汽車燈具起霧解析及改進(jìn)建議

韋性林，張培棟，郭 偉 Wei Xinglin，Zhang Peidong，Guo Wei

汽車燈具起霧解析及改進(jìn)建議

韋性林，張培棟，郭 偉
Wei Xinglin，Zhang Peidong，Guo Wei

（北京寶沃汽車股份有限公司，北京 101500）

汽車燈具起霧問題一直是行業(yè)內(nèi)難點(diǎn)，改善汽車大燈起霧，可提高行車安全性。基于某車型大燈，根據(jù)起霧原理剖析起霧原因，提出改善燈具溫度、濕度及流動性控制等改進(jìn)方案，以起到緩解起霧故障的作用，同時也為整車制造廠在大燈起霧改進(jìn)方面提供經(jīng)驗參考。

起霧；燈具；機(jī)理；改進(jìn)

0 引 言

隨著生活水平的提高，汽車已成為人們常用的出行工具，人們對汽車安全性的重視程度日益增長。汽車照明系統(tǒng)是主動安全性能的重要組成部分，起著照明和信號提示兩種作用，在行駛過程中（尤其是夜間）非常重要，不僅為駕乘人員保駕護(hù)航，也為道路行人提供一定安全保障。據(jù)統(tǒng)計，夜間交通事故率是白天的3倍，照明狀況不良時的交通事故率是照明良好時的3倍，足見照明系統(tǒng)對行車安全的重要性[1]。然而，在目前有關(guān)汽車照明系統(tǒng)的市場質(zhì)量抱怨中，大燈起霧問題占有相當(dāng)大比例，已成為影響車燈效能、質(zhì)量、壽命和行車安全的一個嚴(yán)重問題。對汽車大燈起霧的機(jī)理、影響因素等進(jìn)行研究分析，提出改進(jìn)建議。

1 問題描述

汽車燈腔內(nèi)的水蒸氣遇冷凝結(jié)在燈罩內(nèi)表面，不僅影響車燈外觀，而且影響照明效果，進(jìn)而影響行車安全。起霧嚴(yán)重時產(chǎn)生的積水，有可能威脅燈泡的使用壽命和車燈電路，也會對車燈材料造成腐蝕，加速車燈老化變形。圖1為某車型大燈起霧照片，可以觀察到拐角、邊緣處起霧較明顯。

以某車型大燈為研究對象，統(tǒng)計2018—2019年起霧數(shù)據(jù)，如圖2所示。從月度分布看，大燈起霧與氣象條件有關(guān)系，現(xiàn)場（北京）檢驗發(fā)現(xiàn)，大燈起霧現(xiàn)象主要分布在9月至次年1月，秋冬季節(jié)氣溫降低，整車淋雨后容易出現(xiàn)霧氣；全國范圍內(nèi)市場抱怨主要集中在6月至9月、11月至次年1月，此期間雨雪天氣較多，空氣濕度明顯加大，容易出現(xiàn)霧氣。

圖2 某車型大燈起霧問題月度分布

從地域分布看，2018—2019年市場抱怨在我國南方地區(qū)（華南、華東、華中地區(qū)）偏多，約占總數(shù)的70%，且大部分集中在每年的6～9月，正值南方雨季；在東北地區(qū)抱怨也較多，約占總數(shù)的20%，主要集中在11月至次年1月，此時東北氣溫偏低、雨雪頻繁，如圖3所示。

圖3 某車型大燈起霧問題數(shù)量地域分布

2 車燈起霧原理

2.1 水蒸氣凝結(jié)機(jī)理

含有水蒸氣的空氣稱為濕空氣，完全不含水蒸氣的空氣稱為干空氣，車燈腔內(nèi)的空氣或多或少含有水蒸氣。根據(jù)道爾頓分壓定律，濕空氣的壓力等于水蒸氣分壓力v和干空氣分壓力a之和，即

