DE1905682A1

DE1905682A1 - Mehrschichtige Windschutzscheibe

Info

Publication number: DE1905682A1
Application number: DE19691905682
Authority: DE
Inventors: Howitt John Stephen
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1968-02-05
Filing date: 1969-02-05
Publication date: 1969-12-04
Also published as: FR1597142A; US3473997A; GB1225941A

Description

Mehrschichtige Windschutzscheibe

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Winschutzscheibe, bestehend aus einer äusseren Glasschicht, einer inneren Glasschicht und einer dazwischenliegenden Kunststoff-Zwischenschicht, die mit wenigstens einer der Glasschichten fest verbunden ist, wobei wenigstens die innere Glasschicht eine, an ihrer Oberfläche verlaufende, durch Druckspannungen verstärkte Schicht aufweist.

Scheiben für Kraftfahrzeuge, insbesondere Windschutzscheiben, werden fast immer aus Glas hergestellt, da dieses durchsichtig ist und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Abriöb und Y/ettereinflüsse besitzt. Konventionell gekühltes (annealed) Glas ist jedoch ein sprödes Material, das gewöhnlich in schaffe, gezackte Stücke bricht. Folglich verursachen Windschutzscheiben für Kraftfahrzeuge, die aus gekühltem Glas hergestellt sind, bei Unfällen häufig Verletzungen.

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Es ist bekannt, Windschutzscheiben aus zwei geschichteten Scheiben gekühlten Glases herzustellen, was die Gefahr von Riss- und Schnittverletzungen durch gezackte Ecken gebrochenen Glases und durch grosse umherfliegende Stücke weitgehend reduziert, da eine Zwischenschicht aus Kunststoff die Glasstücke an Ort und Stelle festhält. Diese Windschutzscheibe ist jedoch immer noch eine der drei oder vier Hauptursachen der Verletzungen.

Verletzungen treten auf, wenn ein Insasse gegen die Windschutzscheibe geworfen wird. Windschutzscheiben aus gekühltem Natronkalkglas brechen leicht, wodurch Gesicht- und Kopfhaut der Insassen scharfen Glasteilen ausgesetzt sind, sogar in Fällen, wo der Kopf die Zwischenschicht aus Kunststoff . nicht durchdringt. Wo Jedoch die Windschutzscheibe auch bei einem heftigen Stoss nicht zerbricht, tritt ein Effekt auf, der als AufprallVerletzung definiert wurde. Aufprallverletzungen sind u.a. Schädelbrüche, Erschütterungen oder Gehirnquetschungen. Die Untersuchung von Personen, die bei Autounfällen gegen die Windschutzscheibe geworfen wurden, hat gezeigt, dass Riss- und SchnittVerletzungen durch gebrochenes Glas weit häufiger sind als Aufprallverletzungen.

Diese Probleme der Riss- und Schnittverletzungen und der Aufprallverletzungen sind seit langem bekannt und viele Vorschläge wurden gemacht, diese zu lösen. C. G. Bragaw, Jr. et al

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haften im US—Patent Nr. 2 946 711 versucht, die Probleme der Aufprallverletzung dadurch zu lösen, dass sie neue und dikkere Zwischenschichten aus Kunststoff verwendeten. G. W. Davis, Sr. hat im US-Patent Nr. 3 282 772 versucht, die Probleme der Ris3- und Schnittverletzungen und der Aufprallverletzungen dadurch zu lösen, dass er innere und äussere Glasschichten verschiedener Dicken verwendete und eine spezifische Beziehung zwischen der Dicke der äusseren Schicht und der kombinierten Dicke der inneren Schicht und der Zwischenschicht aus Kunststoff herstellte. Weitere Beiträge zu diesen Problemen finden sich in "Safety-Glass for Vehicle Windscreens", R. B. Lister, Glass Technology, Volume 2, No. 5, October· 1961, "A Review of the Literature on Injury Potential of Automotive Safety Glass", Chester G. Bragaw, June 1, 1962, E. I. DuPont De Nemours and Company, and "8th Stapp Car Crash and Field Demonstration Conference Wayne", gesammelt und herausgegeben von Lawrence M. Patrick, Wayne State University Press, 1966.

