汽車車燈的結(jié)霧準(zhǔn)則研究

劉 紅，曹 翔，蔣蘭芳

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310014)(2.浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院，浙江杭州 310024)

隨著汽車車燈行業(yè)的不斷發(fā)展，車燈的熱設(shè)計(jì)越來越受工程人員的關(guān)注。但是到目前為止，車燈內(nèi)部結(jié)霧仍然是影響車燈質(zhì)量的一個主要問題，同時也是一個世界性難題，各國車燈具制造廠家都在研究探討這一難題［1］。以前的車燈主要是用玻璃和金屬制作，現(xiàn)在主要采用工程塑料。塑料的熔點(diǎn)比較低，車燈溫度過高，會引起塑料的軟化造成車燈不能正常工作。另一方面，溫度過低，很容易引起車燈起霧的問題，嚴(yán)重影響駕駛員的視線，威脅人的生命安全。因此有必要對車燈熱問題進(jìn)行研究。

有不少學(xué)者針對不同型號的車燈做了很多有關(guān)車燈結(jié)霧的機(jī)理分析及消除措施方面的研究。黃寶陵等［2］指出了車燈結(jié)霧的3個基本條件:(1)車燈內(nèi)的空氣中必須含有足夠的水蒸氣;(2)車燈內(nèi)必須存在溫度低于當(dāng)?shù)厮魵饽Y(jié)臨界溫度的區(qū)域;(3)車燈內(nèi)部存在凝結(jié)核心。徐小平等［3］人從熱分析角度指出有些車燈由于裝飾作用，造成狹窄區(qū)域構(gòu)成明顯的車燈內(nèi)部空氣流動的死區(qū)，并且無燈光對該區(qū)域的燈罩內(nèi)表面有明顯的加熱作用，導(dǎo)致了該區(qū)域燈罩內(nèi)表面溫度較低。林嬌弟［4］確定了實(shí)踐上可行的凝結(jié)判斷準(zhǔn)則。

W.I.Moore等［5］人使用 ADINA － F 軟件對車燈內(nèi)部的溫度場和流場進(jìn)行仿真，建立的輻射模型不僅可以處理紅外輻射，還可以處理可見光部分的輻射，此外這個輻射模型還可以和流場模型相結(jié)合，從而提高計(jì)算準(zhǔn)確程度。Liu Hong等［6］討論了基于水蒸氣冷凝原理的車輛用燈具內(nèi)部結(jié)霧原理，并根據(jù)該原理提出車燈的臨界霧化濕度的概念。Jiang Lan Fang等對集成大功率LED燈的散熱方法進(jìn)行了研究，以解決散熱器在工程中應(yīng)用的散熱問題，對不同造型的前大燈的溫度場進(jìn)行了研究，并以某前大燈的造型設(shè)計(jì)為例，提出了考慮車燈外部空氣流動影響的車燈設(shè)計(jì)方法［7－8］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)的迅速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，在許多領(lǐng)域取得了成功［5］。本文嘗試?yán)脭?shù)值分析的方法，預(yù)測可能出現(xiàn)的溫度過低的部分，并減少開發(fā)新產(chǎn)品過程中的成本。

1 車燈模型簡化

1.1 車燈基本結(jié)構(gòu)

圖1所示是某車燈廠生產(chǎn)的一款前大燈。車燈的主要部件包括:遠(yuǎn)光燈、近光燈、轉(zhuǎn)向燈以及3個光源的反射體、裝飾框、燈罩、燈體等。

1.2 車燈傳熱的基本過程

圖1 車燈基本結(jié)構(gòu)

車燈傳熱過程比較復(fù)雜，它包含了熱量傳遞的3種基本方式:熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對流。車燈被點(diǎn)亮后，燈絲對燈泡進(jìn)行輻射加熱，燈泡對反射體、燈罩及遮光罩進(jìn)行熱輻射。燈泡對空氣加熱的效果是，空氣在重力的作用下自然對流，將熱量帶到車燈內(nèi)部的各個角落。車燈點(diǎn)亮后，整個過程的前半段都是一個非穩(wěn)態(tài)的過程，直到燈絲的加熱和燈罩燈體與空氣的自然對流降溫達(dá)到動平衡時，車燈的溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

1.3 模型簡化

本文研究的車燈屬于組合結(jié)構(gòu)，由于車燈外型的曲面造型而使得車燈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件形狀比較復(fù)雜，需要做必要的結(jié)構(gòu)簡化。主要簡化如下:(1)消除燈體、反射體等零件上的安裝支架結(jié)構(gòu);(2)光源結(jié)構(gòu)簡化，以線光源描述金屬鹵素?zé)舻膹?fù)雜結(jié)構(gòu)。

