汽车灯具防雾设计与验证

赵志星，周龙，吴海涛，刘睿，吴露露

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230000）

引言

随着经济的飞速发展，汽车在人们日常生活中扮演着越来越重要的角色，与此同时人们对汽车安全性的需求和认识也越来越高。汽车灯具是驾驶员获得夜间照明及与外界进行信息交互的主要装置。汽车车灯的内部雾气凝结，是当前影响车灯质量、寿命和使用效能的一个严重问题，这也是目前车灯行业难以解决的一大难题。

本文通过对车灯雾气形成的机理研究、灯具结构的优化设计、灯具内部流场及温度模拟分析，确立了汽车灯具的防雾设计流程及验证方法。

1 雾气形成的原因

当水蒸气与低于其饱和温度的物体表面接触时，根据表面性质的不同，有两种不同的凝结形式。如果凝结液体能很好地湿润壁面，它就在壁面上铺展成膜，这种凝结形式称为膜状凝结。当凝结液体不能很好的湿润壁面时，凝结液体在壁面上形成一个个的小液珠，这种凝结形式称为珠状凝结。在车灯中，灯具面罩的材料为合成树脂，是一种水所不能浸润的材料，在其表面发生的凝结是珠状凝结。

汽车灯具内部形成雾气一般需要具备三个基本条件：车灯内的空气中必须含有足够的水蒸气，车灯内必须存在温度低于周围环境水蒸气凝结临界温度的区域，车灯内部存在凝结核心。当灯具内部空气含有的水分在遇冷时,会在汽车的灯具面罩上形成一层雾气，会严重影响汽车车灯的照明效果和外观表现。

灯具在工作时会产生热量，所以需要跟外界联通，从而进行空气交换以保证其内部温度不至于过热。

灯具与外界的空气交换通过透气孔实现。灯具内部的水分一般来源于两方面：一方面来自于灯具内部自身部件的含水；另外一方面来自于外部环境，当灯具内外空气流通时，外面的空气含有水分也会通过透气孔循环进入到灯具内部。

图1 灯具内部水分来源

车灯内部件自身水分蒸发形成的水蒸气是造成结雾的主要原因。当车灯点亮时，灯泡周围空气的温度急剧上升，通过辐射和自然对流换热，使车灯内部件的水蒸气受热蒸发，使得在空气温度较高的区域有较大的湿度，水蒸气通过对流和扩散作用被输送到车灯的各个角落。由于车灯内部温度分布不均匀，当湿度较高、温度较高的空气流到温度较低的区域时，一部分水蒸气就在面罩上凝结成雾。

如果车灯内不存在水分，周围环境变化所导致的空气中水蒸气的凝结是结雾的主要原因。最主要的情形是：车灯原先处在湿度较高、温度也较高的环境中，车灯内空气的湿度较大；当环境温度降低时，如果车灯内的水蒸气不能充分流动扩散到环境中去，仍维持高的浓度，而车灯内某些区域温度低于外部环境的水蒸气凝结临界温度，就会出现结雾现象。

在车灯内水蒸气的数量和分布，取决于车灯外部环境、通气孔以及车灯的结构特征。

根据上述分析，灯内温度场、流动场、水蒸气浓度的分布和车灯材料表面性质是影响结雾的主要因素。对前三者来说，水蒸气浓度分布依赖于温度场和流动场，灯内温度分布越均匀，温度越高，流动越强烈，则结雾的可能性越低。

2 灯具的结构设计

从结构设计上降低灯具雾气形成的风险，主要从增强灯具内部空气流通和保持灯具内部温度分布均匀入手。

2.1 增强灯具内部空气流通

通常影响前大灯内部空气流通的因素有以下两个方面：

（1） 前大灯内部部件间的结构间隙

通常前大灯内部的装饰框等部件与前大灯面罩的间隙，是影响灯具内部空气流通的主要因素。如图2断面所示：图中虚线方框中是大灯面罩和装饰框距离较小的部位，通常部件间间隙大于5mm时，灯具内部的空气流通是比较顺畅的。因此将HFC0010车型的前大灯内部装饰框与面罩的最小设计间隙定为5mm，非外观可视区域间隙设计为10mm以上，保证内部空气流通顺畅。