Keiner der zitierten Vorschläge hat jedoch zu einer wirklich braxxchbaren Windschutzscheibe geführt. Einige der vorstehend erwähnten Probleme wixrden durch die Erfindung gelöst, die in der Anmeldung, Serial No. 451,484·, "Composite Vehicle Closure", John R. Blizard, hinterlegt am 28. April 1965, offenbart \tfurde. Die Anmeldung beschreibt eine mehrschichtige Windschutzscheibe, bei der die innere Glasschicht flexibler alf? die äunsere Glasschicht ist und bei der die innere Glasschicht ir. '..'iirfel oder viele feine stumpfe Körner zerbricht,

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während die äussere Schicht in ziemlich grosse Stücke zerbricht. Diese zwei wertvollen Eigenschaften wurden der inneren • Glasschicht dadurch verliehen, dass das Glas einer Verstärkungs-Technik, vorzugsweise einer chemischen Verstärkung, unterworfen wurde. Die Fähigkeit der inneren Schicht, in Würfei zu zerbrechen, hat das Risiko der Riss- und Schnittverletzungen weitgehend reduziert, während die höhere Verstärkung der Scheibe die Widerstandsfähigkeit gegen Durchdringung erhöht hat.

Verstärkte Glaswindschutzscheiben erhöhen aber das Risiko der Aufprallverletzungen: eine Windschutzscheibe mit einer derart hohen Verstärkung, dass sie auch bei heftigstem Aufprall nicht zerbricht, wird zwar keine Riss- und Schnittverletzungen erzeugen, aber trotzdem nicht sehr sicher sein. Die beim Aufprall auf den Kopf einwirkenden Erschütterungskräfte würden hier sicher die Toleranzgrenze überschreiten.

Eine Methode, die zur quantitiven Bestimmung der Faktoren, die Aufprallverletzungen hervorrufen, verwendet wird, ist die Bestimmung der "Härte-Index-Zahl". Über Beiträge zur Herkunft und Entwicklung der Härte-Index-Zahl siehe: (1) "Human Tolerance to Impact Conditions as Related to Motor Vehicle Design" S.A.E. Handbook Supplement J885, 1964 und (2) "Use of a Weighted-Impulse Criterion for Estimating Injury Hazard", nachgedruckt im Dezember I966 durch S.A.E, aus Conference Proceedings, "1Oth Stapp Gar Crash Conference". DieHärte-

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Index-Zahl wird aus der Fläche unter der Kurve "berechnet, die durch Auftragen von Beschleunigungskräften auf den Kopf als Funktion der Zeit erhalten wird. Der so erhaltene numerische Wert wird Härte-Index-Zahl (severity index number = SIN) genannt.

Eine wirklich "brauchbare Windschutzscheibe wird,, wie oben ausgeführt, weder Riss- und Schnittverletzungen noch Aufprallverletzungen erzeugen. Dies erfordert,(1) dass die innere Glasschicht, die mit dem Kopf in Berührung kommt, in feine stumpfe Körner zerbricht und (2) dass der Bruch eintritt, bevor der Kopf Kräften ausgesetzt ist, die ausreichen, Aufprallverletzungen oder Erschütterungen zu verursachen.

Das Brechen in Würfel oder Körner ist dann gewährleistet, wenn das Glas bricht, während es in einem hochgespannten Zustand ist; dieser Zustand wird hervorgerufen, wenn das Glas durch die Belastung des aufprallenden Kopfes gespannt oder gebogen wird. Wenn das Glas jedoch zu stark ist, wird das Durchbiegen so stark und der Moment des Brechens so weit verzögert, dass eine übermässig hohe SIN erzeugt wird und Aufprallverletzungen resultieren. Andererseits treten, wenn das Glas zu schwach ist, Brüche zu schnell auf und das Glas, das nicht hinreichend gespannt oder gebogen wird, bricht in grosse Bruchstücke auseinander. Weiterhin absorbiert es weniger als erwünscht die Anfpral!kraft, bevor diese Kraft durch Einreissen und Durchdringung der KunstGtoff-Zwisohenschioh.t aufgebraucht ist. Aus

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diesen Gründen ist es wesentlich., dass der Bruch, gemäss einer •vorbestimmten Spannungsbelastung in einem genau kontrollierten Moment eintritt. Es wurde jedoch gefunden, dass es praktisch unmöglich ist, "besonders unter Bedingungen der industriellen Produktion, die innere Glasschicht so genau zu verstärken, dass sie auf jeden lall unter der Spannungsbelastung, die Aufprallverletzungen verursacht und Über der Spannungsbelastung, die notwendig ist, um ein feines Brechen mit stumpfen Partikeln zu gewährleisten, "bricht. Zufallsverteilte Sprünge, die in einem Stück vorhanden sind im anderen dagegen nicht, verursachen mehr Festigkeitsunterschiede als toleriert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Windschutzscheite zu schaffen, die ein Zerbrechen bei Überschreiten einer vorbestimmten Spannungsbelastung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die innere Glassehicht mit wenigstens einem Spannungserhöher oder festigkeitsbegrenzenden Mittel an ihrer, an die Kunststoffawisehenschicht angrenzenden Oberfläche versehen ist,

