汽车灯具起雾分析及对策流

一、车灯防雾产生的背景

车灯的防雾一直是一个老生常谈的话题,也是困扰灯具厂、整车厂及终端客户的主要品质问题 。随着LED光源的普遍使用和交互控制系统的发展,车灯日益电子化、数字化、集成化,造型越来越纤薄化,复杂化,防雾的要求变的越来越高,成为车灯设计中的一大挑战。

起雾的机理,抛开专业名词,简而言之:相同体积的空气空气在不同的环境温度下,对水蒸气的容纳承受能力是不同的,温度越高,可以容纳的水蒸气越多。当环境温度骤然降低时,空气中容纳不了的水蒸气将凝结为液态水。

在车灯点亮的过程中,车灯内部不同区域温度上升快慢不同所产生的温度差和压力差,使灯腔气体流动,并与外界交换,当外界湿度较高时,整灯内空气湿度增高。当高温高湿气体流动到灯具的低温区域时,环境温度降低,水蒸气凝结,在凝结核的作用下,形成结雾。

二、灯具内雾气形成的机理

通过对灯具内产生雾气的影响因素分析,可简要概括为灯具起雾主要与温度场流动场湿度场有关,三者之间的关系以及影响因素如图所示:

产品造型各零部件材料固定的情况下:

  • 灯具内部温度的分布与灯泡、LED等光源的功率以及外部环境温度有关。
  • 流动场可分为内部流动外部交换。内部流动是由于车灯内温度分布不均而引起的自然对流,与零部件间隙有关。外部交换的通气结构取决于通气孔的数量尺寸与布置及通气组件类型
  • 湿度场主要和灯腔内部空气湿度外部空气湿度有关,内部空气的流动使得湿度的分布产生变化。

三、雾气的危害

  • 外观不良,顾客抱怨,造成退换货,质量成本上升
  • 影响灯具光学性能,水汽凝结在配光镜表面,折射造成光线偏离
  • 影响电子元器件寿命。车灯内电子元器件越来越多,越来越复杂,水汽凝结在电子元器件上,长期造成元器件失效

四、防雾面临的新的挑战

1,LED光源的广泛使用

LED光源与卤素灯泡的发热机理存在本质不同。卤素灯泡的光效约为5%。85%的热量以红外辐射的形式散发出去,有利于热量在灯具内均衡的分布。

LED的光效约为20%,LED是冷光源,75%左右的热量在焊点处以热传导的方式传导到基板上,然后散发出去,热量集中,不利于热量在灯具内的分布。

2,灯具的造型越来越扁平化、纤薄化,空间越来越小

灯具的造型越来越偏向于流线型,扁平化,饰圈、饰条等装饰件的拆分越来越细化,灯具结构复杂,空间紧凑,不利于灯具腔体内空气的流动。

3,主机厂要求变高

主机厂对起雾的实验标准提高,雾气消散时间从之前的允许存在,半小时到一小时消散判定为合格,到现在的不允许出现雾气,要求大大提高。

五、解决灯具雾气的方法

由灯具雾气形成具备的条件可知:灯具起雾主要与灯内湿度、温度分布以及凝结核有关,因此要解决车灯起雾问题需要从这 3 方面入手,限制其中一个方面或多个方面条件,从而有效解决车灯起雾的问题。

  1. 降低灯内湿度

对于密封性能良好的灯具,降低灯内湿度可从车灯材料、透气组件的选择与灯内安装除湿装置3个方面考虑。

  1. 车灯材料

尽量不使用吸水率高的材料,如: 前照灯透镜支架、灯泡座等零件尽量避免使用 PA 系列材料。

  1. 透气组件的选择

透气膜

通气帽

作用:隔绝液态水与灰尘,允许气体(包括水蒸气)通过,透气膜可允许较大的透气区域,为粘贴形式,通气帽允许较小的透气区域,为套装形式。

  1. 灯内安装除湿装置

在灯内安装除湿装置,如粘贴干燥剂,可有效降低灯内的湿度,从而降低雾气产生的风险。但此方法也存在弊端,使用的物理性吸湿干燥剂一般会随着吸湿量的增加而趋于饱和,饱和后受热会将自身吸收的水分释放到灯内,加重起雾现象。

  1. 平衡灯内的温度场、流动场

灯具内部的温度场与流动场是雾气的主要影响因素。灯具的结构设计影响灯内温度场与流动场,在设计时,通常可从以下几个方面进行预防:

  1. 在满足车灯耐热条件下,避免在车灯饰圈和配光镜区域形成狭窄结构,特别是灯具下方位置,狭窄的区域不利于灯内部气体流动。
  2. 尽量避免在非光源直接照射区出现较大面积的装饰区域;或在配光镜内表面做花纹来弱化雾气对外观的影响。
  3. 灯具上部和下部各零件之间应留有一定间隙,以利于气体流动;一般应避免在车灯饰圈前部(饰框与面罩)和后部(饰框与灯壳)之间设计狭长的间隙,狭长间隙将阻碍气体流动。
  4. 在车灯设计阶段,CAE工程师应尽早参与,借助有限元分析软件,分析预测灯具的起雾区域与风险等级,通过分析灯内的温度场、流动场等,对设计进行优化,避免配光镜低温区域温度过低与存在气体流动死区,有效预防或解决灯具起雾问题。
  5. 散热风扇的使用,主要是为了LED的散热,同时大大改善了灯具内的空气流动和热量分布,带来了雾气改善的额外收益。
  1. 减少凝结核

通常采用在灯罩内表面喷涂防雾涂层的方法减少凝结核。

作用机制:使水滴平铺在基材表面 (表面接触角变小),形成一层很薄的水膜,阻止在基材表面凝结成水珠,减少光线在水滴表面的散射,增加光线透过率。

使用防雾涂层前后基材表面水滴接触角

由于防雾涂层是在透明材质上喷涂,如有质量缺陷将无法通过打磨及抛光后重复喷涂等手段进行处理,相对来说产品报废率较高,同时防雾涂层的喷涂环境要求较高,相对于其他解决方案将增加较多的灯具成本。

为促进智能车灯行业的发展,艾邦智能汽车俱乐部搭建有智能车灯微信群,欢迎主机厂,配套供应商,光源,半导体,材料,设备等企业加入微信群。

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作者 ab