图2 前大灯装饰框与面罩间影响空气流通的部位

（2）前大灯通气孔的布置位置、数量及结构形式

前大灯灯体上通气孔布置的位置、数量及形式都是影响前大灯内部空气流通的主要因素。

前大灯透气孔布置位置要尽量布置在灯具尖角、冷区、光源附近，进气孔和出气孔的布置尽量布置在灯具温度差最大的两极区域，以此来增强灯具内部空气流动。如下图3所示：

图3 前大灯通气孔的布置位置示意图

根据前大灯的光源类型和内部温度模拟分布，来确定通气孔的数量及结构。通常的通气孔结构有U型弯管、L形弯管、圆形透气膜、方形透气膜、圆形透气帽等。不同的结构类型透气量及防水性都各有优缺点，需要在具体灯具设计时结合周边环境综合考虑。

2.2 保持灯具内部温度均匀

随着汽车技术的发展，前大灯的造型也越来越复杂和多变，因此前大灯功能布置及光源选择会受到很大限制，前大灯内部温度均匀性也较难保证。下图4是两种在尖角处较容易形成雾气的前大灯造型。

图4 前大灯尖角部位易形成雾气

前大灯造型尽量避免出现较大的尖角，尖角部位灯光难以照射到，同时空气流通也较差。下图5是两种尖角造型处理稍好，不易形成雾气的前大灯。

图5 尖角部位处理较好的前大灯

HFC0010车型的前大灯在造型阶段避免出现了上述尖角，保证了空气流通，如图6所示。

图6 HFC0010前大灯尖角部位处理较好

3 灯具内部空气流动模拟

灯具的结构设计完成时，通过计算机CAE的辅助模拟，可以有效地分析灯具面罩的冷区及灯具内部的空气流动。通常采用ANSYS进行灯具面罩温度分布和灯具内部空气流动的模拟分析。下图7是HFC0010车型的前大灯温度分析，通过分析可以看出灯具内部平均温度为54℃，在远近光透镜正上方是温度最高区域，但是前大灯左侧尖角及灯具下部温度较低，局部最低温度低于27℃，极易产生雾气凝结。

图7 前大灯内部温度模拟

下图8是对前大灯内部的空气流动进行模拟分析，可以发现前大灯下部装饰框与面罩间隙小的区域，空气流动较差，极易形成雾气凝结。

图8 前大灯内部空气流动模拟

下图9是对前大灯内部不同空气流动速度的模拟，通常认为0.03m/s是有效地空气流动速度，0.1m/s是可以快速消除雾气的空气流动速度。可以发现前大灯左下尖角处及远近光下部装饰框与面罩间隙小的区域，空气流动速度很低。

图9 前大灯内部不同空气流动速度模拟

针对以上的分析，优化HFC0010车型前大灯灯体上进行进气孔和出气孔的布置位置及其结构形式。图9是对优化后的前大灯的进气孔和出气孔的流通量进行的模拟分析。通过模拟分析看出，在前期模拟分析发现空气流动较差位置，布置的进气孔和出气孔的流速是比较大的，说明优化后的进出气孔位置可以有效地改善灯具内部的空气流通，目前的通气孔位置及结构形式是较为合理。

图10 前大灯透气孔布置图

4 灯具雾气的试验验证

通过单灯试验及整车试验对灯具雾气进行验证。单灯试验在淋雨点灯模拟试验箱内完成。试验方法：

a）固定：按整车安装要求，必须采取适当防护装置，避免水流直接喷入透气孔内部；

b）转动时间：转动时间为60°/s；

c）转动范围：转动范围为绕配光镜/灯具面罩 180°±20°；

d）按规定节拍控制试样试验，可持续工作时间为15min，各阶段时间公差为±5s，试验周期6h。

此试验灯具各功能按照不同的点亮逻辑进行点亮，同时试验箱内喷头对大灯进行冷水喷淋，模拟雨天灯具工作工况（见图11）。

图11 淋雨试验箱示意图

HFC0010车型的前大灯单灯试验结果如下图12所示：试验后前大灯面罩尖角区域、远近光正下方及侧边区域产生雾气，室内静置15分钟后，雾气全部消散，单灯的淋雨试验合格。