Bezüglich festigkeitsbegrenzender Spannungsbedingungen wird, ohne Einschränkung, auf Timoshenko, Strength of Materials, 2d Ed., verwiesen

Während spannungserhöhende Mittel schon tc*i Anfang an im

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Oberflächenteil in Form von Sprüngen oder Fehlstellen vorhanden sein können, wird eine bessere Kontrolle des Spannungserhöhenden Effekts dadurch erhalten, dass die spannungserhöhenden Mittel durch einen kontrollierten Verfahrensschritt gemäss der Erfindung eingebracht werden.

Das festigkeits'begrenzende Mittel der inneren Schicht der Windschutzscheibe wird wirksam, nachdem das Glas genügend gebogen wurde, um den aufprallenden Körper zu verlangsamen und einen Teil seiner Vorwärtsbewegung zu absorbieren, und nachdem das Glas genügend gespannt wurde, um sein Zerbrechen in seine Körner zu gewährleisten. Wenn die innere Schicht mit einem kontrollierten Sprung- oder Spannungserhöher versehen ist, ist es möglich, das Glas derart zu behandeln, dass in ihm eine hohe Festigkeit erzeugt werden kann und dass in Abhängigkeit von dem Spannungserhöher ein Zerbrechen an der oberen Sicherheitsschwelle verursacht wird. Dieses festigkeitsbegrenzende Mittel kann in der Fläche plaziert werden, wo die Wahrscheinlichkeit des Aufprallens am grössten ist oder es kann nahe der Peripherie des Sichtbereichs und nicht in der normalen Aufprall zone plaziert werden.

Der Spannungserhöher wird an der Oberfläche der inneren Schicht, die an die Kunststoff-Zwischenschicht angrenzt, lokalisiert; diese genannte Oberfläche ist als eingeschlossene Oberfläche bekannt. Wenn die Windschutzscheibe, durch den .Insasseneingedrückt wird, wird die eingeschlossene Oberfläche

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gespannt und die freie Oberfläche der inneren Schicht zusammen gedrückt; soll daher der Spannungserhöher wirksam sein, muss · er in der eingeschlossenen Oberfläche der inneren Schicht
lokalisiert werden. Wenn der Spannungserhöher durch die Kunststoff-Zwischenschicht eingeschlossen ist, wird er weniger
sichtbar. Weiterhin wird durch diese Lokalisation der Spannungserhöher vor chemischer und/oder mechanischer Zerstörung geschützt.

Es ist selbstverständlich, dass die Spannungen in einer
Windschutzscheibe in der Aufprallfläche am höchsten sind und dass sie mit zunehmendem Abstand von der Aufprallfläche
schnell abnehmen. Weiterhin ist die Fläche, in der die, Spannungen auf Grund des Aufpralls maximal sind oder über 90 $
des Maximums betragen, normalerweise klein im Vergleich zur gesamten Windschutzecheibenflache. Die starkgespannte Aufprallfläche kann ein Kreis von ca. 20,3 cm Durchmesser sein. Andererseits existiert eine sehr grosse periphere Fläche, wo die Spannung, auf Grund eines Aufpralls des Kopfes, ca. 20 fo des Maximums beträgt.

Es wurde durch Experimente gefunden, dass, wenn die Spannung in der peripher en Zone auf ein Maximum von ca. 70 ~j:2 (=

dB

14 000 psi) begrenzt ist, die Windschutzscheibe bricht, bevor eine übermässige Belastung des Kopfes eintritt. Es ist anzunehmen, _t dass die Spannungen in der Aufprallfläche ca.

nicht übersteigen sollten, dass aber der Bruch nicht

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bei weniger als ca. t75 ~jj-2 eintreten sollte. Das Brechen der inneren Glasschicht wird daher normalerweise eintreten, wenn

die Spannungsbelastung in der Aufprallzone zwischen 1## und

liegt. Es wurde gefunden, dass künstliche Riss- uder

Spannungserhöher, die entweder in der Aufprallfläche oder der peripheren Zone plaziert werden, das Brechen der inneren Schicht bei Spannungsbelastungen initiieren, die für eine "begrenzte Festigkeit der Windschutzscheibe gewünscht werden.