1.4 模型材料特性

車燈的模型材料特性見表1。

表1 車燈零件材料特性

1.5 模型邊界條件

根據(jù)車燈的工作環(huán)境狀態(tài)將仿真的邊界條件設(shè)置為:初始環(huán)境溫度為20℃，1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;空氣的輻射率和反射率均設(shè)置為0，即把空氣看成輻射的透明體，只參與對流換熱;將物體的輻射特性簡化為灰體，并且將紅外反射率簡化為與溫度無關(guān)的常數(shù)。

1.6 車燈的有限元模型

根據(jù)幾何簡化結(jié)果、材料特性及邊界條件，得到的車燈有限元模型如圖2所示。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 溫度分布

圖2 分析模型

由于車燈結(jié)霧發(fā)生在燈罩上，所以燈罩的溫度分布是本文的重點(diǎn)分析對象。燈泡點(diǎn)亮后，光線從燈泡出發(fā)，大部分光線由反射體反射照到燈罩上，對燈罩起到了輻射加熱效果。此外，被燈泡加熱后的空氣通過熱對流交換也對燈罩起到加熱作用。溫度分布如圖3所示。

圖3 車燈溫度分布

2.2 空氣速度分布

空氣被燈泡加熱后，由于受熱不均衡，產(chǎn)生自然對流?？諝獾牧鲃忧闆r會影響到車燈內(nèi)部的溫度分布情況。圖4所示為車燈穩(wěn)態(tài)時的空氣流動情況。

圖4 車燈流場情況

2.3 車燈分區(qū)露點(diǎn)溫度

露點(diǎn)溫度指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度，即空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r候的溫度叫露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度與壓力、濕度有關(guān)，露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。由于目前沒有合適的方法判斷車燈結(jié)構(gòu)是否會影響結(jié)霧，因此本研究引進(jìn)分區(qū)露點(diǎn)溫度的概念，通過CAE仿真計(jì)算得到車燈某一區(qū)域的露點(diǎn)溫度，即分區(qū)露點(diǎn)溫度，由此可以判斷該區(qū)域是否容易結(jié)霧:該區(qū)域的壁面溫度有較多的低于分區(qū)露點(diǎn)溫度的點(diǎn)，則容易結(jié)霧。

車燈點(diǎn)亮工作時，燈泡的輻射加熱及對流加熱改變了車燈內(nèi)部的空氣與固體的溫度分布。由于裝飾框與反射鏡的分割效果，車燈內(nèi)部由若干相對獨(dú)立的空間組成(稱為分區(qū)域)。由于各個分區(qū)域的空氣溫度變化是不同的，從而使各分區(qū)的結(jié)霧可能性不同，造成了有的分區(qū)域不易結(jié)霧，有的區(qū)域很容易結(jié)霧。根據(jù)熱力學(xué)關(guān)于結(jié)霧原理的解釋，可以理解為車燈的露點(diǎn)溫度與車燈內(nèi)部的溫度太接近是車燈結(jié)霧的原因，即車燈某一區(qū)域的固體壁面溫度低于該區(qū)域的露點(diǎn)溫度，則該固體壁面將結(jié)霧。

在車燈點(diǎn)亮工作后車燈型腔內(nèi)各分區(qū)域的溫度發(fā)生變化，相應(yīng)的露點(diǎn)溫度也發(fā)生了不同的變化。分區(qū)空氣溫度的上升提高了該分區(qū)的露點(diǎn)溫度，但若固體溫度變化不大，則該分區(qū)固體壁面附近的空氣因溫度低于露點(diǎn)溫度而很容易起霧。為此論文提出了車燈分區(qū)露點(diǎn)溫度的概念，并給出判定車燈起霧的方法，即結(jié)霧的條件為內(nèi)壁面溫度小于等于該分區(qū)的露點(diǎn)溫度。

對車燈而言，有些結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了車燈容易起霧，其原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。提高車燈溫度場、尤其是提高固體壁面的溫度是避免結(jié)霧的簡單方法。而提高車燈溫度場的途徑是:依靠燈泡的熱輻射和氣體的對流換熱。由于熱輻射的直線傳播性，輻射加熱的部位有限，車燈的更多部位需要靠對流換熱的方式加熱，因而對流換熱氣流的流速顯得很重要。

分區(qū)露點(diǎn)溫度的計(jì)算流程是:根據(jù)仿真得到的車燈溫度場分布確定分區(qū);查表得分區(qū)露點(diǎn)溫度;在所關(guān)心的分區(qū)獲得固體表面的溫度;與該區(qū)域的分區(qū)露點(diǎn)溫度相比較，如果低于分區(qū)露點(diǎn)溫度，則結(jié)霧。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及設(shè)計(jì)建議

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真分析的結(jié)果要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。具體方法是在燈罩上打上小孔，在實(shí)驗(yàn)室里面利用熱電偶來測出燈罩不同位置的溫度，如圖5所示。

