汽车透明A柱的专利分析

刘亚楠 陶洪敏

关键词：汽车透明A柱；专利分析；结构；材料；安全性；创新点

0引言

A柱（A-pillar）是风窗玻璃与前车门之间的连接柱，在承载车顶重量的同时，还要保证汽车在受撞击或侧翻的情况下，不挤压乘客的生存空间[1]。因此，汽车A柱有非常严格的设计规范，不能设计过细。但一定宽度A柱的存在会遮挡驾驶员视线，产生A柱盲区，造成严重安全隐患[2]。提高安全性最有效的方法之一，就是改善驾驶员看清前方道路的能力[3]。因此，为同时保证车体强度和减少驾驶员视力盲区，汽车透明A柱应运而生。汽车透明A柱（TransparentWindscreenPillar）是一种新型的A柱设计理念，其通过使用特殊材料和设计结构，实现了A柱的透明化，提高了驾驶员和乘客的视野和感知能力，同时也保证了汽车整体结构强度，使得汽车行驶更加安全和舒适。

1透明A柱的专利申请分布

透明A柱属于新兴技术，专利库中的申请量不大；关于透明A柱的申请人，其中日本占最大比重，其次是中国，之后依次是美国、韩国、法国和德国。日本在透明A柱的专利申请方面申请量最大，而在日本申请人中，又以丰田汽车的申请量为最大，主要集中在2018—2019年，可以看出该企业在透明A柱方面进行了一定的专利布局（图1）。中国企业中透明A柱申请量最大的是合众新能源，申请日期是2019—2021年，较丰田晚，在专利竞争中处于一定劣势。

2透明A柱的专利技术分析

目前，各大汽车厂商都在进行透明A柱的技术创新和设计改进，并申请了多项相关专利。透明A柱从结构上可以分为部分透明式结构、全透明式结构和A柱消除式结构；在材料选用上包括高分子材料、玻璃材料和复合材质。透明A柱在结构和材质上区别于传统A柱，因此在安全性方面也不断创新，采用了抗冲击设计、气囊保护和智能感知系统等新技术。本文将从透明A柱的结构、材料和安全性等方面入手，对当前市场上常见的汽车透明A柱技术进行了专利分析，并探讨了未来的发展趋势，为行业的技术创新提供参考。

2.1结构的专利分析

2.1.1部分透明式结构

部分透明式结构是在兼顾A柱强度和减少盲区而设计的一种型式。其特点是在原有不透明A柱的部分区域中，镂空出部分透明空间，提高驾驶员的视野范围。例如，专利号CN112937690A提出了一种透明车辆A柱（图2），其具有定位在A柱体相对侧壁之间的开口，透明材料设置在支柱主体中的开口内。这种具有透明开口的纤维增强车辆框架，嵌入式电阻线为光学透明部分提供除雾和除冰。该结构通过部分透明的框架，大幅度提高了驾驶员在转弯时的可视度。其中内嵌的电阻线（如钨布线）用于调节光学透明部分的温度，以获得所需的透明度，提高了驾驶安全性和应对非正常天气的能力。

又例如，专利号JP6801604B2提出了一种透明车辆A柱（图3），桥接在第一柱和第二柱之间的透明玻璃，使得能够从驾驶员座位看到车辆的外部。

2.1.2全透明式结构

全透明式结构是当前汽车透明A柱中常见的一种设计方式，其特点是整个A柱都采用透明材料制成，能够使驾驶员和乘客在行驶过程中拥有更为清晰的视野。例如，专利号CN106080129A提出了一种全透明式A柱结构（图4），前挡风板和A柱均为透明。该技术能够消除驾驶盲区，使驾驶更加安全，减小了发生交通事故的风险。同时，前挡风板和A柱采用一体成型设计，不需要在A柱上设置安装前挡风板的结构。A柱与前挡风板热膨胀系数相同，而且能够保证前挡风组件整体具有较高的强度和刚度，确保使用的安全性。

又例如，专利号KR100893668B1提出了一种宽视野全透明A柱（图5）。其结构是在车辆A柱上形成透明部分，利用缓冲结合部件连接透明部分和除了透明部分之外的剩余A柱部分。该技术在保证驾驶视野的同时，提高A柱的碰撞安全性。全透明式A柱结构视野效果更佳，车体造型更现代和智能化，但随之而来的是对其结构强度的要求有所提升。

2.1.3A柱消除式结构

A柱消除式结构并不是取消或没有A柱，而是利用光学影像方式，将被A柱遮挡的部分投影到A柱上，呈现出一种A柱被消除的“假象”。该结构采用摄像头作为道路信息的采集载体，采用通讯线路作为信息传输载体，车内显示器作为数据呈现载体。在整个系统设计下，可以将外界信息同步关联到内部显示器中，令驾驶人员了解到路况信息[4]。

例如，专利号CN107757481A提出了一种透明A柱装置（图6）。该结构通过对摄像头获取的外界图像进行更符合人眼视觉效果的透视变换处理，相较于现有A柱视障消除装置多为摄像机提供前方全景图像，更能够给驾驶员提供与驾驶员视野一致的真实感。该技术消除了驾驶员从其正常无遮挡视野和显示屏两个渠道获得的前方道路交通环境信息之间的重叠性和冗余性，为驾驶员提供更为完整、准确的外界道路交通环境信息，而且驾驶员更容易接受。同时，减少了机器视觉显示对驾驶员的误导与干扰隐患，进而提高汽车驾驶的安全性和便利性。

