汽車燈具起霧原因及解決方案研究

滕云鵬，李志剛，王 磊，孫 睿，王浩博，袁 帥，朱麗媛，李 樂

（一汽轎車股份有限公司奔騰開發院，吉林 長春 130012）

在汽車工業快速發展的今天，汽車燈具的設計能力和制造品質都有著巨大的提升，然而汽車外飾燈具的起霧現象的解決依然是困擾各大整車廠和汽車燈具供應商的一個難題。霧氣是由于燈具中的水蒸氣遇冷凝結在面罩內表面而形成的，不僅影響車燈外觀，而且霧氣嚴重的情況下會使車燈的照明及信號功能大打折扣，影響汽車的行車安全。車燈起霧問題涉及光學、材料和熱學等多方面的知識［1］，這也為解決車燈起霧問題帶來了諸多困難。本文對汽車燈具起霧的原因進行分析并提出解決方案。

1 汽車燈具起霧原理

1.1 霧氣產生原理

霧氣的產生是大自然中一種普遍存在的現象。溫度越高，空氣中所能容的水蒸氣就越多；溫度越低，空氣中所能容的水蒸氣就越少。當高溫高濕空氣接觸到低溫界面 （如玻璃、塑膠），而低溫界面又存在小的突起或是灰塵等可以作為凝結核心時，水蒸氣就會凝結成水滴。因此可以得出濕度、溫度場分布及凝結核是產生霧氣的3個因素。

例如常溫空氣中，冰水杯外側 （高溫側）凝結成水滴，如圖1所示。

車輛在雨天行駛時，車窗玻璃受雨的急劇冷卻，車內玻璃附近的溫度急劇下降。空氣中包含的水蒸氣就會凝結，附著在窗玻璃的車內一側，形成所謂的結霧，也是同樣道理。汽車玻璃霧氣產生示意圖如圖2所示。

1.2 汽車燈具起霧說明

汽車燈具發生的起霧原理與自然界霧氣原理完全相同。在濕冷的環境中，燈腔里的水蒸氣隨溫度下降，冷凝為液體，在面罩壁處發生結霧。汽車燈具起霧如圖3所示。

下面從燈具結構方面具體分析一下霧氣產生的原因。

燈具的結構主要由面罩、殼體、襯框、反射鏡、光源、后蓋、透氣孔及其他安裝調整零件組成。汽車前照燈結構簡圖如圖4所示，汽車前照燈透氣孔布置如圖5所示。

面罩和殼體形成了一個空腔結構，為保證燈具壓力平衡，面罩和殼體的空腔不能密封，必須增加透氣結構，形成了半密封的結構。半封閉的汽車燈具會存在和外界進行空氣對流的過程。當燈具點亮一段時間后的熄滅會造成汽車燈具內部溫度急劇下降，產生的負壓會使燈具強行吸氣，如果此時外界空氣濕度較大，就會使水蒸氣進入燈體內，造成燈內比較潮濕的環境。

圖1 冰水杯外壁霧氣

圖2 汽車玻璃霧氣產生示意圖

圖3 汽車燈具起霧

圖4 汽車前照燈結構簡圖

圖5 汽車前照燈透氣孔布置圖

燈具內部的零件表面會吸附一些水份，暴曬和燈具點亮后的高溫也會促使燈具內部材料水份的釋放，也是車燈內部水蒸氣的一個來源。

由于外界因素 （下雨天、洗車）引發的燈具內部和外部的溫差變化，以及燈具光源點亮引起的內部不同區域的溫度分布不均勻，使得燈具溫度低的區域容易引發水蒸氣凝結。汽車燈具外部溫度變化如圖6所示。

車燈燈具內部無法做到絕對的光滑，也并非百分之百的潔凈，也提供了凝結核的存在區域。

因此在特定的情況下汽車燈具內部是可以同時具備產生霧氣的3個條件，也就會存在霧氣現象，如圖7所示。

2 汽車燈具起霧解決方案

汽車燈具起霧是一種自然現象，無法完全避免，但是也可以從設計上考慮減小其發生的概率。由于車燈霧氣的形成與燈內的濕度、溫度場分布及凝結核有直接關系［2］，所以要解決車燈的霧氣問題需要從以下3方面考慮。