Wenn der Spannungserhöher oder das festigkeitsbegrenzende Mittel direkt am Aufprallpunkt oder in der unmittelbarefcNähe wirken sollen, würde es notwendig sein, von ihnen eine grosse Anzahl in der Windschutzscheibe zu plazieren, um sicher zu sein, dass, unabhängig von dem Ort des Aufpralls des Kopfes, ein Spannungserhöher oder ein festigkeitsbegrenzendes Mittel wirkt.

Wenn andererseits das festigkeitsbegrenzende Mittel bei einer niederen Spannungsbelastung ausgelöst wird, kann es in der peripheren Fläche plaziert werden und, da diese weniger gespannte Fläche eine grosse Ausdehnung hat, ist es möglich, eines oder einige, z. B. vier oder sechs, dieser Mittel zu verwenden, um Festigkeitsgrössen unabhängig vom Ort des Aufpralls auf die Windschutzscheibe zu kontrollieren.

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Der Spannungserhöher in der peripheren Fläche löst ein geeignetes Brechen auf Grund der Spannung am Aufprallpunkt aus (release). Es wurde gefunden, daß eine Begrenzung der Verstärkung in der peripheren Fläche auf i eine genügend hohe Biegung und Spannung zulässt, um einwandfreies Funktionieren zu sichern. Weiterhin erzeugt der Beginn des Brechens in der peripheren Fläche, also nicht in der Aufprallzone, feinere und stumpfere Bruchstücke in der Aufprallzone. Dies ist natürlich wünschenswert, da dies die primäre Kontaktfläche zwischen Kopf und gebrochenem Glas ist. Es kann selbstverständlich ein geeigneter Spannungserhöher in der zu" erwartenden Aufprallfläche lokalisiert werden und dort im wesentlichen dieselbe Wirkungsweise entfalten, als wenn er in der peripheren Fläche lokalisiert wäre.

Sprünge, die durch Schneiden oder Profilschleifen an der Randzone der Glaswindschutzscheibe erzeugt werden, können ebenfalls als Spannungserhöher wirken und damit Aufprallverletzungen einschränken. Es muss jedoch hervorgehoben werden, daß das Brechen bei diesen Randsprüngen nicht so sicher ist, als wenn der Spannungserhöher in einem Abstand von dem Rand angeordnet ist, ' da diese Randsprünge oft so weit von dem Aufprallpunkt entfernt sind, dass sie ganz geringen Spannungen unterworfen werden. Ausserdem ist die Windschutzacheibe oftmals so fest am Kraftfahrzeugrahmen verankert, dass nur eine geringe Spannwag I an den Rändern erzeugt werden kann. Es ist deshalb empf ehlens- S wert, Spannungserhöher in einem gewissen Abstand von den Händen*

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des Glases zu verwenden.

Es ist begreiflich, dass bei Benützung von Spannungserhöhern in der peripheren Fläche die Festigkeit der inneren Schicht ohne den Spannungserhöher so gross sein muss, dass die zentrale Aufprallzone eine grosse lokale Deformation ausüben kann und so die Spannung zu dem Punkt weiterleiten kann, wo das periphere Bpannungsbegrenzenle Mittel der vorbestimmten Spannung, die seine Auslösung verursacht, ausgesetzt ist.

Auf Grund dieser Fähigkeit, zu kontrollieren, wann und wie das Glas bricht, gehören diese Windschutzscheiben zu den sichersten, die bis jetzt entwickelt wurden (sie sind aus Testversuchen bei der Wayne State University im August I967 hervorgegangen) .

Im feigenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Impulskurve für eine Windschutzscheibe, be- * stehend aus' einer verstärkten inneren Glasschicht und einer gekühlten, und verstärkten äusseren Glasschicht;

Fig. 2 zeigt eine" Impulslrurve für eine Windschutzscheibe, bestehend aus gekühlten, unverstärkten inneren und äusseren Glasschichten;

Fig. 3 zeigt den Spannungsverlauf vom Zentrum der Aufprallfläche zu den Rändern der Windschutzscheibe;

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Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen typischen Spannungserhöher in der eingeschlossenen Oberfläche der inneren Schicht.

