車燈起霧原因及解決方案探討

徐鑫鵬，昌進(jìn)，郝珊珊

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213022)

車燈起霧原因及解決方案探討

徐鑫鵬，昌進(jìn)，郝珊珊

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213022)

水蒸氣遇冷在燈罩內(nèi)表面凝結(jié)形成霧氣，不僅嚴(yán)重影響車燈的外觀，而且給汽車行駛帶來安全隱患。對車燈起霧的原因進(jìn)行分析，指出車燈起霧與燈內(nèi)濕度、溫度場分布及凝結(jié)核密切相關(guān)，并由此提出應(yīng)對措施，為解決車燈起霧問題提供參考。

車燈；起霧；原因；解決方案

Abstract:Water vapor is condensed into fog in the internal surface of lens by cold air. It not only affects the lamps appearance seriously, but also brings hidden danger to driving. The reasons for fog forming were analyzed. It was pointed out that it is closely related with humidity, temperature field distribution and condensation nucleus in the lamps. Thus countermeasures were put forward to provide references for solving the fog problem of lamps.

Keywords:Automotive lighting; Fog forming; Causes; Solutions

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷進(jìn)步，人們對汽車行駛可靠性的要求也越來越高。汽車車燈作為汽車照明和信號傳遞的工具，對汽車行駛安全性有至關(guān)重要的影響，而車燈的起霧問題已經(jīng)成為影響車燈使用壽命和照明質(zhì)量的重要因素，每年因起霧問題引起的車燈售后索賠率居高不下，一直困擾著眾多汽車廠以及燈具制造廠。車燈起霧主要是由于燈內(nèi)的水蒸氣遇冷凝結(jié)成小水滴附著在燈罩內(nèi)表面，如果不及時(shí)排出這部分水分，會導(dǎo)致燈內(nèi)積水，不僅影響車燈外觀，而且使車燈的照明效果大打折扣，甚至損壞車燈電子部件，嚴(yán)重影響汽車的行車安全。車燈起霧問題涉及光學(xué)、材料和熱物理等多方面的問題[1]，這也為解決車燈起霧問題帶來了諸多困難。文中對車燈起霧的原因進(jìn)行分析并提出解決方案。

1 車燈起霧原因

1.1 車燈進(jìn)水

由于車燈密封不良導(dǎo)致環(huán)境中的水汽大量進(jìn)入燈體內(nèi)部，當(dāng)車燈內(nèi)部溫度低于這部分水汽的臨界飽和溫度時(shí)，就會形成水珠吸附在燈腔內(nèi)，并且逐漸累積形成積水。車燈工作時(shí)由于內(nèi)部溫度升高，燈內(nèi)積水受熱蒸發(fā)在燈罩內(nèi)表面低溫區(qū)析出形成較嚴(yán)重的水霧現(xiàn)象。引起車燈進(jìn)水的主要因素有以下兩點(diǎn)：

(1)車燈用零部件如后蓋、燈泡座、調(diào)光螺桿、護(hù)套、透氣蓋等密封件尺寸超差導(dǎo)致燈具自身密封性的質(zhì)量問題。

(2)顧客在使用過程中車燈受到外部猛烈撞擊致使燈罩開裂，以及擅自改裝車燈致使膠槽部位受損等引起的密封性問題。

1.2 車燈起霧

車燈起霧是指在燈泡熱驅(qū)動(dòng)下，燈內(nèi)水蒸氣不斷向低溫區(qū)域流動(dòng)、聚集，當(dāng)?shù)蜏貐^(qū)域累積的水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)就會以小液滴的形式析出并附著在燈罩內(nèi)表面，而這部分小液滴與燈罩材料折光指數(shù)的差異致使燈罩外觀上呈現(xiàn)白色水霧狀。車燈起霧一般與燈內(nèi)濕度、溫度場分布及凝結(jié)核有關(guān)：