2.1 濕度降低

降低燈內濕度可以從車燈零件材料選用、透氣組件選擇及燈內安裝干燥劑幾個方面考慮。

圖6 汽車燈具外部溫度變化圖

圖7 燈具霧氣產生示意圖

1）車燈零件材料盡量使用吸水率低的材料，這一點尤其適用于氣候較潮濕地區的車燈供應商，可以有效減輕車燈儲存和運輸過程中水蒸氣的吸收。

2）合理地選擇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。設計時根據燈具的不同結構及成本要求來選用通氣結構，實現“通氣不通水”的目的，以防止外界潮濕空氣通過組件進入燈內。

3）燈內放置干燥劑能有效降低燈內的濕度，從而降低霧氣產生的風險。但缺點是隨著吸濕量的增加，干燥劑會吸收水蒸氣的能力趨于飽和，需要定期更換，以保持其高效的除濕作用。

2.2 溫度分布平衡

汽車燈具內不同區域的溫差過大是形成車燈結霧的一個重要原因，需要保證燈具內部氣流良好流通，熱量及時交換，以降低不同區域的溫差。在設計時應盡量避免該狹窄區域的出現，因此各個子零件的間隙盡可能大，建議在3mm以上。燈具內部腔體形狀盡量規則，避免出現過小的尖角，如圖8所示，目的是保證空氣能良好流通。如因造型或其他原因必須存在尖角區域或是超過20mm非發光面直射區域，其零件間隙控制在2mm以下，阻止潮濕空氣的流入，如圖9所示。

圖8 尖角區域示意圖

圖9 尖角區域間隙要求

在霧氣易發生區域設計透氣孔結構，促進燈具內部熱氣流的流通以及不同區域的熱量平衡。同時也可以增強與外部空氣的對流，使水蒸氣能夠及時被對流帶走，抑制燈具內濕度的上升，如圖10所示。

透氣孔設計原則如下：①氣孔在燈泡兩側的對角位置設置2個以上，如圖11所示。②排氣孔和吸氣孔的高度落差盡可能大。③排氣孔和吸氣孔盡可能設置在燈具內溫差大的位置。④預留一到兩個透氣孔，待臺架試驗和整車試驗后再確定是否使用 （例如在前期開發時設計多個透氣孔，制作軟模件進行霧氣試驗后確定最終方案），如圖12所示。

圖10 空氣對流示意

圖11 透氣孔位置示意

圖12 預留透氣孔示意

在設計車燈時，采用上述結構設計經驗時同時借助CAE熱學仿真軟件對燈具進行熱場分析，平衡內部溫度場，盡量避免燈罩內表面溫度梯度過大，促進車燈和外部空氣的對流，做結構優化，從而降低車燈出現霧氣的可能性。如圖13、圖14的CAE分析結果，可以初步判斷出圖中所示的燈具3個區域為低溫區 （1、2和3）。結合霧氣產生的原理，此3個區域溫度較低，且水蒸氣流速較差則易產生霧氣，所以在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處加開透氣孔是有必要的，如圖15所示。

圖13 燈具內的溫度分布

2.3 凝結核減少

車燈內部零件表面的凹凸不平為起霧提供了凝結核，通常采用在燈罩內表面噴涂防霧涂層的方法來消除凝結核的影響。防霧涂料由于其表面具備超親水特性，增大了水的表面張力，接觸角變小 （約5°左右），使水滴變成人眼無法觀察到的水膜 （1～5μm）［3］。但防霧涂層的噴涂環境要求嚴格，產品廢品率較高，相對于其他解決方案車燈成本增加較多。使用防霧涂層前后對比如圖16所示。

圖14 燈具內的氣流走向

3 結語

圖15 確定的通氣孔位置

汽車燈具的起霧現象的解決是困擾各大整車廠和汽車燈具供應商的一個難題，每個新車燈的開發都需要結合實際情況進行不斷的軟件模擬分析→整改樣件制作→臺架試驗驗證→整車試驗驗證，才能使車燈霧氣達到一個最佳狀態。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。

圖16 使用防霧涂層前后對比