Die fundamentale Ausführung der erfindungsgemässen Windschutzscheibe "besteht aus einer verstärkten inneren Glasschicht, einer äusseren Glasschicht, die verstärkt sein kann oder nicht und einer dazwischenliegenden Kunststoff-Zwischenschicht, die wenigstens mit einer Glasschicht verbunden ist. Die Dicke der inneren Schicht kann zwischen ca. 0,15 und 0,25 cm variieren, beträgt aber vorzugsweise ca. 0,18 cm. Innere Schichten mit einer Dicke von weniger als 0,15 cm brechen leicht, so dass sie unpraktisch sind, während verstärkte innere Schichten mit einer Dicke von mehr als 0,25 cm sich weniger biegen, beim Brechen mehr schneidende Bruchstücke ergeben und eine grössere Gefahr für Aufprallverletzungen bilden. Die äussere Schicht ist gewöhnlich ca. 0,25 cm dick, kann jedoch zwischen ca. 0,21 und 0,30 cm dick sein. Eine Kunststoff-Zwischenschicht ist mit der inneren und/oder äusseren Schicht verbunden. Die Kunststoff-Zwischenschicht ist, im Einläang mit den handelsüblichen Ausführungsformen, gewöhnlich eine Scheibe vom ca. 0,07 cm Dicke aus Polyvinylbutyral. Es wurden verschiedene Untersuchungen angestellt, die verschiedenen Dicken und chemischen Zusammensetzungen von Zwischenschichten, die für Windschutzscheiben geeignet sind, zu bestimmen. Als Beispiel sei genannt "Break Properties of Safety Glass as a Function of Gauge of Interlayer", Monsanto Chemical Company, 21. September 1960. Obwohl.

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erfindimgsgemäss eine Zwischenschicht mit einer Dicke von 0,07 cm aus Polyvinylbutyral vorgeschlagen wird, können je nach Verwendungszweck Zwischenschichten anderer Dicken und Zusammensetzungen verwendet werden. Die Kunststoff-Zwischenschicht wird durch die üblichen Techniken mit der inneren und/oder äusseren Schicht verbunden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindüngsgemässen Windschutzscheibe wird eine innere Schicht aus Alkalimetallaluminosilikat-Glas verwendet, die gemäss dem im britischen Patent Nr. 966 733 beschriebenen Verfahren verstärkt wurde. Gemäss diesem Patent wird ein Alkalimetall-aluminosilikat-Glas mit einer Alkalimetallionen-Quelle verbunden, wobei diese Alkalimetallionen einen grösseren Radius als die ursprünglichen Alkalimetallionen des Glases aufweisen. Dieses Verfahren wird bei erhöhter Temperatur unterhalb des Verformungspunktes des Glases durchgeführt. Bs wird also z.B. Lithiumaluminiumsilikat-Glas mit Natriumionen und Natriumaluminiumsilikat-Glas mit Kaliumionen behandelt. Durch dieses Verfahren werden die kleineren Alkalimetallionen in der Oberflächenschicht des Glases durch die grösseren Alkalimetallionen der äusseren Ionenquelle ersetzt. Dieser Ionenaustausch bedingt, dass die grösseren Ionen innerhalb der Oberflächenschicht des Glases, die zuvor von den kleineren Ionen besetzt war, zusammengedrängt werden und dadurch Druckspannungen in der Schicht erzeugen, da bei Temperaturen unterhalb des Verformungspunkteβ kein wesentlicher viskoser Fluss in dem Glas herrscht, der diese Spannungen .

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gleichen könnte. Um einen Ausgleich der in der Oberflächenschicht erzeugten Druckspannungen herzustellen, tritt im Glaskern eine Dehnungsspannung auf. Die druckgespannte Oberflächen

• - ■

schicht erhöht auf diese Weise die Festigkeit des Glases zu einem sehr hohem G-rad.

Es ist in der Glas-Technologie bekannt, dass frischgezogene Glas-Fasern, -röhren, -folien etc. eine sehr hohe mechanische Festigkeit aufweisen, dass aber deren Oberfläche durch Benutzung oder chemische Verwitterung beschädigt wird, so dass deren grosse Festigkeit stark reduziert wird. Tatsächlich zeigen im wesentlichen alle gekühlten Gläser, unabhängig von ihrer Zusammensetzung einen Bruchmodul zwischen ca. £f. und was auf die Empfindlichkeit der Festigkeit gegen Oberflächenbeschädigungen zurückzuführen ist. Da im Grossen und Ganzen alle Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemässen Windsehutzscheiben Oberflächenabrieb und Wettereinflüsse nach sich ziehen, muss eine permanente oder praktische Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Windschutzscheibe nach wenigstens massigem Oberflächenabrieb erhalten bleiben. Erfahrungsgemäss sollte die Tiefe der durch das Ionenaustauschverfahren hergestellten Oberflächenschicht mindestens 0,005 cm, vorzugsweise aber ca. 0,013 cm sein, um sicher zu sein, dass die Scheiben auch nach den notwendigen Handhabungen und den Beschädigungen beimGebrauch noch eine genügend hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Da die Geschwindigkeit der Ionendiffusion von der Temperatur, die bei der Reaktion verwendet wird, abhängig ist,

