汽車燈具的起霧機理和解決措施

【摘" 要】汽車車燈是汽車的重要零部件之一，車燈內(nèi)部的流場、溫度場和濕度場的相互耦合，會引起一系列的物態(tài)變化，最常見的就是車燈起霧現(xiàn)象。文章提出相應(yīng)的解決措施予以降低霧氣對于汽車車燈照明功能和信號功能的影響，以提高行車安全性和客戶體驗。

【關(guān)鍵詞】汽車車燈；起霧機理；解決措施

中圖分類號：U463.65" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）03-0068-03

Fogging Mechanism and Solutions of Automobile Lamps

XU Taotao，ZHANG Kai，ZHAN Liping，ZHU Chuang

（SAIC Volkswagen Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

【Abstract】The automobile lamp is one of the important parts of the automobile，because the coupling of the flow field，temperature field and humidity field inside the lamp will cause a series of state changes，the most common is the fog phenomenon of the lamp. In this article，a series of solutions are put forward to reduce the impact of fog on the lighting and signal functions of car lamps.

【Key words】automobile lamps；mechanism of fogging；solutions

作者簡介

徐濤濤（1994—），男，工程師，碩士，主要從事汽車燈具研發(fā)工作；張凱（1983—），男，主要從事汽車燈具研發(fā)管理指導(dǎo)工作；占麗萍（1988—），女，工程師，主要從事汽車燈具研發(fā)工作；朱創(chuàng)（1993—），男，工程師，主要從事汽車燈具研發(fā)工作。

1" 引言

汽車車燈作為汽車重要的組成部分之一，主要分為內(nèi)部燈和外部燈，內(nèi)部燈除了包含實用性功能的閱讀燈、化妝燈、顯示屏燈和發(fā)光面板外，還有用于營造輕松氛圍和高級感的氛圍燈。外部燈包含汽車前照燈、轉(zhuǎn)向燈、日間行車燈、位置燈、尾燈、制動燈等。外部燈位置如圖1所示。汽車外部燈具的主要作用有兩點：①在光線昏暗或者夜間時提供照明功能，為駕駛員提供較好的視野；②用于信號警示作用，提醒其它車輛或行人自己正在進行或者將要進行的車輛操作，避免發(fā)生交通事故。

車燈的起霧問題是影響車燈使用壽命和照明功能的重要因素之一，汽車車燈因為材料親水或者裝配等原因，在車燈內(nèi)部會存在一定量的水分。車燈點亮時，車燈內(nèi)部溫度會升高，此時車燈內(nèi)部水分吸熱蒸發(fā)，燈體內(nèi)部空氣濕度增加。車燈熄滅時，燈體內(nèi)部溫度降低，此時，水蒸氣遇冷液化成小液滴附著在燈罩內(nèi)表面、反射鏡、透鏡等，形成霧氣。車燈起霧不僅影響車燈整體外觀，在反射鏡和透鏡上的凝霧還會使汽車前照燈的光學性能產(chǎn)生偏差，反復(fù)的凝霧會引起車燈內(nèi)部材料的腐蝕，嚴重的還會引起車燈內(nèi)部電路短路，造成安全事故。車燈起霧的機理涉及熱物理、材料、光電等多領(lǐng)域，這也為解決車燈起霧帶來很多難點。因此本文首先分析了車燈起霧的機理，其次提出了解決措施和方案，最后對各種方案進行了總結(jié)。

2" 汽車燈具起霧機理

2.1" 車燈漏水原因

由于車燈的整體密封性未達到試驗標準而導(dǎo)致環(huán)境中的水汽大量侵入燈體內(nèi)部，并且在環(huán)境的影響下大量附著在燈體內(nèi)部，當車內(nèi)溫度反復(fù)升高和降低時，這些積水就會反復(fù)產(chǎn)生氣化和液化，嚴重影響車燈性能和車燈內(nèi)電路安全。車燈漏水的主要原因有以下3點：①在生產(chǎn)注塑的時候由于工藝的缺陷造成整體密封性缺陷；②相關(guān)配件如調(diào)光螺桿、后蓋、燈泡座的尺寸不符合公差，造成密封不完整；③在使用過程中因為撞擊或者拆裝引起的裂縫等原因造成密封性破壞。