(1)燈內(nèi)濕度

如圖1所示,據(jù)有關(guān)試驗(yàn)分析和驗(yàn)證，燈內(nèi)水分主要有3個(gè)來源:①反射鏡、飾圈等材料表面吸附著不可見的水分子，點(diǎn)燈或者外界溫度升高時(shí)，車燈內(nèi)部溫度上升，反射鏡、飾圈等材料的表面溫度升高，會釋放出這些水分子；②如果車燈沒有透氣孔或透氣孔偏少，點(diǎn)亮?xí)r由于燈內(nèi)壓力增加或者過高，有可能破壞燈罩同殼體間的連接部分以及插頭處，造成密封不良。當(dāng)車燈熄滅后，燈內(nèi)壓力突然降低，燈外的空氣會從車燈線束連接的插頭處被吸入燈內(nèi)，如果外部的空氣濕度較大，濕空氣就會在燈內(nèi)聚集[2]；③在遇到暴雨天氣或洗車時(shí)，外部水分有可能在燈具殼體上透氣組件外圍擋筋內(nèi)積累，逐漸填滿透氣組件與外圍擋筋的縫隙，形成間歇性的“水密”結(jié)構(gòu)，此時(shí)透氣組件不但起不到透氣作用，而且當(dāng)燈具內(nèi)部壓力降低時(shí)，這部分水分有可能從透氣組件被吸入燈內(nèi)，致使燈內(nèi)濕度過大。

(2)燈內(nèi)溫度分布

在點(diǎn)燈和外界環(huán)境作用下，如果造成車燈內(nèi)熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對流能量交換的不平衡，燈具會出現(xiàn)溫度分布不均的現(xiàn)象，溫差過大的話容易導(dǎo)致空氣中的水分在低溫區(qū)域凝結(jié)，如圖2所示。

(3)凝結(jié)核

燈內(nèi)存在凝結(jié)核是車燈起霧的又一重要因素。在車燈內(nèi)部的空氣中，凝結(jié)核相對較少，水蒸氣不易凝結(jié)。而車燈零部件表面的凹凸起伏不但可以吸附水蒸氣，而且提供了凝結(jié)核，使得液滴初始半徑較大，水蒸氣就可能在這些凹凸起伏處凝結(jié)成液滴，并不斷擴(kuò)展為水霧。

濕度、溫度及凝結(jié)核3個(gè)因素的綜合作用，促成了起霧現(xiàn)象的出現(xiàn)。穩(wěn)定起霧出現(xiàn)準(zhǔn)則[3]見公式(1)：

(1)

式中：R為液滴半徑；σ為液滴表面張力；Ts為水蒸氣飽和溫度；hLG為汽化潛熱；ρL為液滴密度；TL為液滴溫度(近似于環(huán)境溫度)。

2 車燈起霧解決方案

由于車燈霧氣的形成與燈內(nèi)濕度、燈內(nèi)溫度場分布及車燈零件表面的凝結(jié)核有直接關(guān)系，所以要解決車燈的霧氣問題需要從以下幾方面考慮。

2.1 降低燈內(nèi)濕度

由車燈密封問題(進(jìn)水)導(dǎo)致燈內(nèi)濕度過大，引起的起霧問題需要通過優(yōu)化車燈自身密封結(jié)構(gòu)和規(guī)范用戶車燈使用方法來規(guī)避。對于密封良好的車燈，降低燈內(nèi)濕度通常可以從車燈零件材料選用、透氣組件選擇及燈內(nèi)安裝除濕裝置3個(gè)方面考慮：

(1)選擇車燈零件材料時(shí)盡量不使用含水率高的材料，例如：前照燈透鏡支架、燈泡座等零件盡可能避免使用PA系列材料，可選用含水率相對較低的材料代替。車燈常用材料吸水率見表1。

表1 車燈常用材料吸水率

(2)選擇合適的透氣組件可以促使車燈與外界進(jìn)行充分的氣體交換，加速燈內(nèi)氣體流動(dòng)，能有效降低燈內(nèi)的濕度，從而降低起霧風(fēng)險(xiǎn)。目前透氣組件已經(jīng)廣泛應(yīng)用在車燈上，前照燈甚至?xí)瑫r(shí)使用多類透氣組件，所以如何選擇合適數(shù)量與合理布置的透氣組件對車燈的防霧性能及燈具成本至關(guān)重要。首先，車燈上使用透氣組件必須具備防水功能，以防止外界水汽通過組件進(jìn)入燈內(nèi)；其次，要確定所選透氣組件的數(shù)量，以前照燈為例可以參考圖3所示試驗(yàn)方法進(jìn)行確定。

