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(shè)計(jì)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(yīng)商的一個(gè)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(yán)重的情況下會(huì)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(xué)、材料和熱學(xué)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(jìn)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(dāng)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(shí)，水蒸氣就會(huì)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(gè)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(shí)，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?huì)凝結(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(gè)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(huì)存在和外界進(jìn)行空氣對流的過程。當(dāng)燈具點(diǎn)亮一段時(shí)間后的熄滅會(huì)造成汽車燈具內(nèi)部溫度急劇下降，產(chǎn)生的負(fù)壓會(huì)使燈具強(qiáng)行吸氣，如果此時(shí)外界空氣濕度較大，就會(huì)使水蒸氣進(jìn)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(huì)吸附一些水份，暴曬和燈具點(diǎn)亮后的高溫也會(huì)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(gè)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(diǎn)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(shí)具備產(chǎn)生霧氣的3個(gè)條件，也就會(huì)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(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)尤其適用于氣候較潮濕地區(qū)的車燈供應(yīng)商，可以有效減輕車燈儲(chǔ)存和運(yùn)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(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)。設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)“通氣不通水”的目的，以防止外界潮濕空氣通過組件進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)。但缺點(diǎn)是隨著吸濕量的增加，干燥劑會(huì)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(gè)重要原因，需要保證燈具內(nèi)部氣流良好流通，熱量及時(shí)交換，以降低不同區(qū)域的溫差。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免該狹窄區(qū)域的出現(xiàn)，因此各個(gè)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(shè)計(jì)透氣孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)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(shí)也可以增強(qiáng)與外部空氣的對流，使水蒸氣能夠及時(shí)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(shè)計(jì)原則如下：①氣孔在燈泡兩側(cè)的對角位置設(shè)置2個(gè)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(shè)置在燈具內(nèi)溫差大的位置。④預(yù)留一到兩個(gè)透氣孔，待臺架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)后再確定是否使用 （例如在前期開發(fā)時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)透氣孔，制作軟模件進(jìn)行霧氣試驗(yàn)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(yù)留透氣孔示意

在設(shè)計(jì)車燈時(shí)，采用上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)時(shí)同時(shí)借助CAE熱學(xué)仿真軟件對燈具進(jìn)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(jìn)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(gè)區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū) （1、2和3）。結(jié)合霧氣產(chǎn)生的原理，此3個(gè)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(yán)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(yīng)商的一個(gè)難題，每個(gè)新車燈的開發(fā)都需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行不斷的軟件模擬分析→整改樣件制作→臺架試驗(yàn)驗(yàn)證→整車試驗(yàn)驗(yàn)證，才能使車燈霧氣達(dá)到一個(gè)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(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。

圖16 使用防霧涂層前后對比