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境水蒸氣凝結臨界溫度的區域，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。

燈具在工作時會產生熱量，所以需要跟外界聯通，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。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，使得在空氣溫度較高的區域有較大的濕度，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、溫度也較高的環境中，車燈內空氣的濕度較大；當環境溫度降低時，如果車燈內的水蒸氣不能充分流動擴散到環境中去，仍維持高的濃度，而車燈內某些區域溫度低于外部環境的水蒸氣凝結臨界溫度，就會出現結霧現象。

在車燈內水蒸氣的數量和分布，取決于車燈外部環境、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、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缺點，需要在具體燈具設計時結合周邊環境綜合考慮。

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，可以發現前大燈下部裝飾框與面罩間隙小的區域，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。可以發現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，在前期模擬分析發現空氣流動較差位置，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）按規定節拍控制試樣試驗，可持續工作時間為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域、遠近光正下方及側邊區域產生霧氣，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

燈具的整車霧氣驗證在車輛靜止狀態下對整車進行環境艙內的模擬淋雨試驗測試。由于不同的車型的發動機艙內的布置及發動機排量都不同，所以不同車型的前大燈對應的環境也不同，因此在進行整車試驗前，對HFC0010車型前大燈對應的發動機艙環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

在室外常溫環境下測得1.5T和2.0T兩個車型發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發動機艙左側平均溫度77.3℃，右側平均溫度76.7℃。2.0T發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

發動機工作的情況下，在環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，發動機熄火后，大燈繼續點亮30min，兩燈霧氣均消失。

圖15 1.5T車型在環境艙淋雨后產生霧氣的區域

圖16 2.0T車型在環境艙淋雨后產生霧氣的區域

由上面的數據測量及實車試驗可以看出，當發動機工作時，發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，形成霧氣凝結現象，且發動機艙內溫度越高，起霧現象越嚴重。

當發動機熄火后，隨著發動機艙溫度降低，前大燈繼續點亮，進氣孔及出氣孔溫差逐漸變大，前大燈內部空氣循環加速，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，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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