高心健 陸龍海 余維 劉靜

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司）

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

1 車燈霧氣形成機(jī)理

1）車燈點(diǎn)亮?xí)r，光源周圍的環(huán)境溫度會(huì)急劇上升，水蒸氣會(huì)通過對流和擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)到車燈的各個(gè)角落。一方面由于車燈造型的需求，整個(gè)車燈的高寬比和縱深比都越來越大，形狀越來越長而窄，直接導(dǎo)致車燈內(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)，車燈配光鏡內(nèi)表面溫度也會(huì)隨之降低，車燈內(nèi)部水蒸氣濃度達(dá)到一定水平，且沒有及時(shí)擴(kuò)散到外環(huán)境中，也會(huì)出現(xiàn)霧氣。3）車燈熄滅后，當(dāng)配光鏡溫降遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于車燈內(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）車燈內(nèi)部存在凝結(jié)核心（凝結(jié)核心是指凝結(jié)過程中起凝結(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)車燈內(nèi)部零凝結(jié)核難度是非常大的）；2）車燈內(nèi)部存在低于當(dāng)?shù)厮魵饽Y(jié)臨界溫度的區(qū)域；3）車燈內(nèi)部存在足夠濃度的水蒸氣。

2 車燈起霧影響因素

根據(jù)以上分析可知，水蒸氣濃度、溫度場與流動(dòng)場及車燈材料的選用是導(dǎo)致車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和流動(dòng)場，車燈內(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

溫度場是引起起霧的最重要影響因素。車燈內(nèi)溫度的來源主要有光源的熱輻射和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度。通過對車燈的熱場CAE模擬可以知道，車燈內(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)位于車燈下部的左右側(cè)尖角處，屬于光輻射較弱的區(qū)域；車燈中部區(qū)域，即遠(yuǎn)近光燈和轉(zhuǎn)向燈處溫度較高。這說明車燈下部左右側(cè)尖角處的低溫區(qū)域是起霧可能性較大的地方，圖2示出整車雨淋試驗(yàn)車燈起霧區(qū)域。從圖2可以看出，霧氣出現(xiàn)區(qū)域也在車燈下部左右側(cè)的尖角位置，和熱場CAE模擬結(jié)果高度吻合。

圖1 某車燈熱場CAE模擬圖

圖2 整車雨淋試驗(yàn)車燈起霧區(qū)域

對上例進(jìn)行理論分析，是由于車燈溫度分布是輻射換熱和自然對流換熱綜合作用的結(jié)果，阻擋或削弱輻射及存在自然對流死區(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燈焊接的夾縫區(qū)域，狹窄的空間結(jié)構(gòu)形成了自然對流死區(qū)，為起霧創(chuàng)造了有利環(huán)境。

2.2 流動(dòng)場

車燈的流動(dòng)場可分為內(nèi)部流動(dòng)和外部交換。內(nèi)部流動(dòng)是由于車燈內(nèi)溫度分布不均而引起的自然對流，帶動(dòng)著熱量傳遞，圖3示出某車燈內(nèi)部流動(dòng)場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，自然對流可直接影響車燈內(nèi)的溫度場，縮小溫度梯度。

圖3 某車燈內(nèi)部流動(dòng)場CAE模擬圖

自然對流主要受到車燈內(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，在整車開發(fā)時(shí)要求并確保對這些通氣孔的設(shè)計(jì)和安裝不允許在洗車，被水淹沒的路面、滿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燈內(nèi)部氣體和外部氣體的交換，目前各車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 車燈材料

車燈內(nèi)部水氣的來源，一部分是空氣中的水蒸氣，另外一部分是來自車燈內(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)過幾天的時(shí)間，水分會(huì)通過塑料配光鏡和車燈進(jìn)行滲透，使得車燈內(nèi)外的空氣含水量得到平衡。當(dāng)車燈受到來自于燈泡、太陽照射及發(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)凝聚在車燈內(nèi)相對冷的區(qū)域。圖4示出各種塑料材料的吸水率，通過圖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 車燈霧氣預(yù)防措施

3.1 防霧涂層

防霧涂層是噴涂在車燈配光鏡內(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），不僅保證了視覺上看不到霧氣，也避免了水滴對光線的散射。

圖5示出有無防霧涂層的車燈雨淋試驗(yàn)對比圖，無防霧涂層的車燈在邊角區(qū)域有明顯霧氣產(chǎn)生，有防霧涂層的車燈無霧氣，說明防霧效果非常明顯。

圖5 濕度70%點(diǎn)燈30 min后有無防霧涂層的車燈雨淋試驗(yàn)對比圖

使用防霧涂層，除了要買進(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外觀可見面，當(dāng)基材上有雜質(zhì)時(shí)，無法通過打磨或拋光進(jìn)行返修，因此對噴涂環(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

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

圖6 車燈內(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示出有無干燥劑的車燈雨淋試驗(yàn)點(diǎn)燈20 min霧氣消散對比結(jié)果。

圖7 有無干燥劑的車燈雨淋試驗(yàn)點(diǎn)燈20 min霧氣消散對比

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

3.3 透氣薄膜

透氣結(jié)構(gòu)有助于促進(jìn)車燈內(nèi)外部氣體交換，同時(shí)能滿足不允許灰塵和水等侵入車燈的要求。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，但不會(huì)讓水或者其他液體、灰塵及雜物通過，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

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