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kann festgestellt werden, dass die Tiefe der Oberflächenschicht eine Funktion der Dauer und Temperatur der Reaktion ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine Glasscheibe, die im wesentlichen aus ca, 61,4 $ SiO₂, 12,7 fo Na₂O, 3,6 # K₂O, 3,7 $ MgO, 0,2 $ OaO, 16,8 <fo Al₂O,, 0,8 fo TiO₂ und 0,8 $ As₃O₅ (Gewichtsprozente auf Oxidbasis) besteht, in ein Bad aus geschmolzenem 100$igen KNO, bei 525° C eingetaucht und darin 4,5 Stunden gehalten. Die Kaliumionen des geschmolzenen Salzes ersetzen die Natriumionen in der Glasoberfläche und erzeugen eine druckgespannte Oberflächenschicht von annähernd 0,013 cm Dicke, Bruchmodulmessungen haben gezeigt, dass nach massigem Oberflächenabrieb Druckdehnungen von ca. 2§Q bis p erhalten werden.

Es wurde gefunden, dass en nicht notwendig ist, dass die äussere Hchicht der Windschutzscheibe dieselbe Zusammensetzung wie die innere Schicht aufweist, da die äunsere Schicht der Winschutzscheibe /rewöhnlioh nicht verstärkt ist, Is ist nur erforderlich, dass die beiden Gläser bei den Herstellungsopera ticnen-und bei der.Verwendung verträglich sind.

Die Ionen-austausch-Verstärkungstechnik ist der langbekannten thermischen Tenperuncstechnik aus zwei Gründen vorzuziehen:

(1) können höhere mechanische Festigkeiten erzeugt werden und

(2) ist es schwierig, beim thermischen Tempern derart dünner

G las schicht en das \7erfen und Verkrümmen zu kontrollieren. Nichte

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destoweniger ist eine thermisch getemperte innere Schicht für die Erfindung "brauchbar.

Fig. 1 stellt eine Impulskurve dar für eine Windschutzscheibe, wie sie oben beschrieben wurde, und zwar ohne einen Spannungserhöher. Die Kurve veranschaulicht "die Kraft, die auf den Kopf eines Insassen wirkt, der bei einem Verkehrsunfall bei hoher Geschwindigkeit gegen das Glas schlägt. Die Zeit vom Moment des Kontaktes bis zum Moment der Entlastung auf Grund des Brechens des Glases beträgt ca. 0,012 Sekunden. Die aus der Fläche unter der Kurve berechnete SIIT der Windschutzscheibe ist sehr hoch, zeigt also, dass diese Windschutzscheibe Aufprallverletzungen hervorrufen würde. Zum Vergleich zeigt die Fig. 2 die Impulskurve für eine typische Windschutzscheibe, bei der die innere und die äussere Schicht aus gekühltem Glas besteht. Die SIN für die Windschutzscheibe aus gekühltem Glas ist relativ klein, zeigt also, dass kaum Aufprallverletzungen entstehen können. Man muss sich jedoch stets vergegenwärtigen, dass die Windschutzscheibe aus gekühltem Glas schwere Riss- und Schnittverletzungen verursachen kann, was bei der verstärkten Windschutzscheibe nicht der Fall ist. Es ist deshalb anzustreben, für die verstärkte Windschutzscheibe eine relativ niedere SHI zu haben, so dass hier in ähnlicher Weise kaum Aufprallverletzungsprobleme auftreten. Erfindungsgemäss wurde gefunden, dass dies dadurch erreicht werden kann, dass die verstärkte Windschutzscheibe bei einer vorbestimmten Spannungsbelastung bricht, die so gewählt wird, dass die Beschleunigungs-'

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krä£te und ihre Dauer so begrenzt sind, als es notwendig ist, eine SIN zu gewährleisten, die keine Aufprallverletzungen verursacht. Im Jail des "beschriebenen Windschutzscheibenglases trat der Bruch auf diese Weise ca. 0,03 bis 0,05 Sekunden nach dem Aufprall ein. Das Brechen der Windschutzscheibe, das seinen Ausgang bei einem festigkeitsbegrenzenden Mittel oder einem Spannungserhöher nahm, trat nicht ein, bevor das Glas an der Aufprallfläche auf eine Belastung gespannt war, die ein Brechen in feine Körner gewährleistete.