選擇一只密封性良好(通過水密或者氣密試驗(yàn))的試驗(yàn)前照燈，在殼體上只開一個(gè)透氣孔，將這個(gè)透氣孔緊密連接在橡膠導(dǎo)管的一端(確保不漏氣)，橡膠導(dǎo)管另一端放入充滿水的燒杯中，且燒杯倒置，燒杯外側(cè)水面沒過整只燒杯。試驗(yàn)裝置連接完成后點(diǎn)亮車燈所有功能燈(遠(yuǎn)近光一體只點(diǎn)近光)，由于燈內(nèi)氣體在光源的熱驅(qū)動(dòng)下開始膨脹，燈內(nèi)壓力不斷增大，氣體逐漸從燈腔內(nèi)通過橡膠管流向燒杯，燒杯中開始收集氣體，當(dāng)車燈工作穩(wěn)定后，燈內(nèi)與燒杯內(nèi)氣體壓力達(dá)到平衡狀態(tài)，燒杯中氣體體積不再變化，達(dá)到恒定，記錄此時(shí)燒杯中收集到的氣體體積V，以及從開始有氣體出現(xiàn)到氣體體積恒定所需要的時(shí)間t，然后按照公式(2)推算車燈所需透氣組件的數(shù)量：

(2)

式中：N為需要透氣組件的數(shù)量；Q為每只透氣組件的透氣量；V為燒杯中收集到的恒定氣體體積；t為燒杯中開始有氣體出現(xiàn)到氣體體積恒定所需要的時(shí)間。

確定透氣組件數(shù)量后，按照盡可能使組件間Z方向落差足夠大和X方向靠近燈罩的原則在殼體上進(jìn)行布置，如圖4所示。

(3)燈內(nèi)安裝除濕裝置能有效降低燈內(nèi)的濕度，從而降低霧氣產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。目前國內(nèi)一些汽車廠已經(jīng)把該方案列為車燈起霧的解決方案，例如海馬一款前照燈內(nèi)部安裝除濕裝置，比較其安裝前后對燈內(nèi)濕度變化及燈具霧氣表現(xiàn)的影響。

在圖5所示4個(gè)位置(1、2、3、4)同時(shí)安裝4根濕度傳感器，測試淋雨試驗(yàn)后燈內(nèi)濕度。從表2可以看出：沒有除濕裝置燈內(nèi)最大測試濕度為75.78%RH，而安裝除濕裝置后燈內(nèi)最大測試濕度僅為29.99%RH，濕度下降幅度較明顯。結(jié)合圖6和圖7淋雨試驗(yàn)的結(jié)果，沒有除濕裝置的燈具尖角出現(xiàn)霧氣，而安裝除濕裝置的燈具未見霧氣產(chǎn)生，由此可見安裝除濕裝置能有效降低霧氣產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

方案相對濕度/%RH測點(diǎn)1測點(diǎn)2測點(diǎn)3測點(diǎn)4無除濕裝置42.5622.9375.7851.36有除濕裝置24.187.5729.9925.57

但是這種方法也存在較大的弊端，使用的除濕裝置一般都會隨著吸濕量的增加而趨于飽和，飽和后又會釋放自身吸收的水分到燈內(nèi)，加速車燈出現(xiàn)霧氣，所以一般要求除濕裝置安裝在燈內(nèi)方便拆卸的位置，例如殼體后蓋內(nèi)，可以定期拆卸下來進(jìn)行干燥處理，以便其保持高效的除濕作用。

2.2 平衡燈內(nèi)溫度場

車燈的結(jié)構(gòu)根據(jù)其用途的不同而有較大差異，每種車燈內(nèi)部的腔體形狀也各異，車燈內(nèi)燈罩的低溫區(qū)是形成車燈結(jié)霧的一個(gè)重要原因，而車燈內(nèi)部分區(qū)域的溫度是否較低取決于是否有光線對此處燈罩有加熱作用，以及是否有熱氣流流經(jīng)此處。在燈具設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求提高燈罩局部區(qū)域的溫度，降低燈罩溫差來降低霧氣產(chǎn)生的可能性。通常可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防：