=a+v（1）

由熱力學(xué)知，濕空氣凝結(jié)過程分為定溫和定壓兩種情況，如圖4所示，C為臨界點(diǎn)，定溫：若水蒸氣壓力v在溫度1下由B點(diǎn)增大到A點(diǎn)，濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)壓力s(1)，繼續(xù)加入的水蒸氣將凝結(jié)析出；定壓：在定壓v下由B點(diǎn)不斷冷卻至D點(diǎn)，在該點(diǎn)水蒸氣達(dá)到了飽和狀態(tài)，d為對應(yīng)的露點(diǎn)溫度，若繼續(xù)冷卻就會有液態(tài)水析出，此現(xiàn)象稱為結(jié)露。

圖4 濕空氣中水蒸氣溫-熵圖

2.2 車燈起霧原理

汽車大燈大多是半封閉結(jié)構(gòu)，設(shè)計有透氣孔，燈腔內(nèi)壓力基本不變，可以認(rèn)為大燈起霧屬于定壓凝結(jié)情況。

（1）車燈點(diǎn)亮?xí)r，燈泡發(fā)熱使空氣升溫，氣壓隨之增大，引起空氣流動，燈泡附近的濕空氣流動到低溫區(qū)，特別是拐角、邊緣等空氣循環(huán)差的位置，遇冷易起霧，如圖5（a）所示。

（2）車燈熄滅時，燈泡附近尚存余熱，燈罩由于與外界直接接觸，靠近燈罩內(nèi)表面的濕空氣溫度下降遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于燈腔內(nèi)其他部位，所以靠近燈罩的濕空氣易起霧，如圖5（b）所示。

（3）車燈點(diǎn)亮穩(wěn)定后，燈腔內(nèi)空氣通過透氣孔形成自然循環(huán)，若外界環(huán)境驟然降溫，如遇雨雪天氣或洗車時，燈罩內(nèi)表面溫度隨之急劇下降，靠近燈罩的濕空氣易起霧，如圖5（c）、（d）所示。

圖5 汽車大燈起霧示意圖

通過研究，車燈起霧必須具備3個條件：（1）凝結(jié)核心，存在水蒸氣凝結(jié)的附著點(diǎn)；（2）溫度，燈罩內(nèi)表面存在低于濕空氣飽和溫度的區(qū)域；（3）濕度，燈腔內(nèi)空氣濕度足夠大，在可能的溫度范圍內(nèi)能夠達(dá)到飽和狀態(tài)。

現(xiàn)代汽車大燈罩一般為樹脂材料，表面凹凸不平，有較大可能提供凝結(jié)核心，且表面張力較小，易形成珠狀結(jié)霧。由水蒸氣凝結(jié)機(jī)理可知，定壓條件下濕空氣的露點(diǎn)溫度與水蒸氣壓力有關(guān)，而水蒸氣壓力常用濕度表示。若燈腔內(nèi)濕度較大，濕空氣露點(diǎn)溫度也較高，當(dāng)燈罩內(nèi)表面存在低于露點(diǎn)溫度區(qū)域時，易起霧，如圖6（a）所示；若濕度較小，露點(diǎn)溫度也較低，當(dāng)不存在低于露點(diǎn)溫度的區(qū)域時，不起霧，如圖6（b）所示。

圖6 大燈起霧溫度關(guān)系示意圖

在大燈溫度特性一定情況下，空氣濕度大小決定了是否起霧。文獻(xiàn)[2]給出了車燈起霧臨界濕度，如圖7所示。w為燈罩內(nèi)表面某點(diǎn)溫度，s為燈腔內(nèi)某點(diǎn)溫度，d為露點(diǎn)溫度。為車燈內(nèi)濕度，0為臨界濕度，用來評價抗起霧能力。當(dāng)<0、w>d時，不起霧；當(dāng)≥0、w≤d時，易起霧。

圖7 大燈起霧臨界濕度示意圖

3 影響因素及改進(jìn)建議

大燈起霧主要影響因素有溫度、濕度、凝結(jié)核及空氣流動性，以某車型大燈為研究對象，重點(diǎn)分析大燈密封性、結(jié)構(gòu)、濕度、流動性、材質(zhì)親水性、霧氣遮蔽及整車檢驗，并提出改進(jìn)建議。