圖5 車燈實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中事先選取燈罩上的一些關(guān)鍵點(diǎn)，將熱電偶測量值和仿真值的對比列入表2，誤差分析可見仿真值和實(shí)驗(yàn)值相對誤差較小。計(jì)算得出平均誤差小于13.4%，具有較高的可信度。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

3.2 結(jié)霧原因解釋

從燈罩的溫度分布圖(圖3)來看，將燈罩左下方的局部區(qū)域分為所考慮的一個分區(qū)，其溫度很低，最低只有27.25℃。由軟件可得燈罩左下角內(nèi)壁面的空氣溫度為40℃，考慮到60%的相對濕度，查表3得到該區(qū)域的分區(qū)露點(diǎn)溫度為30.7℃，最低溫度低于露點(diǎn)溫度。空氣被燈泡加熱后進(jìn)入這個低溫區(qū)后，由于氣溫迅速降低，水汽會從空氣中析出。這意味著這個低溫區(qū)范圍內(nèi)結(jié)霧的可能性比較大，而工廠的淋雨試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。車燈內(nèi)部的氣體的流動直接影響到燈內(nèi)溫度的分布，流動不僅能夠?qū)崃繌臒襞輦鬟f到燈腔內(nèi)各處，提升該處溫度，而且較強(qiáng)的流動能夠促使水分的蒸發(fā)，從而降低結(jié)霧的可能。而從圖4的車燈內(nèi)部空氣流速圖來看，燈罩左下方的空氣流速也是比較低的，這非常不利于車燈內(nèi)部熱量的擴(kuò)散。

表3 相對濕度60%時的露點(diǎn)溫度表

3.3 設(shè)計(jì)建議

a.改善前大燈各個功能區(qū)的設(shè)計(jì)，消除輻射死區(qū)。如圖3所示，燈罩的左下角燈光完全照不到，造成左下角的低溫區(qū)很容易引起結(jié)霧。進(jìn)行車燈設(shè)計(jì)時可以考慮將遠(yuǎn)光燈反射體往左下這個方向移動，這樣就可以減少甚至消除燈罩的低溫區(qū)。

b.消除流動死區(qū)。由圖2可以看出，由于轉(zhuǎn)向燈區(qū)域設(shè)計(jì)不合理，這里形成了空氣的流動死區(qū)。從遠(yuǎn)光燈處的熱空氣進(jìn)入這個區(qū)域后，流速驟降，這樣對燈罩的加熱效果就非常有限了?？紤]到這個因素，一般車燈設(shè)計(jì)應(yīng)注重車燈前部要留有大空間，就是讓空氣能夠順暢地流動。

c.提高車燈密封質(zhì)量，相對濕度越低，結(jié)霧的可能性越低。

4 結(jié)束語

本文提出了分區(qū)露點(diǎn)溫度的概念，并給出了車燈點(diǎn)亮后是否結(jié)霧的判定準(zhǔn)則。這樣可以在產(chǎn)品還沒有規(guī)模生產(chǎn)前就有預(yù)測產(chǎn)品是否有結(jié)霧等問題的可能，不僅降低了研發(fā)成本，還提高了生產(chǎn)效率。但是，本文探討的是車燈結(jié)霧的準(zhǔn)則，更加接近實(shí)用的是工程人員在設(shè)計(jì)時發(fā)現(xiàn)問題后，如何盡量在滿足車燈的使用要求和造型美觀的基礎(chǔ)上修改設(shè)計(jì)，完整地解決車燈結(jié)霧問題，這些還需要繼續(xù)研究。

［1］ 姜永清.汽車前燈結(jié)霧分析及解決措施［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2013(10):86－90.

［2］ 黃寶陵，徐小平，顧毓沁.車燈內(nèi)部結(jié)霧的熱分析及應(yīng)對措施［J］.中國照明電器，2001(4):4 －7.

［3］ 徐小平，黃寶陵，顧毓沁，等.車燈霧氣形成機(jī)理分析［J］.中國照明電器，2000(10):9－11.

［4］ 林嬌弟.汽車車燈結(jié)霧及其控制的分析研究［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

［5］ Moore W I，Donovan Erie S，Powers ChristoPher R.Thermal analysis of automotive lamps using the ADINA－F coupled specular radiation and natural convectionmodel［J］.Computers and Struetures，1999，72(V3):17 －30.

［6］ Liu Hong，Jiang Lanfang，Hu Changguo，et al.Method of lamp fogging Discrimination［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，248:179 －184.

［7］ Jiang Lanfang，Liu Hong，Hu Lida，The effect of modeling on temperature field of automotive headlamp Aerodynamic Drag［C］//2008 IEEE 9th International Conference on Computer－Aided Industrial Design＆ Conceptual Design.Kunming:Proceedings of ICCASM，2010:602－606.

［8］ Jiang Lanfang，Liu Hong，Liang Hua.Analysis of heat dissipation for integrated high power LED lamp［C］//Proceedings of Conference 7849 Optical Design and Testing.Beijing:SPIE，2011:1－6.