汽車燈具起霧原因及解決方案研究

滕云鵬，李志剛，王 磊，孫 睿，王浩博，袁 帥，朱麗媛，李 樂

（一汽轎車股份有限公司奔騰開發(fā)院，吉林 長春 130012）

在汽車工業(yè)快速發(fā)展的今天，汽車燈具的設計能力和制造品質(zhì)都有著巨大的提升，然而汽車外飾燈具的起霧現(xiàn)象的解決依然是困擾各大整車廠和汽車燈具供應商的一個難題。霧氣是由于燈具中的水蒸氣遇冷凝結(jié)在面罩內(nèi)表面而形成的，不僅影響車燈外觀，而且霧氣嚴重的情況下會使車燈的照明及信號功能大打折扣，影響汽車的行車安全。車燈起霧問題涉及光學、材料和熱學等多方面的知識［1］，這也為解決車燈起霧問題帶來了諸多困難。本文對汽車燈具起霧的原因進行分析并提出解決方案。

1 汽車燈具起霧原理

1.1 霧氣產(chǎn)生原理

霧氣的產(chǎn)生是大自然中一種普遍存在的現(xiàn)象。溫度越高，空氣中所能容的水蒸氣就越多；溫度越低，空氣中所能容的水蒸氣就越少。當高溫高濕空氣接觸到低溫界面 （如玻璃、塑膠），而低溫界面又存在小的突起或是灰塵等可以作為凝結(jié)核心時，水蒸氣就會凝結(jié)成水滴。因此可以得出濕度、溫度場分布及凝結(jié)核是產(chǎn)生霧氣的3個因素。

例如常溫空氣中，冰水杯外側(cè) （高溫側(cè)）凝結(jié)成水滴，如圖1所示。

車輛在雨天行駛時，車窗玻璃受雨的急劇冷卻，車內(nèi)玻璃附近的溫度急劇下降?？諝庵邪乃魵饩蜁Y(jié)，附著在窗玻璃的車內(nèi)一側(cè)，形成所謂的結(jié)霧，也是同樣道理。汽車玻璃霧氣產(chǎn)生示意圖如圖2所示。

1.2 汽車燈具起霧說明

汽車燈具發(fā)生的起霧原理與自然界霧氣原理完全相同。在濕冷的環(huán)境中，燈腔里的水蒸氣隨溫度下降，冷凝為液體，在面罩壁處發(fā)生結(jié)霧。汽車燈具起霧如圖3所示。

下面從燈具結(jié)構(gòu)方面具體分析一下霧氣產(chǎn)生的原因。

燈具的結(jié)構(gòu)主要由面罩、殼體、襯框、反射鏡、光源、后蓋、透氣孔及其他安裝調(diào)整零件組成。汽車前照燈結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，汽車前照燈透氣孔布置如圖5所示。

面罩和殼體形成了一個空腔結(jié)構(gòu)，為保證燈具壓力平衡，面罩和殼體的空腔不能密封，必須增加透氣結(jié)構(gòu)，形成了半密封的結(jié)構(gòu)。半封閉的汽車燈具會存在和外界進行空氣對流的過程。當燈具點亮一段時間后的熄滅會造成汽車燈具內(nèi)部溫度急劇下降，產(chǎn)生的負壓會使燈具強行吸氣，如果此時外界空氣濕度較大，就會使水蒸氣進入燈體內(nèi)，造成燈內(nèi)比較潮濕的環(huán)境。

圖1 冰水杯外壁霧氣

圖2 汽車玻璃霧氣產(chǎn)生示意圖

圖3 汽車燈具起霧

圖4 汽車前照燈結(jié)構(gòu)簡圖

圖5 汽車前照燈透氣孔布置圖

燈具內(nèi)部的零件表面會吸附一些水份，暴曬和燈具點亮后的高溫也會促使燈具內(nèi)部材料水份的釋放，也是車燈內(nèi)部水蒸氣的一個來源。

由于外界因素 （下雨天、洗車）引發(fā)的燈具內(nèi)部和外部的溫差變化，以及燈具光源點亮引起的內(nèi)部不同區(qū)域的溫度分布不均勻，使得燈具溫度低的區(qū)域容易引發(fā)水蒸氣凝結(jié)。汽車燈具外部溫度變化如圖6所示。

車燈燈具內(nèi)部無法做到絕對的光滑，也并非百分之百的潔凈，也提供了凝結(jié)核的存在區(qū)域。

因此在特定的情況下汽車燈具內(nèi)部是可以同時具備產(chǎn)生霧氣的3個條件，也就會存在霧氣現(xiàn)象，如圖7所示。

2 汽車燈具起霧解決方案

汽車燈具起霧是一種自然現(xiàn)象，無法完全避免，但是也可以從設計上考慮減小其發(fā)生的概率。由于車燈霧氣的形成與燈內(nèi)的濕度、溫度場分布及凝結(jié)核有直接關(guān)系［2］，所以要解決車燈的霧氣問題需要從以下3方面考慮。