Durch das Brechen der inneren Schicht der Windschutzscheibe 0,03 bis 0,05 Sekunden nach der ersten Berührung werden also sowohl Aufprallverletzungen als auch Riss- und Schnittverletzungen weitgehend vermieden. Es soll noch einmal betont werden, dass die 0,^3 bis 0,05 Sekunden für die obenbeschriebene Windschutzscheibe vorzuziehen sind; werden jedoch die physikalische* Kennzeichen der Windschutzscheibe, der Verstärkungsgrad oder die Glaszusammensetzung geändert, ist der Spannungserhöher entsprechend zu ändern, so dass das Brechen früher oder später ausgelöst wird.

Das Brechen der inneren Schicht bei einer vorbestimmten Spannungsbelastung kann kontrolliert werden durch das Anbringen von wenigstens einem Spannungserhöher in der zu erwartenden peripheren Zone in der eingeschlossenen Oberfläche der inneren Scheibe. Bin Spannungserhöher reicht gewöhnlich aus, das gewünschte Brechen zu verursachen. Ee kann jedoch, je nach Ge-

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stalt der Windschutzscheibe und dem Ort der zu erwartenden Spannungsfelder notwendig sein, verschiedene Spannungserhöher zu verwenden, um zu gewährleisten, dass wenigstens einer wirkt, wo auch immer der Kopfaufprall eintritt. Auf Grund des Aufpralls beginnt sich die innere und die äussere Schicht zu "biegen und die Spannung wächst am Punkt des Aufpralls sehr schnell. Die äussere Scheibe bricht fast unmittelbar, da sie unverstärkt ist bzw. da sie in jedem Fall sehr viel schwächer als die innere Scheibe ist. Der Bruch der äusseren Schicht ist bezüglich der Aufprallverletzung nicht besonders bedeutsam, was durch Punkt A auf der Kurve der Mg. 1 angedeutet ist. Die äussere Schicht bricht in bekannter V/eise in grosse Bruchstücke. Würde die äussere Schicht durch einen Stein von der Strasse getroffen werden, würde sie in bekannter Weise lokalisierte Quetschstellen davontragen oder in grosse Bruchstücke zerbrechen und auf diese Weise nicht die Sicht des Fahrers beeinträchtigen. Nach dem Brechen der äusseren Schicht biegt sich die innere Schicht weiter und die Spannung erhöht sich weiter. Da die Spannung am Aufprallpunkt wächst, wachsen auch die Spannungen in der peripheren Fläche, wo sich die Spannungserhöher befinden. Wenn äas, den Spannungserhöher umgebende, Spannungsfeld ca. 4<θ bis ?θ kp/cm erreicht hat, bricht die innere Schieb. wobei das Brechen am Spannungserhöher beginnt und sich fast augenblicklich zur Aufprallfläche fortsetzt. Der Widerstand des Glases gegen die Vorwärtsbewegung des Kopfes hört plötzlich auf, die Beschleunigungskräfte fallen schlagartig und der SIN-Wert wird auf diese Weise auf einen relativ niederen Wert begrenzt.

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Die beste Plazierung für den Spannungserhöher oder für die Spannungserhöher ist in den HauptSpannungsfeldern, die von den Aufprallpunkten strahlenförmig ausgehen. Die La&e dieser Felder variiert von Windschutzscheibe zu Windschutzscheibe auf Grund unterschiedlicher Grossen, Konturen, Winkeln, Montageverfahren usw. Die Lage der Felder kann durch Spannungsanalyse, Hart-Überzugspannen oder photoelastische Spannungsmessungen bestimmt werden. Auf Grund der Stellung der Windschutzscheibe in dem Kraftfahrzeug ist es, wie oben beschrieben, vorteilhaft, den Spannungserhöher in der oberen Hälfte der Windschutzscheibe zu plazieren. Eine sehr geeignete Stelle für die Anbringung eines Spannung3erhöhers ist die Stelle hinter dem Rückspiegel.

Der Spannungserhöher soll nicht so tief sein, dass er die druckgespannte Oberflächenschicht durchdringt. Wenn der Spannungserhöher die druckgespannte Oberflächenschicht durchdringt, wird die Festigkeit der gesamten Schicht stark reduziert und eventuell sogar unter die normale Festigkeit dee Glases geschwächt, da der Spannungserhöher in die dehnungsgespannte Innnnschicht eindringt. Durch die Durchdringung der druckgespann-

ten Oberflächenschicht gehen die vorteilhaften Effekte des Verstärkens und des Spannungserhöhers verloren. Erfindungsgemäf wird daher normalerweise versucht, die minimale Bruchspannungebelastung in der peripheren Fläche bei etwa 4Θ" kp/cm zu haltest für aie vorzugsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Windschutzscheibe liegt daher der Spannungsbereich, in dem das Brechen beginnt, zwischen A-Q- und ?3 kp/cm .

