車燈起霧原因及解決方案探討

徐鑫鵬，昌進，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，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表面凝結形成霧氣，不僅嚴重影響車燈的外觀，而且給汽車行駛帶來安全隱患。對車燈起霧的原因進行分析，指出車燈起霧與燈內濕度、溫度場分布及凝結核密切相關，并由此提出應對措施，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

隨著汽車工業的不斷進步，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重要的影響，而車燈的起霧問題已經成為影響車燈使用壽命和照明質量的重要因素，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的水蒸氣遇冷凝結成小水滴附著在燈罩內表面，如果不及時排出這部分水分，會導致燈內積水，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，嚴重影響汽車的行車安全。車燈起霧問題涉及光學、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行分析并提出解決方案。

1 車燈起霧原因

1.1 車燈進水

由于車燈密封不良導致環境中的水汽大量進入燈體內部，當車燈內部溫度低于這部分水汽的臨界飽和溫度時，就會形成水珠吸附在燈腔內，并且逐漸累積形成積水。車燈工作時由于內部溫度升高，燈內積水受熱蒸發在燈罩內表面低溫區析出形成較嚴重的水霧現象。引起車燈進水的主要因素有以下兩點：

(1)車燈用零部件如后蓋、燈泡座、調光螺桿、護套、透氣蓋等密封件尺寸超差導致燈具自身密封性的質量問題。

(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動下，燈內水蒸氣不斷向低溫區域流動、聚集，當低溫區域累積的水蒸氣達到飽和時就會以小液滴的形式析出并附著在燈罩內表面，而這部分小液滴與燈罩材料折光指數的差異致使燈罩外觀上呈現白色水霧狀。車燈起霧一般與燈內濕度、溫度場分布及凝結核有關：

(1)燈內濕度

如圖1所示,據有關試驗分析和驗證，燈內水分主要有3個來源:①反射鏡、飾圈等材料表面吸附著不可見的水分子，點燈或者外界溫度升高時，車燈內部溫度上升，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，點亮時由于燈內壓力增加或者過高，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。當車燈熄滅后，燈內壓力突然降低，燈外的空氣會從車燈線束連接的插頭處被吸入燈內，如果外部的空氣濕度較大，濕空氣就會在燈內聚集[2]；③在遇到暴雨天氣或洗車時，外部水分有可能在燈具殼體上透氣組件外圍擋筋內積累，逐漸填滿透氣組件與外圍擋筋的縫隙，形成間歇性的“水密”結構，此時透氣組件不但起不到透氣作用，而且當燈具內部壓力降低時，這部分水分有可能從透氣組件被吸入燈內，致使燈內濕度過大。

(2)燈內溫度分布

在點燈和外界環境作用下，如果造成車燈內熱傳導、熱輻射及熱對流能量交換的不平衡，燈具會出現溫度分布不均的現象，溫差過大的話容易導致空氣中的水分在低溫區域凝結，如圖2所示。

(3)凝結核

燈內存在凝結核是車燈起霧的又一重要因素。在車燈內部的空氣中，凝結核相對較少，水蒸氣不易凝結。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成液滴，并不斷擴展為水霧。

濕度、溫度及凝結核3個因素的綜合作用，促成了起霧現象的出現。穩定起霧出現準則[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(近似于環境溫度)。

2 車燈起霧解決方案

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

2.1 降低燈內濕度

由車燈密封問題(進水)導致燈內濕度過大，引起的起霧問題需要通過優化車燈自身密封結構和規范用戶車燈使用方法來規避。對于密封良好的車燈，降低燈內濕度通?？梢詮能嚐袅慵牧线x用、透氣組件選擇及燈內安裝除濕裝置3個方面考慮：

(1)選擇車燈零件材料時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行充分的氣體交換，加速燈內氣體流動，能有效降低燈內的濕度，從而降低起霧風險。目前透氣組件已經廣泛應用在車燈上，前照燈甚至會同時使用多類透氣組件，所以如何選擇合適數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入燈內；其次，要確定所選透氣組件的數量，以前照燈為例可以參考圖3所示試驗方法進行確定。

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

(2)

式中：N為需要透氣組件的數量；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到氣體體積恒定所需要的時間。

確定透氣組件數量后，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行布置，如圖4所示。

(3)燈內安裝除濕裝置能有效降低燈內的濕度，從而降低霧氣產生的風險。目前國內一些汽車廠已經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部安裝除濕裝置，比較其安裝前后對燈內濕度變化及燈具霧氣表現的影響。

在圖5所示4個位置(1、2、3、4)同時安裝4根濕度傳感器，測試淋雨試驗后燈內濕度。從表2可以看出：沒有除濕裝置燈內最大測試濕度為75.78%RH，而安裝除濕裝置后燈內最大測試濕度僅為29.99%RH，濕度下降幅度較明顯。結合圖6和圖7淋雨試驗的結果，沒有除濕裝置的燈具尖角出現霧氣，而安裝除濕裝置的燈具未見霧氣產生，由此可見安裝除濕裝置能有效降低霧氣產生的風險。

方案相對濕度/%RH測點1測點2測點3測點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，加速車燈出現霧氣，所以一般要求除濕裝置安裝在燈內方便拆卸的位置，例如殼體后蓋內，可以定期拆卸下來進行干燥處理，以便其保持高效的除濕作用。

2.2 平衡燈內溫度場

車燈的結構根據其用途的不同而有較大差異，每種車燈內部的腔體形狀也各異，車燈內燈罩的低溫區是形成車燈結霧的一個重要原因，而車燈內部分區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此處。在燈具設計時，一般要求提高燈罩局部區域的溫度，降低燈罩溫差來降低霧氣產生的可能性。通?？梢詮囊韵聨讉€方面進行預防：

(1)在對某些車燈進行造型設計時，為了起裝飾性作用，往往有狹窄區域無燈內光源對其燈罩內表面有明顯的加熱作用，導致該區域燈罩內表面溫度較低，如圖8所示，因此在設計時應盡量避免該狹窄區域的出現。

(2)根據車燈光源對燈罩的照射分布，調整反射鏡結構，利用反射鏡的反射作用將光線照射到燈罩內表面局部區域，提高局部區域的溫度，如圖9所示。

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

在設計車燈時，采用上述預防經驗時應該結合車燈內部CAE熱分析，平衡內部溫度場，盡量避免燈罩內表面溫度梯度過大，從而降低車燈出現霧氣的可能性。

2.3 減少凝結核

車燈內部零件表面的凹凸不平為起霧提供了凝結核，以目前的車燈制造工藝要實現零件表面零凝結核的難度較大，通常采用在燈罩內表面噴涂防霧涂層的方法來減少燈罩內表面凝結核數量，提高燈罩內表面的表面能。其作用機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，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上噴涂，如有質量缺陷將無法通過打磨及拋光后重復噴涂等手段進行處理，相對來說產品報廢率較高，同時防霧涂層的噴涂環境要求較高，這樣一來相對于其他解決方案將增加較多的車燈成本。這個措施往往在其他方法效果不理想時作為后備方案實施[4]。

3 結束語

車燈起霧主要與燈內濕度、溫度場分布以及凝結核有關，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，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].工程熱物理學報，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計及應用[J].江西科學，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，研究方向為有限元分析計算、燈具霧氣分析與試驗。E-mail:xuxinpeng@xyl.cn。