汽車(chē)車(chē)燈霧氣影響因素及應(yīng)對(duì)措施

高心健 陸龍海 余維 劉靜

（上汽通用汽車(chē)有限公司武漢分公司）

汽車(chē)車(chē)燈是整車(chē)外觀造型的重要部分，隨著車(chē)燈開(kāi)發(fā)流程、試驗(yàn)方法及制造工藝的日趨完善，車(chē)燈質(zhì)量也有了巨大提升，但是車(chē)燈霧氣問(wèn)題仍困擾著眾多主機(jī)廠和車(chē)燈供應(yīng)商。有數(shù)據(jù)表明，有的車(chē)燈由于霧氣問(wèn)題造成的報(bào)廢率高達(dá)30%[1]。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]都系統(tǒng)地論述了車(chē)燈內(nèi)部熱場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)對(duì)霧氣產(chǎn)生的影響，文章在此及物理分析的基礎(chǔ)上，闡述了車(chē)燈產(chǎn)生霧氣的主要因素，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)防措施的效果，為車(chē)燈的前期開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)提供了參考。

1 車(chē)燈霧氣形成機(jī)理

1）車(chē)燈點(diǎn)亮?xí)r，光源周?chē)沫h(huán)境溫度會(huì)急劇上升，水蒸氣會(huì)通過(guò)對(duì)流和擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)到車(chē)燈的各個(gè)角落。一方面由于車(chē)燈造型的需求，整個(gè)車(chē)燈的高寬比和縱深比都越來(lái)越大，形狀越來(lái)越長(zhǎng)而窄，直接導(dǎo)致車(chē)燈內(nèi)部存在較大的溫差。當(dāng)溫度和濕度較高的水蒸氣運(yùn)動(dòng)到低于飽和溫度的區(qū)域時(shí)，就會(huì)凝結(jié)成霧氣。2）車(chē)燈點(diǎn)亮穩(wěn)定后，當(dāng)淋雨等其他因素導(dǎo)致環(huán)境溫度降低時(shí)，車(chē)燈配光鏡內(nèi)表面溫度也會(huì)隨之降低，車(chē)燈內(nèi)部水蒸氣濃度達(dá)到一定水平，且沒(méi)有及時(shí)擴(kuò)散到外環(huán)境中，也會(huì)出現(xiàn)霧氣。3）車(chē)燈熄滅后，當(dāng)配光鏡溫降遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于車(chē)燈內(nèi)部溫降時(shí)，也會(huì)結(jié)霧。

因此總結(jié)霧氣的形成需要具備3個(gè)條件[2]：1）車(chē)燈內(nèi)部存在凝結(jié)核心（凝結(jié)核心是指凝結(jié)過(guò)程中起凝結(jié)核心作用的固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)的氣溶膠質(zhì)粒，車(chē)燈內(nèi)部零件表面的凹凸不平為起霧提供了凝結(jié)核，以目前行業(yè)的制造水平要實(shí)現(xiàn)車(chē)燈內(nèi)部零凝結(jié)核難度是非常大的）；2）車(chē)燈內(nèi)部存在低于當(dāng)?shù)厮魵饽Y(jié)臨界溫度的區(qū)域；3）車(chē)燈內(nèi)部存在足夠濃度的水蒸氣。

2 車(chē)燈起霧影響因素

根據(jù)以上分析可知，水蒸氣濃度、溫度場(chǎng)與流動(dòng)場(chǎng)及車(chē)燈材料的選用是導(dǎo)致車(chē)燈起霧的重要影響因素。同時(shí)，水蒸氣濃度的分布也取決于溫度場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)，車(chē)燈內(nèi)溫度越高，溫度分布越均勻，流動(dòng)越通暢，起霧的可能性也越小。

2.1 溫度場(chǎng)

溫度場(chǎng)是引起起霧的最重要影響因素。車(chē)燈內(nèi)溫度的來(lái)源主要有光源的熱輻射和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度。通過(guò)對(duì)車(chē)燈的熱場(chǎng)CAE模擬可以知道，車(chē)燈內(nèi)存在高溫區(qū)和低溫區(qū)，而起霧區(qū)域均位于低溫區(qū)。

以某燈具廠生產(chǎn)的前照燈為例，其熱場(chǎng)CAE模擬結(jié)果，如圖1所示。從圖1可以看出，低溫區(qū)位于車(chē)燈下部的左右側(cè)尖角處，屬于光輻射較弱的區(qū)域；車(chē)燈中部區(qū)域，即遠(yuǎn)近光燈和轉(zhuǎn)向燈處溫度較高。這說(shuō)明車(chē)燈下部左右側(cè)尖角處的低溫區(qū)域是起霧可能性較大的地方，圖2示出整車(chē)雨淋試驗(yàn)車(chē)燈起霧區(qū)域。從圖2可以看出，霧氣出現(xiàn)區(qū)域也在車(chē)燈下部左右側(cè)的尖角位置，和熱場(chǎng)CAE模擬結(jié)果高度吻合。