又例如，专利号WO2023099077A1公开了一种A柱布置结构，它是在轿车的仪表台上借助于底座保持有可折叠或可滚动的显示器（图7）。在卷起的位置中，显示器不会布置在用户的主要或次要视野中。在展开位置中，显示器将摄像机对准相应的观察者。如果观察者看到显示器上显示的内容，则显示器可以保持在展开的位置中（如图7中的虚线所示）。如果显示内容不再被当前观看者看到时，显示器可以在另一个方向上旋转，切换到卷起的状态。通过该装置，A柱后方区域的路缘石被显示器显示了出来，由此可以显示位于驾驶员主要视野或次要视野中的信息，提高驾驶安全性。同时，可折叠或滚动的显示器具有更好的防碰撞性。

2.2材料的专利分析

2.2.1高分子材料

高分子材料是当前透明A柱中最常见的材料之一，其具有高强度、高韧性和优异的透明性能。例如，专利号CN204323491U提出了一种使用聚碳酸酯材料制成的透明A柱结构；专利号JP6477286B2提出了一种使用透明树脂材料制成的透明A柱结构。这2种材料都能够在维持A柱强度、不改变A柱支撑保护作用的前提下，克服现有汽车A柱遮挡驾驶者视线的问题，最大限度减少驾驶者视野的盲区。这既提高了驾驶中的安全性，有效減少了事故发生，又实现了方便舒适驾驶。

2.2.2玻璃材料

玻璃材料是另一种常见的透明A柱材料，其特点是重量轻、坚固耐用，同时也具有较好的透光性能。例如，专利号CN110979467A提出了一种基于玻璃材料的透明A柱结构，它是在车身骨架中间安装有透明玻璃材料，骨架与透明玻璃材料之间采用环形卡槽连接。该结构在满足汽车A柱的强度条件下，可以减轻汽车质量，并有效减小了汽车A柱造成的视野盲区，同时在直线行驶中不干扰视线，提高了驾驶安全。专利号DE202013008259U1提出了一种玻璃材料透明A柱（图8），采用有机玻璃或类似的透明材料制成。该结构使得在驾驶室中的A柱变得从内部不可见，且不损害车身的刚度程度。

2.2.3复合材质

复合材质是一类新型的透明A柱材料，具有高强度、高温性和良好的透光性能。例如，专利号CN209617275U提出了一种汽车A柱组件，由透明复合材料制成的A柱本体，结构简单、工艺简便和韧性高，能够使驾驶员视线不受阻挡，消除了盲区，从而提高驾车安全性。又例如，专利号CN106143635A公开了一种透明A柱结构，利用透明高强度阻燃PC和韧性防撞降噪TPU及硬度碳纤维复合材质合成，构成无死角无盲区全景透明工槽弧形A柱结构。

2.3安全性的专利分析

2.3.1抗冲击设计

透明A柱在保证视野的同时，也要考虑其在行车事故中的安全性，因此，许多相关的专利都涉及到了抗冲击设计方案。例如，专利号JP7168459B2提出了一种由纤维增强树脂构成的前立柱结构，该设计利用了特殊的孔状结构和分布，提高整个前柱的抗弯刚度。又例如，专利号KR20220145122A提出了一种具有优异机械强度的车辆透明立柱，在确保驾驶员良好视野的同时，抗冲击强度和耐刮擦性也非常高。

2.3.2气囊保护

气囊是车辆成员安全保护的常规方式之一。在透明A柱部位设置气囊，能够很好地提高汽车透明A柱的安全性。例如，专利号JP6992549B2提出了一种具有头部保护气囊的透明A柱结构，头部保护气囊收在A柱中。事故发生时，该气囊能够在乘员的侧面快速膨胀和展开，并且因此对乘员提供适当的约束。

2.3.3智能感知系统

在驾驶员所有感知系统中，视觉最重要；在所有对驾驶员至关重要的行车信息中，80％以上是透过轿车挡风玻璃和窗户以视觉形式获得的[5]。智能感知系统是当前汽车透明A柱的一个热点研究方向，其利用激光雷达和摄像头等技术，能够实时感知周围环境和车辆状态，提高行车安全性和驾驶者的舒适感。例如，专利号CN110901660A提出了一种基于A柱显示屏的ADAS预警信息提示装置及方法，能够对路况和障碍物等进行精准识别和监测，方便驾驶员准确识别预警内容，提高了用户的驾驶体验感，并提高了车辆驾驶的安全性能。

3创新点与未来趋势

汽车透明A柱作为一种新型设计理念，其在材料、结构和安全性等方面都涌现出了许多创新点。未来汽车透明A柱的发展趋势主要有以下几个方面。

3.1全息投影技术

全息投影技术可以通过将信息投影到A柱上，让驾驶员无需转头或移动眼睛就能获取相关驾驶信息，从而提高驾驶安全性和便捷性；该技术无需对A柱结构进行改造，确保了A柱强度，降低制造成本。

3.2智能化设计

未来汽车透明A柱将更加智能化，通过双向传感器和人工智能等技术，能够实时感知驾驶员和乘客的需求，自动调整透明度和模糊度，提高乘坐舒适性和安全性。

3.3新型材料和结构

A柱材料的選择非常有限。使用透明材料制造A柱面临着由结构技术、结构安全性和成本方面产生的难以克服的许多问题。随着新型材料和结构的不断涌现，未来汽车透明A柱将会更加轻薄、坚固，同时保证了透明度和抗冲击能力。

4结束语

本文通过对透明A柱的专利分析和研究可以发现，其在材料、结构和安全性等方面都不断突破和创新。目前，透明A柱的使用仍未普及，这与透明A柱自身缺陷、驾驶习惯以及智能画面失真或延迟等都有关系。由合众新能源汽车有限公司提出的《乘用车数字透视A柱系统性能要求和试验方法》已按程序完成制定，并于2021年6月1日首次生效。未来，随着技术的不断进步和应用的拓展，汽车透明A柱必将成为汽车领域中的重要趋势和发展方向。