣州 511434）

1 概述

汽車前照燈的功能主要用于道路照明，同時(shí)也向其他道路使用者發(fā)出光信號(hào)裝置的零件。從整車造型層面，汽車前照燈作為汽車的眼睛，造型的美觀性同樣是客戶關(guān)注的重點(diǎn)。

近年來(lái)，隨著汽車需求的日益普及，車輛面臨的使用工況也日趨復(fù)雜；前照燈配光鏡內(nèi)表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)霧氣或結(jié)露，如圖1所示，影響到整車外觀商品性，容易引起客戶的抱怨與品質(zhì)索賠。

圖1 前照燈起霧示例圖

2 前照燈起霧的形成機(jī)理分析

2.1 水霧與水汽

2.1.1 前照燈的水汽

自然界中的空氣實(shí)際上由氮?dú)?、氧氣、稀有氣體、水蒸氣、其他氣體和雜質(zhì)組成。在一定溫度、濕度的環(huán)境情況，固定體積的空氣飽和含水汽量是一定的。假設(shè)衡量空氣中所含水的質(zhì)量用Mw表示，那么可以得出如下計(jì)算方式：

式中：Mw——空氣中所含水的質(zhì)量，kg；Rw——水蒸氣的空氣常數(shù)，426.05J／kg×K；Pws——當(dāng)前氣溫時(shí)水蒸氣的飽和蒸汽壓，Pa；Pw——當(dāng)前氣溫時(shí)水蒸氣的絕對(duì)蒸汽壓，Pa；Ф——當(dāng)前氣溫時(shí)空氣的相對(duì)濕度，%；T——當(dāng)前氣溫的絕對(duì)溫度，K；V——被測(cè)空氣的體積，m3。

依據(jù)計(jì)算公式可知，飽和蒸汽壓與溫度是成正相關(guān)的關(guān)系，一定體積的空氣在不同溫度下有不同的飽和蒸汽壓，并隨著溫度的升高而增大，反之飽和蒸汽壓隨著溫度的降低而減小。水的飽和蒸汽壓與溫度線性擬合曲線如圖2所示。

圖2 水的飽和蒸汽壓與溫度線性擬合曲線

前照燈是發(fā)光且自密封一體式零件，燈內(nèi)部是空腔狀態(tài)，為光的傳導(dǎo)照明需要，其在燈體內(nèi)部是有一定的空間體積容納空氣。

2.1.2 前照燈的水霧

前照燈配光鏡內(nèi)表面出現(xiàn)的霧氣是空氣中水蒸氣遇冷凝結(jié)后附著在配光鏡內(nèi)表面上的離散散落的小水點(diǎn)。該小水點(diǎn)附著在配光鏡內(nèi)表面上，接觸角大于20°。前照燈配光鏡內(nèi)表面水霧示意如圖3所示。

圖3 前照燈配光鏡內(nèi)表面水霧示意圖

2.2 前照燈溫度場(chǎng)與流場(chǎng)分析

2.2.1 前照燈的溫度場(chǎng)

汽車前照燈通常包含近光燈、遠(yuǎn)光燈、前位置燈、前轉(zhuǎn)向燈以及日間行車燈，如圖4所示。前照燈零件裝配在汽車的前機(jī)艙最前方。在車輛啟動(dòng)、遠(yuǎn)／近光燈開啟的情況下，前照燈將處于一個(gè)復(fù)雜的溫度場(chǎng)環(huán)境中。

圖4 前照燈光源信息示意圖

當(dāng)前照燈的造型設(shè)計(jì)需要越來(lái)越多地滿足整車的整體造型風(fēng)格，前照燈結(jié)構(gòu)受限于造型需求，大多數(shù)燈體結(jié)構(gòu)采用異形設(shè)計(jì)。燈體外觀面上可分為冷區(qū)和熱區(qū)，如圖5所示。所謂熱區(qū)即為燈光可以直接照射到的部位，溫度較高，最高可達(dá)80℃。所謂冷區(qū)即燈光無(wú)法照射到的部位，溫度較低，最低可與環(huán)境溫度保持一致。下雨天或者環(huán)境溫度下降時(shí)，前照燈內(nèi)部冷區(qū)環(huán)境溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度的下降而降低，當(dāng)冷區(qū)處空氣溫度降低至飽和水蒸氣溫度時(shí)，則在配光鏡內(nèi)表面形成霧氣。

圖5 前照燈外觀面溫度場(chǎng)分布云圖

2.2.2 前照燈的流動(dòng)場(chǎng)