圖1 某車(chē)燈熱場(chǎng)CAE模擬圖

圖2 整車(chē)雨淋試驗(yàn)車(chē)燈起霧區(qū)域

對(duì)上例進(jìn)行理論分析，是由于車(chē)燈溫度分布是輻射換熱和自然對(duì)流換熱綜合作用的結(jié)果，阻擋或削弱輻射及存在自然對(duì)流死區(qū)的結(jié)構(gòu)都會(huì)導(dǎo)致局部溫度偏低，容易引起起霧現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向燈內(nèi)配光鏡削弱了光源的輻射，直接導(dǎo)致右側(cè)尖角處出現(xiàn)范圍較大的低溫區(qū)，左側(cè)尖角處是配光鏡和車(chē)燈焊接的夾縫區(qū)域，狹窄的空間結(jié)構(gòu)形成了自然對(duì)流死區(qū)，為起霧創(chuàng)造了有利環(huán)境。

2.2 流動(dòng)場(chǎng)

車(chē)燈的流動(dòng)場(chǎng)可分為內(nèi)部流動(dòng)和外部交換。內(nèi)部流動(dòng)是由于車(chē)燈內(nèi)溫度分布不均而引起的自然對(duì)流，帶動(dòng)著熱量傳遞，圖3示出某車(chē)燈內(nèi)部流動(dòng)場(chǎng)CAE模擬結(jié)果。從圖3可以看出，靠近光源位置由于溫度較高，流動(dòng)場(chǎng)的擴(kuò)散性能較強(qiáng)，到達(dá)外配光鏡位置逐漸減弱，自然對(duì)流可直接影響車(chē)燈內(nèi)的溫度場(chǎng)，縮小溫度梯度。

圖3 某車(chē)燈內(nèi)部流動(dòng)場(chǎng)CAE模擬圖

自然對(duì)流主要受到車(chē)燈內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組件布置的影響，如果燈內(nèi)存在一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域使里面的氣流和熱量不能流通，這個(gè)區(qū)域?qū)⒑苡锌赡苄纬伤?，燈?nèi)的空氣流通需要5 mm或更大的間隙作為通道。燈內(nèi)過(guò)小的間隙也會(huì)阻礙空氣的流動(dòng)和溫度的平衡從而促使水汽的形成。

外部交換的換氣結(jié)構(gòu)的好壞則取決于通氣孔的數(shù)量、尺寸與布置及通氣組件的選取。但通氣孔都有一個(gè)缺點(diǎn)就是給水和污染物侵入燈內(nèi)留下了路徑，在整車(chē)開(kāi)發(fā)時(shí)要求并確保對(duì)這些通氣孔的設(shè)計(jì)和安裝不允許在洗車(chē)，被水淹沒(méi)的路面、滿(mǎn)是灰塵的道路及出廠淋雨試驗(yàn)等情況下讓水和灰塵進(jìn)入燈內(nèi)。優(yōu)秀的通氣組件可顯著地促使車(chē)燈內(nèi)部氣體和外部氣體的交換，目前各車(chē)燈制造廠家采用的有通氣防護(hù)栓、通氣彎管及通氣膜等[4]。

2.3 車(chē)燈材料

車(chē)燈內(nèi)部水氣的來(lái)源，一部分是空氣中的水蒸氣，另外一部分是來(lái)自車(chē)燈內(nèi)部的塑料材料。塑料材料會(huì)從空氣中吸收和傳遞水分。經(jīng)過(guò)幾天的時(shí)間，水分會(huì)通過(guò)塑料配光鏡和車(chē)燈進(jìn)行滲透，使得車(chē)燈內(nèi)外的空氣含水量得到平衡。當(dāng)車(chē)燈受到來(lái)自于燈泡、太陽(yáng)照射及發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生的熱量時(shí)，燈殼所吸收的水分就會(huì)從塑料材質(zhì)中釋放到燈內(nèi)的空氣中，這些水分會(huì)凝聚在車(chē)燈內(nèi)相對(duì)冷的區(qū)域。圖4示出各種塑料材料的吸水率，通過(guò)圖4可以看出，尼龍材料的吸水率較高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免使用高含水率的材料，減小熱循環(huán)期間水汽形成的可能性[5]。