2.2" 車燈起霧

2.2.1" 車燈濕度增加的途徑

如圖2所示，車燈內(nèi)部的濕度增加主要有3個主要途徑：①材料中的水分因溫度變化等原因析出或者蒸發(fā)；②車燈內(nèi)部和環(huán)境的氣體對流所帶入的水蒸氣；③環(huán)境中的水分通過材料吸收之后再滲入燈體內(nèi)部，增加濕度。

當車燈內(nèi)部的局部溫度低于水蒸氣的飽和溫度時，水蒸氣就會析出并形成小液滴，產(chǎn)生霧氣。根據(jù)霧氣附著表面性質(zhì)的不同，可以分為膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)，膜狀凝結(jié)指凝結(jié)的液體在壁面能夠很好地浸潤壁面，形成薄膜。這種凝結(jié)方式對前照燈光學性能的影響較小。珠狀凝結(jié)指析出的小液滴的內(nèi)聚力大于壁面的吸引力，從而在壁面形成一個個小水珠的凝結(jié)方式。這種凝結(jié)方式會嚴重地影響汽車車燈的照明功能和外觀。

2.2.2" 車燈起霧機理

當車燈內(nèi)部空氣的濕度達到飽和后，水蒸氣開始以液態(tài)水的形式析出并附著在車燈的內(nèi)腔上，造成起霧現(xiàn)象。在車燈點亮或處于暴曬情況下，車燈內(nèi)部材料所包含的水分將蒸發(fā)，車燈內(nèi)部的濕度將增大，當濕度達到飽和后也會產(chǎn)生起霧現(xiàn)象。同理在雨天洗車時，配光鏡溫度降低，車內(nèi)空氣遇冷，飽和蒸汽壓減小，水蒸氣也會以液態(tài)水形式析出，產(chǎn)生霧氣，其原理如圖3所示。

由圖3可知，溫度、濕度和流場都會影響霧氣的形成，其中流場的作用是平衡燈內(nèi)各區(qū)域溫度，所以溫度和濕度是影響霧氣形成的兩大因素，除此之外，形成較大范圍的霧氣還需要凝結(jié)核心。因此霧氣的形成有3個基本條件。

1）燈內(nèi)存在較大溫差的溫度分布，燈內(nèi)熱量分布主要由熱輻射和流體的對流擴散來進行，而這些熱傳導(dǎo)方式必然會造成燈內(nèi)溫度分布不均，當燈內(nèi)存在低于當?shù)厮魵怙柡蜏囟鹊牡蜏貐^(qū)域時，就會產(chǎn)生霧氣，車燈內(nèi)部的熱交換和熱擴散如圖4所示。

2）燈內(nèi)空氣具有足夠濕度，燈內(nèi)的水蒸氣的來源有2個途徑，一是通過通氣孔由環(huán)境帶入的水蒸氣，二是燈內(nèi)積水受熱氣化所帶來的水蒸氣。若不存在積水問題，則周圍環(huán)境溫度和濕度的變化是造成車燈起霧的主要原因。例如，燈具先儲存在溫度和濕度都較高的環(huán)境中，當環(huán)境溫度較低時，若燈內(nèi)水蒸氣不能充分擴散到環(huán)境中，當燈內(nèi)溫度低于露點時就會產(chǎn)生起霧現(xiàn)象。若存在積水問題或者材料吸水量較高等問題，當點燈時，光源周圍的空氣被加熱，通過輻射和對流傳熱會使得燈內(nèi)積水受熱蒸發(fā)，造成局部濕度迅速增加，然后擴散到燈內(nèi)各個區(qū)域。因為燈內(nèi)溫度分布不均，當溫度和濕度都較高的空氣同溫度較低的壁面接觸時就會產(chǎn)生霧氣。