前照燈因平衡燈體內(nèi)部與外部環(huán)境氣壓的需要，在燈殼背面設(shè)計(jì)有透氣結(jié)構(gòu)。常用的透氣結(jié)構(gòu)有透氣膜、Nitto透氣帽、透氣蓋、透氣彎管。當(dāng)汽車行駛時(shí)或者燈體內(nèi)外存在溫差時(shí)，燈體內(nèi)部空氣與外界空氣是在不斷進(jìn)行氣流交換的，這就形成了復(fù)雜的流場(chǎng)。燈體內(nèi)部與外界環(huán)境氣流流動(dòng)分析如圖6所示。

圖6 燈體內(nèi)部與外界環(huán)境氣流流動(dòng)分析圖

2.3 材料特性

前照燈零件中各部件均為塑料部件，塑料件本身吸水率存在差異。表1為常用塑料材料的吸水率。

當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，車燈塑料件將從環(huán)境中吸濕一定的水分，與此同時(shí)吸濕完水分的車燈，受到高溫環(huán)境 （暴曬、機(jī)艙升溫、燈光照射）的烘烤下，材料中吸濕的水分會(huì)以水蒸氣的形式蒸發(fā)出來(lái)，該部分水汽在燈體內(nèi)部隨氣流流動(dòng)。當(dāng)流經(jīng)冷區(qū)位置時(shí)，會(huì)在配光鏡內(nèi)表面結(jié)露成霧氣。

表1 塑料材料吸水率特性表

3 應(yīng)對(duì)措施

結(jié)合汽車前照燈起霧的原理，主要從以下幾個(gè)方面解決霧氣問(wèn)題。

3.1 配光鏡內(nèi)表面增加防霧涂層

防霧涂層是涂布在汽車前照燈配光鏡內(nèi)表面一層透明的涂料，通常防霧涂料涂布的厚度在1~6μm。在配光鏡內(nèi)表面涂布一層防霧涂層，配光鏡內(nèi)表面將成親水性，如圖7所示。

此時(shí)當(dāng)空氣中的水汽在配光鏡內(nèi)表面結(jié)露時(shí)，防霧涂料親水基通過(guò)連接各水分子，將使得配光鏡內(nèi)表面水汽水膜化，不在是密集的點(diǎn)狀分布。水膜化后的水汽表面張力接觸角只有5°左右 （低于20°），從而起到防霧的作用。水膜化后的配光鏡內(nèi)表面示意如圖8所示。

圖7 涂布防霧涂料后的配光鏡內(nèi)表面示意圖

圖8 水膜化后的配光鏡內(nèi)表面示意圖

3.2 增加干燥劑

干燥劑可吸濕潮濕物質(zhì)中的部分水分，通過(guò)降低前照燈內(nèi)部空氣中水分和材料中水分的方式實(shí)現(xiàn)防霧作用。根據(jù)吸附水分原理的不同，可將干燥劑分為物理吸附型干燥劑和化學(xué)吸附型干燥劑。物理性干燥劑通常吸濕水分的過(guò)程是可逆的，但是吸水能力較差?；瘜W(xué)吸附型干燥劑是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)方式吸收水分子，改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)?；瘜W(xué)吸附型干燥劑吸水不可逆，但是吸水效果較好。汽車前照燈上常用的干燥劑為化學(xué)性干燥劑。化學(xué)吸附型干燥劑主要有：生石灰干燥劑、氯化鎂、氯化鈣、堿石灰或五氧化二磷等。通常情況干燥劑吸水率達(dá)到120%。

3.3 改善透氣結(jié)構(gòu)

氣流作為霧氣形成的一個(gè)重要因素，前照燈透氣結(jié)構(gòu)的改善是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。當(dāng)前前照燈透氣結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)主要有透氣膜、Nitto透氣帽、透氣蓋、透氣彎管。相關(guān)參數(shù)對(duì)比如表2所示。

汽車前照燈在設(shè)計(jì)透氣結(jié)構(gòu)時(shí)，在考慮燈體內(nèi)外部壓力平衡的前提下，盡量選用防水、防塵性能較高的Nitto透氣帽和透氣膜。這將大大減小外部水汽進(jìn)入前照燈燈體內(nèi)部，降低霧氣形成的機(jī)率。

表2 透氣結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

3.4 降低材料中的水分

汽車前照燈在出廠裝配前，可通過(guò)高位烘烤設(shè)備內(nèi)存放30min，除去前照燈材料中的水分。烘烤過(guò)后的前照燈應(yīng)通過(guò)密封包裝存放在恒溫恒濕的倉(cāng)庫(kù)內(nèi)。

4 總結(jié)

綜上所示，汽車前照燈起霧是受到多因素影響的綜合性課題。在應(yīng)對(duì)前照燈霧氣問(wèn)題上，建議通過(guò)多種措施配合開展應(yīng)對(duì)。