汽車透明A柱的專利分析

劉亞楠 陶洪敏

關(guān)鍵詞：汽車透明A柱；專利分析；結(jié)構(gòu)；材料；安全性；創(chuàng)新點(diǎn)

0引言

A柱（A-pillar）是風(fēng)窗玻璃與前車門之間的連接柱，在承載車頂重量的同時(shí)，還要保證汽車在受撞擊或側(cè)翻的情況下，不擠壓乘客的生存空間[1]。因此，汽車A柱有非常嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)范，不能設(shè)計(jì)過(guò)細(xì)。但一定寬度A柱的存在會(huì)遮擋駕駛員視線，產(chǎn)生A柱盲區(qū)，造成嚴(yán)重安全隱患[2]。提高安全性最有效的方法之一，就是改善駕駛員看清前方道路的能力[3]。因此，為同時(shí)保證車體強(qiáng)度和減少駕駛員視力盲區(qū)，汽車透明A柱應(yīng)運(yùn)而生。汽車透明A柱（TransparentWindscreenPillar）是一種新型的A柱設(shè)計(jì)理念，其通過(guò)使用特殊材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了A柱的透明化，提高了駕駛員和乘客的視野和感知能力，同時(shí)也保證了汽車整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使得汽車行駛更加安全和舒適。

1透明A柱的專利申請(qǐng)分布

透明A柱屬于新興技術(shù)，專利庫(kù)中的申請(qǐng)量不大；關(guān)于透明A柱的申請(qǐng)人，其中日本占最大比重，其次是中國(guó)，之后依次是美國(guó)、韓國(guó)、法國(guó)和德國(guó)。日本在透明A柱的專利申請(qǐng)方面申請(qǐng)量最大，而在日本申請(qǐng)人中，又以豐田汽車的申請(qǐng)量為最大，主要集中在2018—2019年，可以看出該企業(yè)在透明A柱方面進(jìn)行了一定的專利布局（圖1）。中國(guó)企業(yè)中透明A柱申請(qǐng)量最大的是合眾新能源，申請(qǐng)日期是2019—2021年，較豐田晚，在專利競(jìng)爭(zhēng)中處于一定劣勢(shì)。

2透明A柱的專利技術(shù)分析

目前，各大汽車廠商都在進(jìn)行透明A柱的技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)改進(jìn)，并申請(qǐng)了多項(xiàng)相關(guān)專利。透明A柱從結(jié)構(gòu)上可以分為部分透明式結(jié)構(gòu)、全透明式結(jié)構(gòu)和A柱消除式結(jié)構(gòu)；在材料選用上包括高分子材料、玻璃材料和復(fù)合材質(zhì)。透明A柱在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上區(qū)別于傳統(tǒng)A柱，因此在安全性方面也不斷創(chuàng)新，采用了抗沖擊設(shè)計(jì)、氣囊保護(hù)和智能感知系統(tǒng)等新技術(shù)。本文將從透明A柱的結(jié)構(gòu)、材料和安全性等方面入手，對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上常見(jiàn)的汽車透明A柱技術(shù)進(jìn)行了專利分析，并探討了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新提供參考。

2.1結(jié)構(gòu)的專利分析

2.1.1部分透明式結(jié)構(gòu)

部分透明式結(jié)構(gòu)是在兼顧A柱強(qiáng)度和減少盲區(qū)而設(shè)計(jì)的一種型式。其特點(diǎn)是在原有不透明A柱的部分區(qū)域中，鏤空出部分透明空間，提高駕駛員的視野范圍。例如，專利號(hào)CN112937690A提出了一種透明車輛A柱（圖2），其具有定位在A柱體相對(duì)側(cè)壁之間的開(kāi)口，透明材料設(shè)置在支柱主體中的開(kāi)口內(nèi)。這種具有透明開(kāi)口的纖維增強(qiáng)車輛框架，嵌入式電阻線為光學(xué)透明部分提供除霧和除冰。該結(jié)構(gòu)通過(guò)部分透明的框架，大幅度提高了駕駛員在轉(zhuǎn)彎時(shí)的可視度。其中內(nèi)嵌的電阻線（如鎢布線）用于調(diào)節(jié)光學(xué)透明部分的溫度，以獲得所需的透明度，提高了駕駛安全性和應(yīng)對(duì)非正常天氣的能力。

