汽車透明A 柱的專利分析

劉亞楠、陶洪敏

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100086）

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，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)計規(guī)范，不能設(shè)計過細(xì)。但一定寬度A 柱的存在會遮擋駕駛員視線，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（Transparent Windscreen Pillar）是一種新型的A 柱設(shè)計理念，其通過使用特殊材料和設(shè)計結(jié)構(gòu)，實現(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 柱的專利申請分布

透明A 柱屬于新興技術(shù)，專利庫中的申請量不大；關(guān)于透明A 柱的申請人，其中日本占最大比重，其次是中國，之后依次是美國、韓國、法國和德國。日本在透明A 柱的專利申請方面申請量最大，而在日本申請人中，又以豐田汽車的申請量為最大，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）。中國企業(yè)中透明A 柱申請量最大的是合眾新能源，申請日期是2019—2021 年，較豐田晚，在專利競爭中處于一定劣勢。

圖1 透明A 柱的申請人分布

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)計改進(jìn)，并申請了多項相關(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、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，對當(dāng)前市場上常見的汽車透明A 柱技術(shù)進(jìn)行了專利分析，并探討了未來的發(fā)展趨勢，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 柱體相對側(cè)壁之間的開口，透明材料設(shè)置在支柱主體中的開口內(nèi)。這種具有透明開口的纖維增強(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)通過部分透明的框架，大幅度提高了駕駛員在轉(zhuǎn)彎時的可視度。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)對非正常天氣的能力。

圖2 鏤空透明A 柱

又例如， 專利號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。

圖3 橋接在兩柱之間的透明A 柱

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 柱中常見的一種設(shè)計方式，其特點(diǎn)是整個A 柱都采用透明材料制成，能夠使駕駛員和乘客在行駛過程中擁有更為清晰的視野。例如，專利號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。同時，前擋風(fēng)板和A 柱采用一體成型設(shè)計，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。

圖4 全透明A 柱

又例如，專利號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，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，但隨之而來的是對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求有所提升。

圖5 寬視野全透明A 柱

2.1.3 A 柱消除式結(jié)構(gòu)

A 柱消除式結(jié)構(gòu)并不是取消或沒有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。在整個系統(tǒng)設(shè)計下，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CN107757481A 提出了一種透明A 柱裝置（圖6）。該結(jié)構(gòu)通過對攝像頭獲取的外界圖像進(jìn)行更符合人眼視覺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感。該技術(shù)消除了駕駛員從其正常無遮擋視野和顯示屏兩個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，減少了機(jī)器視覺顯示對駕駛員的誤導(dǎo)與干擾隱患，進(jìn)而提高汽車駕駛的安全性和便利性。

圖6 視障消除式透明A 柱

又例如，專利號WO2023099077A1 公開了一種A 柱布置結(jié)構(gòu)，它是在轎車的儀表臺上借助于底座保持有可折疊或可滾動的顯示器（圖7）。在卷起的位置中，顯示器不會布置在用戶的主要或次要視野中。在展開位置中，顯示器將攝像機(jī)對準(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，顯示器可以在另一個方向上旋轉(zhuǎn)，切換到卷起的狀態(tài)。通過該裝置，A 柱后方區(qū)域的路緣石被顯示器顯示了出來，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，可折疊或滾動的顯示器具有更好的防碰撞性。

圖7 A 柱“消除”技術(shù)

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JP6477286B2 提出了一種使用透明樹脂材料制成的透明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的透明A 柱材料，其特點(diǎn)是重量輕、堅固耐用，同時也具有較好的透光性能。例如，專利號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)，同時在直線行駛中不干擾視線，提高了駕駛安全。專利號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，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)簡單、工藝簡便和韌性高，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CN106143635A 公開了一種透明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)成無死角無盲區(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

透明A 柱在保證視野的同時，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)計方案。例如，專利號JP7168459B2 提出了一種由纖維增強(qiáng)樹脂構(gòu)成的前立柱結(jié)構(gòu)，該設(shè)計利用了特殊的孔狀結(jié)構(gòu)和分布，提高整個前柱的抗彎剛度。又例如，專利號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，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，該氣囊能夠在乘員的側(cè)面快速膨脹和展開，并且因此對乘員提供適當(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，視覺最重要；在所有對駕駛員至關(guān)重要的行車信息中，80%以上是透過轎車擋風(fēng)玻璃和窗戶以視覺形式獲得的[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)識別和監(jiān)測，方便駕駛員準(zhǔn)確識別預(yù)警內(nèi)容，提高了用戶的駕駛體驗感，并提高了車輛駕駛的安全性能。

3 創(chuàng)新點(diǎn)與未來趨勢

汽車透明A 柱作為一種新型設(shè)計理念，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)。未來汽車透明A 柱的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面。

3.1 全息投影技術(shù)

全息投影技術(shù)可以通過將信息投影到A 柱上，讓駕駛員無需轉(zhuǎn)頭或移動眼睛就能獲取相關(guān)駕駛信息，從而提高駕駛安全性和便捷性；該技術(shù)無需對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

未來汽車透明A 柱將更加智能化，通過雙向傳感器和人工智能等技術(shù)，能夠?qū)崟r感知駕駛員和乘客的需求，自動調(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題。隨著新型材料和結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，未來汽車透明A 柱將會更加輕薄、堅固，同時保證了透明度和抗沖擊能力。

4 結(jié)束語

本文通過對透明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)性能要求和試驗方法》已按程序完成制定，并于2021年6 月1 日首次生效。未來，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)域中的重要趨勢和發(fā)展方向。