(1)在對某些車燈進(jìn)行造型設(shè)計(jì)時(shí)，為了起裝飾性作用，往往有狹窄區(qū)域無燈內(nèi)光源對其燈罩內(nèi)表面有明顯的加熱作用，導(dǎo)致該區(qū)域燈罩內(nèi)表面溫度較低，如圖8所示，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免該狹窄區(qū)域的出現(xiàn)。

(2)根據(jù)車燈光源對燈罩的照射分布，調(diào)整反射鏡結(jié)構(gòu)，利用反射鏡的反射作用將光線照射到燈罩內(nèi)表面局部區(qū)域，提高局部區(qū)域的溫度，如圖9所示。

(3)對流傳熱是燈內(nèi)熱量傳遞的一個(gè)重要途徑，因此加強(qiáng)燈內(nèi)對流也可以提高局部燈罩內(nèi)表面的溫度。一般通過增大車燈主要零部件(燈罩、飾圈、殼體)間隙、對殼體相鄰面間進(jìn)行倒圓角處理以及使用透氣組件來促使燈內(nèi)進(jìn)行充分對流傳熱。

在設(shè)計(jì)車燈時(shí)，采用上述預(yù)防經(jīng)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該結(jié)合車燈內(nèi)部CAE熱分析，平衡內(nèi)部溫度場，盡量避免燈罩內(nèi)表面溫度梯度過大，從而降低車燈出現(xiàn)霧氣的可能性。

2.3 減少凝結(jié)核

車燈內(nèi)部零件表面的凹凸不平為起霧提供了凝結(jié)核，以目前的車燈制造工藝要實(shí)現(xiàn)零件表面零凝結(jié)核的難度較大，通常采用在燈罩內(nèi)表面噴涂防霧涂層的方法來減少燈罩內(nèi)表面凝結(jié)核數(shù)量，提高燈罩內(nèi)表面的表面能。其作用機(jī)制是使水滴平鋪在基材表面(表面接觸角變小)，形成一層很薄的水膜，阻止水滴在基材表面凝結(jié)，減少光線在水滴表面的散射，增加光線透過率，如圖10所示。

由于防霧涂層是在透明材質(zhì)上噴涂，如有質(zhì)量缺陷將無法通過打磨及拋光后重復(fù)噴涂等手段進(jìn)行處理，相對來說產(chǎn)品報(bào)廢率較高，同時(shí)防霧涂層的噴涂環(huán)境要求較高，這樣一來相對于其他解決方案將增加較多的車燈成本。這個(gè)措施往往在其他方法效果不理想時(shí)作為后備方案實(shí)施[4]。

3 結(jié)束語

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(gè)方面或多個(gè)方面條件的出現(xiàn)，從而有效避免車燈霧氣的形成。

【1】 徐小平，黃寶陵，顧毓沁，等.汽車車燈霧氣形成的分析研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2001，22(S1)：62-64.

【2】 何浩，何志軍，晉雷，等.汽車燈具用防水透氣組件應(yīng)用分析[J].汽車零部件，2013(3)：80-81.

【3】 李均，孫林.新型汽車燈具防霧設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].江西科學(xué)，2011，29(2)：253-256.

【4】 周昱，許建榮，黃益.汽車外飾燈具霧氣成因及解決對策[J].汽車工程師，2011(6)：53-55.

DiscussiononCausesandPotentialSolutionsofAutomotiveLightingFogForming

XU Xinpeng, CHANG Jin, HAO Shanshan

(Changzhou Xingyu Automotive Lighting Systems Co., LTD.,Changzhou Jiangsu 213022,China)

2014-06-30

徐鑫鵬(1986—)，男，碩士，研究方向?yàn)橛邢拊治鲇?jì)算、燈具霧氣分析與試驗(yàn)。E-mail:xuxinpeng@xyl.cn。