又例如，專利號(hào)JP6801604B2提出了一種透明車輛A柱（圖3），橋接在第一柱和第二柱之間的透明玻璃，使得能夠從駕駛員座位看到車輛的外部。

2.1.2全透明式結(jié)構(gòu)

全透明式結(jié)構(gòu)是當(dāng)前汽車透明A柱中常見(jiàn)的一種設(shè)計(jì)方式，其特點(diǎn)是整個(gè)A柱都采用透明材料制成，能夠使駕駛員和乘客在行駛過(guò)程中擁有更為清晰的視野。例如，專利號(hào)CN106080129A提出了一種全透明式A柱結(jié)構(gòu)（圖4），前擋風(fēng)板和A柱均為透明。該技術(shù)能夠消除駕駛盲區(qū)，使駕駛更加安全，減小了發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，前擋風(fēng)板和A柱采用一體成型設(shè)計(jì)，不需要在A柱上設(shè)置安裝前擋風(fēng)板的結(jié)構(gòu)。A柱與前擋風(fēng)板熱膨脹系數(shù)相同，而且能夠保證前擋風(fēng)組件整體具有較高的強(qiáng)度和剛度，確保使用的安全性。

又例如，專利號(hào)KR100893668B1提出了一種寬視野全透明A柱（圖5）。其結(jié)構(gòu)是在車輛A柱上形成透明部分，利用緩沖結(jié)合部件連接透明部分和除了透明部分之外的剩余A柱部分。該技術(shù)在保證駕駛視野的同時(shí)，提高A柱的碰撞安全性。全透明式A柱結(jié)構(gòu)視野效果更佳，車體造型更現(xiàn)代和智能化，但隨之而來(lái)的是對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求有所提升。

2.1.3A柱消除式結(jié)構(gòu)

A柱消除式結(jié)構(gòu)并不是取消或沒(méi)有A柱，而是利用光學(xué)影像方式，將被A柱遮擋的部分投影到A柱上，呈現(xiàn)出一種A柱被消除的“假象”。該結(jié)構(gòu)采用攝像頭作為道路信息的采集載體，采用通訊線路作為信息傳輸載體，車內(nèi)顯示器作為數(shù)據(jù)呈現(xiàn)載體。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)下，可以將外界信息同步關(guān)聯(lián)到內(nèi)部顯示器中，令駕駛?cè)藛T了解到路況信息[4]。

例如，專利號(hào)CN107757481A提出了一種透明A柱裝置（圖6）。該結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)攝像頭獲取的外界圖像進(jìn)行更符合人眼視覺(jué)效果的透視變換處理，相較于現(xiàn)有A柱視障消除裝置多為攝像機(jī)提供前方全景圖像，更能夠給駕駛員提供與駕駛員視野一致的真實(shí)感。該技術(shù)消除了駕駛員從其正常無(wú)遮擋視野和顯示屏兩個(gè)渠道獲得的前方道路交通環(huán)境信息之間的重疊性和冗余性，為駕駛員提供更為完整、準(zhǔn)確的外界道路交通環(huán)境信息，而且駕駛員更容易接受。同時(shí)，減少了機(jī)器視覺(jué)顯示對(duì)駕駛員的誤導(dǎo)與干擾隱患，進(jìn)而提高汽車駕駛的安全性和便利性。