3）凝結(jié)核心，燈腔內(nèi)表面的凹凸不平為霧氣凝結(jié)提供了很好的凝結(jié)核心，如反射鏡、配光鏡內(nèi)表面的花紋、飾圈等。凝結(jié)核心為形成較大的液滴提供了附著點，使得霧氣可以圍繞著附著點不斷擴展，形成較大面積的霧氣或者積水。根據(jù)上文所述，起霧是在濕度場、溫度場和凝結(jié)核心的共同作用下形成的物理現(xiàn)象，根據(jù)前人的研究和工程經(jīng)驗有以下穩(wěn)定出現(xiàn)起霧現(xiàn)象的準則，如式（1）所示。

式中：R——液滴半徑；σ——液滴表面張力；hLG——氣化潛熱；ρL——液滴密度；Ts——水蒸氣飽和溫度；TL——液滴溫度（約等于空氣溫度）。

3" 解決措施

由上文可知形成霧氣的3個基本條件是溫度場、濕度場和凝結(jié)核心，因此解決措施可以從3個基本條件開始考慮。

3.1" 溫度場

1）在滿足車燈耐熱的條件下，在設(shè)計車燈內(nèi)腔時應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)拐角，封閉死角等空氣流通不暢的角落，因為熱輻射以及空氣流動和擴散很難對這部分角落進行熱量補充，容易造成低溫區(qū)，產(chǎn)生起霧現(xiàn)象。如圖5所示。

2）在設(shè)計階段應(yīng)該結(jié)合車燈內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)進行CAE分析，盡量平衡車內(nèi)溫度場，盡量避免出現(xiàn)過大的溫度差，同時在設(shè)計通氣孔時也應(yīng)該考慮對流傳熱，盡量將通氣孔布置在熱模擬溫度較低的區(qū)域，用以平衡溫度場，減少起霧可能性。

3.2" 濕度場

對于燈體來說首先應(yīng)該考慮燈體的整體密封性，在密封性完整的條件下，再去考慮降低燈內(nèi)空氣濕度，而降低空氣濕度可以從透氣孔方案、材料的選用、在燈內(nèi)增加吸濕裝置等方面考慮。

1）燈體上的通氣孔應(yīng)該具備散熱，方便氣體對流擴散，又能隔絕環(huán)境中的水分進入燈體的作用。因此選擇的橡膠彎管應(yīng)該具備水汽過濾功能或者單向滲透膜通氣結(jié)構(gòu)。比如淋雨或者洗車時可以避免大量的水分直接流入燈體，同時在點燈時，燈內(nèi)氣體快速的流動擴散，也有利于快速消除霧氣。

2）避免使用強親水性材料制作燈內(nèi)零件，如反射鏡、配光鏡等，各材料吸水率見表1，如PA66就應(yīng)該強烈避免。

3.3" 凝結(jié)核心

燈體內(nèi)部各零件表面的粗糙程度決定了其表面凝結(jié)核心的多少，越粗糙，凝結(jié)核心越多，起霧的風險越大，因此應(yīng)該盡量使得零件的表面光滑。常用的做法是在配光鏡內(nèi)表面噴涂防霧涂層，減小零件表面與小液滴之間的吸引力，使得分子內(nèi)聚力大于小液滴與表面之間的吸引力，這時小液滴的珠狀凝結(jié)就會演變成膜狀凝結(jié)，從而減小霧氣對燈具外觀和光學性能的影響，其基本原理如圖6所示。

4" 總結(jié)

車燈起霧同車燈內(nèi)部的空氣濕度、溫度場分布、氣體的對流擴散以及零件內(nèi)表面的凝結(jié)核心息息相關(guān)。本文對車燈起霧的兩大基本原因溫度分布和濕度分布進行了分析，給出了車燈起霧的3個基本條件，最后針對起霧的基本條件提出了相應(yīng)的解決措施，總結(jié)如下：①平衡車內(nèi)溫度場；②降低車內(nèi)空氣濕度；③減少零件表面的凝結(jié)核心。

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（編輯" 楊凱麟）