汽车车灯作为汽车的眼睛,不仅美观,且用于道路照明,增强视野,对车身的安全有着至关重要的作用。目前,汽车车灯出现的主要问题包括车灯进水、起雾等,其不仅影响车辆车灯寿命,且使得车灯的照明效果大受影响,进而影响行车安全。车灯进水属于质量问题,可以避免并且不允许发生;起雾则属于自然现象,本文主要对车灯起雾现象进行阐述,分析其机理,并提出优化解决方案。

 

01、车灯起雾机理

车灯起雾实际为车灯内部的水汽凝结,是水蒸气在一定条件下 转化为液体或液气共存的状态。湿空气中凝结出液态水有定温和定 压两种状况,现在车灯大部分为半封闭结构,存在通风口,用于内 外部气流交换,保证内外压力一致,故车灯内的水汽凝结主要是在 定压状况下发生的 ;在定压状况下,车灯点亮时,内部湿空气被加 热,内部空气存在对流和辐射,当对流湿空气与车灯灯罩冷区接触时, 就会在车灯罩表面结雾 ;此外在车灯熄灭时,车灯灯罩的温度下降 速度比车灯内部快,当温度低于湿空气饱和温度时,也会形成车灯起雾。

 

车灯起雾的认识:是一种正常的物理现象;是不可能完全避免的。我们可以做的只能是让车灯在一定条件下不起雾、不影响道路照明及安全、不影响外观。

 

根据水气凝结的机理结合车灯的结构,我们可推断车灯起雾需具备以下三个条件 :露点温度、凝结条件、理论模型。

 

露点温度:在空气中水汽含量丌变, 保持气压一定的情冴下, 使空气况却达到饱和时的温度。

 

凝结条件:温度、湿度、凝结核

①车内的空气含有足够的水蒸气

从车灯结构上分析,车灯内部和外界存在空气交流,特别在下雨或洗车后,车灯内部含有足够的湿空气 ;还有可能车灯不密封, 车灯工况变化或环境变化,导致外部的水份进入车灯内部。

 

 

②存在的凝结核心

 

 

在车灯结构设计时,为避免空气中的悬浮颗粒随气流进入车灯, 故在通风口处都有空气过滤净化膜,该膜能实现换气同时过滤悬浮颗粒,因此车内的混合空气是比价干净的,且不存在临界核心,故基本不可能在车灯空腔内部形成悬浮雾珠,但车灯罩的材料通常为塑料,表面张力较小,车灯罩内部表面凸凹不平为水蒸气提供了凝 结核心。

 

③较大的温差,主要存在下面两种状况:

结构设计导致 :为满足美观和功能要求,车灯结构上存在 对流和辐射视角,车灯罩的各个部位温度相差较大,当某些区域的 温度低于车灯内部空气饱和温度时,就导致起雾。

 

灯的使用工况变化:比如车灯点亮时,光源附近空气温 度较高,这部分湿空气温度较高,温度较高的空气交换到其他灯罩 温度较低的区域时,在此行程结雾 ;车灯温度点亮后,车灯外界环 境骤降后,导致车灯透镜表面温度急剧下降,从而行程内部结雾 ;车灯熄灭后,表面温度和车内部温度存在较大温差时,也会形成内部结雾。由以上我们可以看出,车灯内起雾的基本条件是现实存在的, 故车灯起雾通常会出现

 

理论模型

Eulerian Wall Film 模型(EWF)用于在固体壁面上创建液体薄膜的流动,如下图所示,薄膜的形成不液滴撞击固体表面类似, 这个冲击可能出现以下的结果:

 

① 粘住:当液滴保持近似球形并以较小的能量冲击壁面时就会粘在壁面上;

 

② 反弹:液滴将改变速度并相对完好地离开壁面;③ 扩散:液滴带着中等的能量冲击壁面,并且扩散到薄膜中去;

 

④ 飞溅:其中有一部分液滴融入薄膜当中,剩下的部分以小液滴的形式离开壁面。

 

 

这个薄膜的假设通常建立在欧拉液膜和拉格朗日液膜建模方法之上,相比于固体壁面的曲率半径,这层薄膜的厚度非常小,所以可以近似地认为这层薄膜足 够薄到使得薄膜上的流体流动平行于固体壁面。

 

02、车灯起雾的评价和判断方法

车灯起雾后通常在一定时间内自然消散,然而在实践中如何判 断车灯起雾的严重程度和确认是否可接受,通常各个汽车厂商设定有相应的企业标准,目前没有相应的国标对应。本文主要介绍 FCA 集团的标准。

 