又例如，專利號(hào)WO2023099077A1公開(kāi)了一種A柱布置結(jié)構(gòu)，它是在轎車的儀表臺(tái)上借助于底座保持有可折疊或可滾動(dòng)的顯示器（圖7）。在卷起的位置中，顯示器不會(huì)布置在用戶的主要或次要視野中。在展開(kāi)位置中，顯示器將攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的觀察者。如果觀察者看到顯示器上顯示的內(nèi)容，則顯示器可以保持在展開(kāi)的位置中（如圖7中的虛線所示）。如果顯示內(nèi)容不再被當(dāng)前觀看者看到時(shí)，顯示器可以在另一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，切換到卷起的狀態(tài)。通過(guò)該裝置，A柱后方區(qū)域的路緣石被顯示器顯示了出來(lái)，由此可以顯示位于駕駛員主要視野或次要視野中的信息，提高駕駛安全性。同時(shí)，可折疊或滾動(dòng)的顯示器具有更好的防碰撞性。

2.2材料的專利分析

2.2.1高分子材料

高分子材料是當(dāng)前透明A柱中最常見(jiàn)的材料之一，其具有高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)異的透明性能。例如，專利號(hào)CN204323491U提出了一種使用聚碳酸酯材料制成的透明A柱結(jié)構(gòu)；專利號(hào)JP6477286B2提出了一種使用透明樹(shù)脂材料制成的透明A柱結(jié)構(gòu)。這2種材料都能夠在維持A柱強(qiáng)度、不改變A柱支撐保護(hù)作用的前提下，克服現(xiàn)有汽車A柱遮擋駕駛者視線的問(wèn)題，最大限度減少駕駛者視野的盲區(qū)。這既提高了駕駛中的安全性，有效減少了事故發(fā)生，又實(shí)現(xiàn)了方便舒適駕駛。

2.2.2玻璃材料

玻璃材料是另一種常見(jiàn)的透明A柱材料，其特點(diǎn)是重量輕、堅(jiān)固耐用，同時(shí)也具有較好的透光性能。例如，專利號(hào)CN110979467A提出了一種基于玻璃材料的透明A柱結(jié)構(gòu)，它是在車身骨架中間安裝有透明玻璃材料，骨架與透明玻璃材料之間采用環(huán)形卡槽連接。該結(jié)構(gòu)在滿足汽車A柱的強(qiáng)度條件下，可以減輕汽車質(zhì)量，并有效減小了汽車A柱造成的視野盲區(qū)，同時(shí)在直線行駛中不干擾視線，提高了駕駛安全。專利號(hào)DE202013008259U1提出了一種玻璃材料透明A柱（圖8），采用有機(jī)玻璃或類似的透明材料制成。該結(jié)構(gòu)使得在駕駛室中的A柱變得從內(nèi)部不可見(jiàn)，且不損害車身的剛度程度。

2.2.3復(fù)合材質(zhì)

復(fù)合材質(zhì)是一類新型的透明A柱材料，具有高強(qiáng)度、高溫性和良好的透光性能。例如，專利號(hào)CN209617275U提出了一種汽車A柱組件，由透明復(fù)合材料制成的A柱本體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)便和韌性高，能夠使駕駛員視線不受阻擋，消除了盲區(qū)，從而提高駕車安全性。又例如，專利號(hào)CN106143635A公開(kāi)了一種透明A柱結(jié)構(gòu)，利用透明高強(qiáng)度阻燃PC和韌性防撞降噪TPU及硬度碳纖維復(fù)合材質(zhì)合成，構(gòu)成無(wú)死角無(wú)盲區(qū)全景透明工槽弧形A柱結(jié)構(gòu)。

2.3安全性的專利分析

2.3.1抗沖擊設(shè)計(jì)

透明A柱在保證視野的同時(shí)，也要考慮其在行車事故中的安全性，因此，許多相關(guān)的專利都涉及到了抗沖擊設(shè)計(jì)方案。例如，專利號(hào)JP7168459B2提出了一種由纖維增強(qiáng)樹(shù)脂構(gòu)成的前立柱結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)利用了特殊的孔狀結(jié)構(gòu)和分布，提高整個(gè)前柱的抗彎剛度。又例如，專利號(hào)KR20220145122A提出了一種具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度的車輛透明立柱，在確保駕駛員良好視野的同時(shí)，抗沖擊強(qiáng)度和耐刮擦性也非常高。