3.1 密封性

燈具的密封性不良，一般出現(xiàn)在燈罩與燈殼密封、燈具后部堵蓋、線束安裝孔及電器元件安裝孔等位置。這些位置的密封不良易造成燈內(nèi)進(jìn)水，從而出現(xiàn)霧氣。

3.1.1 燈罩與燈殼的密封

燈罩與燈殼通過膠粘接和其他固定方式相結(jié)合，該密封性控制點(diǎn)主要在膠粘接位置。涂膠在涂膠槽內(nèi)，當(dāng)膠槽的清潔度不夠或者涂膠不均勻就會造成密封不良問題。通過采取規(guī)范工藝及優(yōu)化膠槽等離子火焰處理，解決清潔度和表面張力，并使用達(dá)因筆對膠槽處理效果做抽檢，如圖8所示。

圖8 燈罩密封結(jié)構(gòu)及膠槽檢驗

3.1.2 燈具的堵蓋密封性

燈具的堵蓋、線束、電器元件安裝孔密封不良，其中90%以上故障集中在堵蓋密封不良。堵蓋的裝配結(jié)構(gòu)有螺旋式和卡接式，螺旋式結(jié)構(gòu)使用硬質(zhì)材料，裝配密封性能好；卡接式堵蓋使用軟材質(zhì)橡膠，卡接力不足易脫落和受熱變形，給密封性帶來隱患。

改善卡接式堵蓋的結(jié)構(gòu)密封性可通過在堵蓋上增加卡箍方式增大堵蓋的拉脫力，或者對易脫落位置進(jìn)行遮擋隔離。

3.2 結(jié)構(gòu)分析

因造型等原因，大燈設(shè)計不可避免地存在結(jié)構(gòu)上的低溫區(qū)或流動死區(qū)，這是起霧的主要部位。

3.2.1 提升低溫區(qū)溫度

燈內(nèi)高溫及高濕度空氣流動到低溫區(qū)域，溫度被降低出現(xiàn)水蒸氣凝結(jié)起霧。設(shè)計時應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)造成的低溫區(qū)，如無法避免可以通過布置透氣孔改變燈內(nèi)氣流，提高霧氣消散能力。還可通過提高低溫區(qū)溫度，在不影響大燈配光情況下，通過車燈結(jié)構(gòu)直射或者反射光源熱能，提高低溫區(qū)溫度。

3.2.2 流動死區(qū)結(jié)構(gòu)改善

燈內(nèi)空氣流動分布不均勻，局部區(qū)域空氣流動慢甚至不流動，出現(xiàn)起霧。結(jié)構(gòu)設(shè)計足夠的流動間隙，降低空氣濕度。某車燈在燈罩的尖角位置處裝飾罩與燈罩的間隙為2 mm（圖9所示），空氣流動速度比較慢，造成在燈罩尖角位置經(jīng)常性起霧。改善燈內(nèi)尖角位置空氣流動，將2 mm位置間隙增大，提升流動速度。

圖9 燈罩及內(nèi)部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)示意

3.3 濕度分析

空氣濕度越大，越容易起霧，在燈具內(nèi)增加干燥劑包，吸附空氣中多余的水蒸氣，降低空氣濕度，可緩解起霧。干燥劑存放的原則：（1）易起霧區(qū)域附近，干燥劑可以近距離快速吸收空氣中水分；（2）燈體空腔的物理中心區(qū)域，均衡燈內(nèi)整體空腔濕度。

3.4 流動性分析

流動性改善通過透氣孔實現(xiàn)，大燈氣體流速越快，霧氣消散越快。

3.4.1 透氣孔的作用

透氣孔使大燈內(nèi)部和外界空氣形成對流。改變燈具內(nèi)部氣流分布，影響燈內(nèi)溫度和濕度分布，促使大燈內(nèi)外側(cè)的氣壓平衡。

3.4.2 透氣孔的設(shè)計

（1）透氣孔數(shù)量和位置。

透氣孔布置一般原則：①一般在光源兩側(cè)的對角設(shè)置；②數(shù)量至少2個及以上；③盡量靠近霧氣易發(fā)部位；④在燈具上幾何位置的高低落差盡可能大；⑤考慮燈具本身溫差大的部位。