1、FIAT 的标准 9.93346

第一步 :选择两个样件,分别计为样件 A 和样件 B,移除灯具 上所有的堵盖,放置在温度 23℃、湿度 70% 的环境中 24 小时。

 

第二步 :灯具放置在设计状态和设计电压下,带所有堵盖,放 置在温度 40℃、湿度 90% 的环境中 8 小时 ;且样件 A 车灯关闭,样 件 B 车灯打开。

 

第三步:样件 A 和样件 B 转移到温度 23℃、湿度 60% 的环境箱, 喷射 2 ~ 5℃的水 3 分钟 ;且该过程中样件 A 车灯关闭,样件 B 车灯 打开。

 

第四步 :样件 A 在 60 分钟后没有雾气凝结为合格,样件 B 在 30 分钟后没有雾气凝结为合格。

 

2、Chrysler 的标准 PF-12818

第一步 :移除灯具上所有的堵盖,放置在温度 23℃、湿度 50% 的环境中 48 小时。

 

第二步 :灯具放置在设计状态和设计电压下,带所有堵盖,放 置在温度 23℃、湿度 80% 的环境中 24 小时。

 

第三步 :在温度 23℃、湿度 80% 的环境箱中点亮灯具 1 小时, 然后打开环境箱的门。

 

第四步 :灯具关闭,喷射 2 ~ 5℃的 4 升冷水 3 分钟。

 

第五步 :点亮大灯 1 小时,每 10 分钟记录大灯的起雾状况,1 小 时候,没有雾气凝结为合格。

 

从以上可以看出,验证灯具起雾都有预处理、浸润、冷却、检 查结果几个步骤,其与大灯起雾的条件是息息相关的 ;首先保证大 灯内部有足够的湿度,然后点亮灯具,再冷却,最后判断,模拟灯 具在最严苛的条件下的使用状况,了解大灯起雾的严重程度,为后 续解决方案提供基础。

 

理论模型

 


03、车灯起雾的解决方案

车灯产品设计面临的武雾气挑战问题:

• 光源种类多,各类光源混用;

• 结构越来越紧凑,不利于气流流通;

• 造型更加多样,饰圈增多;

• 客户对产品的外观要求更高;

 

车灯起雾的设计优化方案

对车灯结构而言,灯腔的形状和内部结构会影响车灯内部温度 场的变化,车灯通风口的设计和数量则影响灯体内流动场的分布。

 

为造型和美观的要求,车灯的设计常常存在着狭长的区域,这些区域空气难以流通,易造成水蒸气的堆积,同时这些区域也通常远离 灯光辐射区域,会形成低温区。

 

目前采用的方法是通过有限元分析方法模拟车灯内部温度场,确认冷区的位置,优化车灯结构设计, 在内部合理布局,消除或减轻辐射流动的低温区,在满足配光要求 的前提下,优化反射器的设计,改变光源辐射场的分布,尽量车灯内温度场分布均匀,避免车灯内部较大的温差,在车灯内部的低温 区或附近增加通风口或透气片的布置。

 

2、车灯起雾的工艺优化方案

车灯生产过程中,工艺性能对车灯起雾的影响也是不可忽视的。车灯起雾的原因之一在于存在临界核心,车灯罩的材料通常为塑料, 是水不能浸润的材料,在其表面发生的凝结为珠状凝结,这种状况为用户可见的,故目前还采用一种方案,在车灯灯罩内壁上喷涂一 层低表面张力的涂料,改变配光镜内表面性质,涂层中亲水分子排 列在配光镜表面,使其表面张力接进水的表面张力,雾气凝结模式 发生变化,为膜状凝结,对于车灯外观没有影响,用户不可见,相当于消除了凝结核心。

 

该工艺主要步骤为如下 :

2.1 将欲涂布的配光镜利用静电除尘枪进行除尘。

2.2 将配光镜利用自动喷涂装置进行喷涂。

2.3 将喷涂后的配光镜放入烘箱进行烘干。需要注意的是,目前该方案并没用普遍应用,主要原因在于成 本太高,通常在豪华车型上使用,也作为最后的补救措施实施。

 

3、车灯起雾的结构优化方案

通过车灯起雾的机理分析,车灯起雾的第三个原因为车灯的内部含有足够的水蒸气,如果能使车灯内部的空气湿度达到尽可能的低,也是可以起到防止起雾的目的的。

 

为降低车灯内部湿度,目前常用的措施包括增强车灯部件的密封性能,改进通风口对水蒸气的透析能力。也可在车灯内部增加干燥剂,用于降低车灯内部湿度,但这种方案短期内是有效的,不能保证长期的效果。