2.1 濕度降低

降低燈內(nèi)濕度可以從車燈零件材料選用、透氣組件選擇及燈內(nèi)安裝干燥劑幾個方面考慮。

圖6 汽車燈具外部溫度變化圖

圖7 燈具霧氣產(chǎn)生示意圖

1）車燈零件材料盡量使用吸水率低的材料，這一點尤其適用于氣候較潮濕地區(qū)的車燈供應商，可以有效減輕車燈儲存和運輸過程中水蒸氣的吸收。

2）合理地選擇透氣組件可以促使車燈與外界進行充分的氣體交換，加速燈內(nèi)氣體流動，能有效降低燈內(nèi)的濕度，從而降低起霧風險。設計時根據(jù)燈具的不同結(jié)構(gòu)及成本要求來選用通氣結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“通氣不通水”的目的，以防止外界潮濕空氣通過組件進入燈內(nèi)。

3）燈內(nèi)放置干燥劑能有效降低燈內(nèi)的濕度，從而降低霧氣產(chǎn)生的風險。但缺點是隨著吸濕量的增加，干燥劑會吸收水蒸氣的能力趨于飽和，需要定期更換，以保持其高效的除濕作用。

2.2 溫度分布平衡

汽車燈具內(nèi)不同區(qū)域的溫差過大是形成車燈結(jié)霧的一個重要原因，需要保證燈具內(nèi)部氣流良好流通，熱量及時交換，以降低不同區(qū)域的溫差。在設計時應盡量避免該狹窄區(qū)域的出現(xiàn)，因此各個子零件的間隙盡可能大，建議在3mm以上。燈具內(nèi)部腔體形狀盡量規(guī)則，避免出現(xiàn)過小的尖角，如圖8所示，目的是保證空氣能良好流通。如因造型或其他原因必須存在尖角區(qū)域或是超過20mm非發(fā)光面直射區(qū)域，其零件間隙控制在2mm以下，阻止潮濕空氣的流入，如圖9所示。

圖8 尖角區(qū)域示意圖

圖9 尖角區(qū)域間隙要求

在霧氣易發(fā)生區(qū)域設計透氣孔結(jié)構(gòu)，促進燈具內(nèi)部熱氣流的流通以及不同區(qū)域的熱量平衡。同時也可以增強與外部空氣的對流，使水蒸氣能夠及時被對流帶走，抑制燈具內(nèi)濕度的上升，如圖10所示。

透氣孔設計原則如下：①氣孔在燈泡兩側(cè)的對角位置設置2個以上，如圖11所示。②排氣孔和吸氣孔的高度落差盡可能大。③排氣孔和吸氣孔盡可能設置在燈具內(nèi)溫差大的位置。④預留一到兩個透氣孔，待臺架試驗和整車試驗后再確定是否使用 （例如在前期開發(fā)時設計多個透氣孔，制作軟模件進行霧氣試驗后確定最終方案），如圖12所示。

圖10 空氣對流示意

圖11 透氣孔位置示意

圖12 預留透氣孔示意

在設計車燈時，采用上述結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗時同時借助CAE熱學仿真軟件對燈具進行熱場分析，平衡內(nèi)部溫度場，盡量避免燈罩內(nèi)表面溫度梯度過大，促進車燈和外部空氣的對流，做結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而降低車燈出現(xiàn)霧氣的可能性。如圖13、圖14的CAE分析結(jié)果，可以初步判斷出圖中所示的燈具3個區(qū)域為低溫區(qū) （1、2和3）。結(jié)合霧氣產(chǎn)生的原理，此3個區(qū)域溫度較低，且水蒸氣流速較差則易產(chǎn)生霧氣，所以在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處加開透氣孔是有必要的，如圖15所示。

圖13 燈具內(nèi)的溫度分布

2.3 凝結(jié)核減少

車燈內(nèi)部零件表面的凹凸不平為起霧提供了凝結(jié)核，通常采用在燈罩內(nèi)表面噴涂防霧涂層的方法來消除凝結(jié)核的影響。防霧涂料由于其表面具備超親水特性，增大了水的表面張力，接觸角變小 （約5°左右），使水滴變成人眼無法觀察到的水膜 （1～5μm）［3］。但防霧涂層的噴涂環(huán)境要求嚴格，產(chǎn)品廢品率較高，相對于其他解決方案車燈成本增加較多。使用防霧涂層前后對比如圖16所示。

圖14 燈具內(nèi)的氣流走向

3 結(jié)語

圖15 確定的通氣孔位置

汽車燈具的起霧現(xiàn)象的解決是困擾各大整車廠和汽車燈具供應商的一個難題，每個新車燈的開發(fā)都需要結(jié)合實際情況進行不斷的軟件模擬分析→整改樣件制作→臺架試驗驗證→整車試驗驗證，才能使車燈霧氣達到一個最佳狀態(tài)。車燈起霧主要與燈內(nèi)濕度、溫度場分布以及凝結(jié)核有關(guān)，因此要解決車燈起霧問題也需要從這3方面入手，限制其中一個方面或多個方面條件的出現(xiàn)，從而有效避免車燈霧氣的形成。

圖16 使用防霧涂層前后對比