2.3.2氣囊保護(hù)

氣囊是車輛成員安全保護(hù)的常規(guī)方式之一。在透明A柱部位設(shè)置氣囊，能夠很好地提高汽車透明A柱的安全性。例如，專利號(hào)JP6992549B2提出了一種具有頭部保護(hù)氣囊的透明A柱結(jié)構(gòu)，頭部保護(hù)氣囊收在A柱中。事故發(fā)生時(shí)，該氣囊能夠在乘員的側(cè)面快速膨脹和展開(kāi)，并且因此對(duì)乘員提供適當(dāng)?shù)募s束。

2.3.3智能感知系統(tǒng)

在駕駛員所有感知系統(tǒng)中，視覺(jué)最重要；在所有對(duì)駕駛員至關(guān)重要的行車信息中，80％以上是透過(guò)轎車擋風(fēng)玻璃和窗戶以視覺(jué)形式獲得的[5]。智能感知系統(tǒng)是當(dāng)前汽車透明A柱的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向，其利用激光雷達(dá)和攝像頭等技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)感知周圍環(huán)境和車輛狀態(tài)，提高行車安全性和駕駛者的舒適感。例如，專利號(hào)CN110901660A提出了一種基于A柱顯示屏的ADAS預(yù)警信息提示裝置及方法，能夠?qū)β窙r和障礙物等進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別和監(jiān)測(cè)，方便駕駛員準(zhǔn)確識(shí)別預(yù)警內(nèi)容，提高了用戶的駕駛體驗(yàn)感，并提高了車輛駕駛的安全性能。

3創(chuàng)新點(diǎn)與未來(lái)趨勢(shì)

汽車透明A柱作為一種新型設(shè)計(jì)理念，其在材料、結(jié)構(gòu)和安全性等方面都涌現(xiàn)出了許多創(chuàng)新點(diǎn)。未來(lái)汽車透明A柱的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面。

3.1全息投影技術(shù)

全息投影技術(shù)可以通過(guò)將信息投影到A柱上，讓駕駛員無(wú)需轉(zhuǎn)頭或移動(dòng)眼睛就能獲取相關(guān)駕駛信息，從而提高駕駛安全性和便捷性；該技術(shù)無(wú)需對(duì)A柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，確保了A柱強(qiáng)度，降低制造成本。

3.2智能化設(shè)計(jì)

未來(lái)汽車透明A柱將更加智能化，通過(guò)雙向傳感器和人工智能等技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)感知駕駛員和乘客的需求，自動(dòng)調(diào)整透明度和模糊度，提高乘坐舒適性和安全性。

3.3新型材料和結(jié)構(gòu)

A柱材料的選擇非常有限。使用透明材料制造A柱面臨著由結(jié)構(gòu)技術(shù)、結(jié)構(gòu)安全性和成本方面產(chǎn)生的難以克服的許多問(wèn)題。隨著新型材料和結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，未來(lái)汽車透明A柱將會(huì)更加輕薄、堅(jiān)固，同時(shí)保證了透明度和抗沖擊能力。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)透明A柱的專利分析和研究可以發(fā)現(xiàn)，其在材料、結(jié)構(gòu)和安全性等方面都不斷突破和創(chuàng)新。目前，透明A柱的使用仍未普及，這與透明A柱自身缺陷、駕駛習(xí)慣以及智能畫(huà)面失真或延遲等都有關(guān)系。由合眾新能源汽車有限公司提出的《乘用車數(shù)字透視A柱系統(tǒng)性能要求和試驗(yàn)方法》已按程序完成制定，并于2021年6月1日首次生效。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的拓展，汽車透明A柱必將成為汽車領(lǐng)域中的重要趨勢(shì)和發(fā)展方向。