透氣孔布置位置及數(shù)量在相同條件下組合如圖10所示，通過整車深度淋雨驗證起霧狀態(tài)，見表1。

注：a、b、c、d、e均為透氣孔。

表1 透氣孔排布起霧驗證

（2）透氣孔孔徑。

透氣孔孔徑影響空氣的交換速度。當(dāng)燈內(nèi)空氣體積一定時，小孔徑空氣流動相對慢易起霧；增大孔徑，空氣交換流動加快，霧氣消散快，如圖11所示。

圖11 大燈透氣孔徑與濕度關(guān)系圖

（3）透氣帽和透氣管。

為保證大燈透氣性，通常在燈殼透氣孔裝配透氣管或透氣帽（圖12）。透氣管內(nèi)增加過濾網(wǎng)或?qū)⑼笟夤茉O(shè)計擋水結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)防塵防水。透氣管和透氣帽的選擇結(jié)合燈具實際狀態(tài)，基本原則是透氣量越大燈體空氣流動性越好。

圖12 透氣帽和透氣管結(jié)構(gòu)

3.5 材質(zhì)親水性

液體水在固體燈罩表面形成接觸角，接觸角是衡量液體在固體表面濕潤性能的重要參數(shù)，接觸角越小，親水性越好。當(dāng)接觸角＜90°，則材料表面是親水性；當(dāng)＞90°，則材料表面是疏水性[3]，如圖13所示。

圖13 親水性示意圖

改善凝結(jié)核親水性。首先，燈罩材質(zhì)的選擇在滿足燈光等條件下，盡可能選擇親水性好的材質(zhì)；其次，增加防霧涂料，其表面具備超親水特性，液體水與涂層接觸角小，濕潤性好。大燈罩材質(zhì)常用PC（Polycarbonate，聚碳酸酯），增加C-PC（Coating-Polycarbonate，防霧涂層聚碳酸酯），兩種材質(zhì)的接觸角見表2[4]。

表2 材質(zhì)接觸角參數(shù)（近似值）

3.6 霧氣遮蔽

大燈起霧部位若是在燈罩的側(cè)面或者邊緣造型區(qū)域，該區(qū)域不影響照明使用，可以考慮在起霧區(qū)域增加花紋、涂漆等處理方式進(jìn)行遮蔽。

3.7 整車下線檢驗控制

（1）檢驗方式。

整車下線對大燈的霧氣檢驗普遍采用淋雨方式，開啟大燈淋雨檢驗，如圖14所示。

圖14 整車淋雨檢驗線

某車型整車淋雨檢驗相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 淋雨檢驗參數(shù)

（2）檢驗策略。

增加大燈溫差，提前開燈預(yù)熱30 min，提高燈內(nèi)溫度，然后進(jìn)入30 min的深度淋雨，以此提高大燈起霧檢出率。

（3）判斷標(biāo)準(zhǔn)。

某車企判斷標(biāo)準(zhǔn)按照起霧程度不同劃分為5個故障等級，具體見表4。

表4 大燈起霧判斷標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)束語

大燈起霧問題是比較復(fù)雜的綜合性問題，其影響因素諸多，并且各因素之間相互影響，對待不同的大燈其解決方案也不同，主要從改變溫度、濕度、凝結(jié)核及空氣流速方面進(jìn)行改進(jìn)。

[1]趙斌. 漫談車燈與交通安全[J]. 汽車與安全，2005（7）：44-47.

[2]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.

[3]付華芳,余兵,丁聰,等. 汽車燈具起霧問題的研究[J]. 汽車電器，2015（4）：46-48.

[4]李祥兵. 汽車車燈防霧漆流掛形成機(jī)理研究及對策[J]. 汽車電器，2018（7）：40-41，45.

2020-04-22

U463.65+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.04.008

1002-4581（2020）04-0030-05