图12 淋雨试验后及静置15分钟后前大灯状态

灯具的整车雾气验证在车辆静止状态下对整车进行环境舱内的模拟淋雨试验测试。由于不同的车型的发动机舱内的布置及发动机排量都不同，所以不同车型的前大灯对应的环境也不同，因此在进行整车试验前，对HFC0010车型前大灯对应的发动机舱环境温度进行摸底测试，也有利于我们更准确的了解前大灯的使用环境及对应工况。

在进气孔、出气孔及预留的进出气孔位置布置温度传感器探头，如图13所示：

图13 前大灯灯体上布置温度传感器位置

在室外常温环境下测得1.5T和2.0T两个车型发动机舱内前大灯灯体不同位置的温度如下图 14所示。结果表明：1.5T发动机舱左侧平均温度77.3℃，右侧平均温度76.7℃。2.0T发动机温度舱左侧平均温度81.1℃，右侧平均温度84.5℃。同一侧前大灯尖角位置的进气孔及出气孔温度差小于 4℃。

图14 前大灯灯体上不同位置的温度

发动机工作的情况下，在环境舱内对前大灯进行淋雨试验，试验结果如下图15、16所示：试验刚结束时，2.0T车型雾气比 1.5T雾气严重，发动机熄火后，大灯继续点亮30min，两灯雾气均消失。

图15 1.5T车型在环境舱淋雨后产生雾气的区域

图16 2.0T车型在环境舱淋雨后产生雾气的区域

由上面的数据测量及实车试验可以看出，当发动机工作时，发动机舱内的温度升高，前大灯尖角位置温度升高，导致前大灯进气孔和出气孔的温差缩小，空气流通速度变慢，空气流通减弱。同时温度升高导致空气中含水率也随之升高，循环进入灯具内部的空气湿度增大，在前大灯面罩遇冷时，形成雾气凝结现象，且发动机舱内温度越高，起雾现象越严重。

当发动机熄火后，随着发动机舱温度降低，前大灯继续点亮，进气孔及出气孔温差逐渐变大，前大灯内部空气循环加速，30min后雾气消失。

5 结束语

本文主要结合HFC0010车型前大灯的开发，论述了乘用车灯具的正向防雾设计和验证方法，利用ANSYS三维软件的辅助计算，模拟前大灯内部的空气流动及温度分布。对透气孔在前大灯上的位置进行合理布置，使其满足灯具散热及空气流通的要求，同时对灯具内部结构的设计优化，完善灯具内部空气流通，降低雾气形成的风险。在此基础上进行实车的试验验证，印证了关于灯具透气孔布置位置和灯具内部结构设计的设计原则，同时得出雾气与发动机舱温度之间的关系，确立了汽车灯具的防雾设计流程及其验证方法。

[1] 刘红,曹翔,蒋兰芳.汽车车灯的结雾准则研究[J].机械设计与制造工程.2015(01).

[2] 付华芳,余兵,丁聪,杨龙,邱实.汽车灯具起雾问题的研究[J].汽车电器.2015(04).

[3] 张世中,兰天亮,路向前.关于汽车车灯起雾的改善设计[J].河南科技. 2015(04).

[4] 李馨贵.汽车灯具进水起雾分析[J].环境技术.2015(05).

[5] 韦春.汽车灯具的起雾研究与通风结构分析[J].企业科技与发展.2014(03).

[6] 徐峰,邓艳宁.汽车前照大灯起雾分析与改进措施[J].宁波工程学院学报.2014(02).

[7] 徐鑫鹏,昌进,郝珊珊.车灯起雾原因及解决方案探讨[J].汽车零部件.2014(09).

[8] 牛永强,何浩,何志军,晋蕾,杨贤琴.汽车车灯起雾,进水验证方法综述[J].汽车零部件. 2013(09).