圖4 塑料材料的吸水率（24 h ASTM D570）

3 車(chē)燈霧氣預(yù)防措施

3.1 防霧涂層

防霧涂層是噴涂在車(chē)燈配光鏡內(nèi)表面的一種透明的納米涂料，該種材料具有超強(qiáng)的親水性，水在其表面受到張力作用被擴(kuò)展，接觸角減小約5°，無(wú)法凝結(jié)成水珠，而是形成一層薄膜（1～5 μm），不僅保證了視覺(jué)上看不到霧氣，也避免了水滴對(duì)光線的散射。

圖5示出有無(wú)防霧涂層的車(chē)燈雨淋試驗(yàn)對(duì)比圖，無(wú)防霧涂層的車(chē)燈在邊角區(qū)域有明顯霧氣產(chǎn)生，有防霧涂層的車(chē)燈無(wú)霧氣，說(shuō)明防霧效果非常明顯。

圖5 濕度70%點(diǎn)燈30 min后有無(wú)防霧涂層的車(chē)燈雨淋試驗(yàn)對(duì)比圖

使用防霧涂層，除了要買(mǎi)進(jìn)原料外，還要增加工裝設(shè)備和布置產(chǎn)線，并且由于噴涂在整車(chē)外觀可見(jiàn)面，當(dāng)基材上有雜質(zhì)時(shí)，無(wú)法通過(guò)打磨或拋光進(jìn)行返修，因此對(duì)噴涂環(huán)境要求很高，這些因素限制了防霧涂層的大面積推廣和應(yīng)用。

3.2 干燥劑

相對(duì)于防霧涂層，干燥劑是一種低成本且原始簡(jiǎn)單的方法。一般通過(guò)雙面膠粘接到車(chē)燈內(nèi)部，如圖6所示，振動(dòng)試驗(yàn)必須保證無(wú)脫落。

圖6 車(chē)燈內(nèi)部粘貼干燥劑

傳統(tǒng)的物理性吸濕干燥劑是將水分儲(chǔ)存在微孔中，環(huán)境濕度降低時(shí)，水分又會(huì)被釋放。車(chē)燈用干燥劑是掠奪式化學(xué)吸濕，所吸收的水分一部分以結(jié)晶水的形式存在，另一部分參與固化反應(yīng)，水分不再釋放到環(huán)境中，可保持穩(wěn)定干燥的環(huán)境。吸濕量可達(dá)到自重的150%以上，有效期可達(dá)1年之久。圖7示出有無(wú)干燥劑的車(chē)燈雨淋試驗(yàn)點(diǎn)燈20 min霧氣消散對(duì)比結(jié)果。

圖7 有無(wú)干燥劑的車(chē)燈雨淋試驗(yàn)點(diǎn)燈20 min霧氣消散對(duì)比

從圖7可以看出，有干燥劑的車(chē)燈在邊角位置雖然還殘存霧氣，但相比無(wú)干燥劑的車(chē)燈，有明顯的改善。

3.3 透氣薄膜

透氣結(jié)構(gòu)有助于促進(jìn)車(chē)燈內(nèi)外部氣體交換，同時(shí)能滿(mǎn)足不允許灰塵和水等侵入車(chē)燈的要求。透氣薄膜包含一種Gortex（聚四氟乙烯）的材料，其有很細(xì)小的孔可以允許空氣分子通過(guò)，但不會(huì)讓水或者其他液體、灰塵及雜物通過(guò)，這種薄膜還需要做Oliophobic工藝涂層處理，可以降低薄膜的表面張力以防止汽車(chē)洗滌蠟等液體打濕薄膜而阻塞通氣孔。

4 結(jié)論

首先介紹車(chē)燈霧氣的形成機(jī)理，并借助熱場(chǎng)分析的方法，闡述了車(chē)燈起霧的主要影響因素，最后通過(guò)雨淋試驗(yàn)，驗(yàn)證了霧氣解決方案的實(shí)燈效果。無(wú)論從有效期還是最終效果來(lái)看，防霧涂層是最優(yōu)的，但對(duì)應(yīng)成本較高，干燥劑成本較低但有效期短。因此前期車(chē)燈開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，就要根據(jù)造型和內(nèi)部布置等因素模擬車(chē)燈內(nèi)部熱場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)，選擇合適的防霧氣策略，結(jié)合CAE模擬和車(chē)燈試驗(yàn)進(jìn)行充分驗(yàn)證，以減少后期的質(zhì)量缺陷，進(jìn)一步提高客戶(hù)滿(mǎn)意度。