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Die Bruchspannungsbelastung in der Aufprallfläche muß wenigstens 2460 kp/cm² betragen und sollte ca. 4921 kp/cm² nicht

übersteigen. Wenn der Bruch eintritt, bevor 2460 kp/cm erreicht sind) wird weder das Zerbrechen in feine Körner noch die gewünschte Energieabsorption erhalten. Andererseits können Aufprallverletzungen auftreten, wenn die Spannung 4921 kp/cm übersteigt. Bei der vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windschutzscheibe wird angestrebt, die maximale Bruchspannungsbelastung in der Aufprallfläche auf ca. 3515 kp/cm zu begrenzen. Es wurde gefunden, daß die Bruchspannung in der Aufprallfläche richtig aufrechterhalten werden kann durch Kontrollieren der Bruchspannungsbelastung in der peripheren Fläche in dem vorstehend erwähnten Bereich zwischen 562 und 984 kp/Cm Fig. 3 zeigt die Spannungsverteilung, bezogen auf die Entfernung von der Aufprallfläche für eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Windschutzscheibe. Kurve 1 zeigt die maximal erlaubte Spannung in der Aufprallfläche; Kurve 2 zeigt die minimale Spannungsbelastung und Kurve 3 zeigt die bevorzugte Spannungsverteilung. In Kurve 3 beträgt die maximale Spannung in der Aufprallfläche ca. 3515 kp/cm², während die Spannung in

der peripheren Fläche ca. 668 kp/cm beträgt.

Es wiMe gefunden, daß die Tiefe des Spannungserhöhers in dem vorzugsweisen Alkalimetall-aluminosilikat-Glas, das mit dem erfindungsgemäßen bevorzugten Verfahren behandelt wurde, wenigstens ca. 50 % der Gesamttiefe der druckgespannten Schicht sein muß; der Spannungserhöher soll aber die druckgespannte

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Schickt nicht ganz durchdringen. Wo also die Tiefe der druckgespannten Oberflächenschicht ca. 0,005 cm beträgt, wird ein Spannungserhöher mit einer Tiefe von ca. 0,003 cm benötigt, während bei einer druckgespannten Schicht von 0,0125 cm Dicke ein Spannungserhöher von ca. 0,006 cm Tiefe notwendig ist.

Wenn die Tiefe des Spannungserhöhers weit weniger als 50 % der Tiefe der druckgespannten Schicht beträgt, wird das Brechen der inneren Scheibe nicht bei der bevorzugten 562 bis 984 kp/cm Belastung initiiert.

Die folgende Tabelle zeigt die Wirkung der Tiefe des Spannungserhöhers. Sine 0,18 cm dicke innere Scheibe der oben beschriebenen Zusammensetzung wurde bei 525° 0 4 1/2 Stunden lang in geschmolzenes KNO, eingetaucht und so eine druckgespannte Oberflächenschicht von ca. 0,0127 cm erhalten} dann wurde ein Spannungserhöher durch ein Schleifgebläse geschaffen, das in eine Oberfläche der Scheibe eine Vertiefung von 7,6/40,6 cm Durchmesser schnitt. Das Gebläse bestand aus einem 180-Al₀O-,-Griess in einem 2,4 - 2,8 kp/cm² Luftstrom. Die Festigkeit der gekühlten, unverstärkten Glasscheibe lag zwischen 492 und 527 kp/cm².

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Tabelle I

Tiefe in cm Bruchspannung in kp/cm

0,0025 · 2600

0,0050 ' 1547

0,0076 668

0,0100 527

0,0127 527

0,0159 527

Es ist günstig, daß die Wirksamkeit des Spannungserhöhers nicht nur von der Tiefe abhängig ist, sondern auch vom Volumen, das seinerseits mit dem Querschnitt in Beziehung steht. Dies geht klar aus Tabelle II hervor, wo dasselbe Glas, das gemäß der in Tabelle I heschriebenen Weise verstärkt wurde, einem Schleifgebläse ausgesetzt wurde, das Spannungserhöher mit· verschiedenen Durchmessern erzeugte. Die Tiefe des Spannungserhöhers war in gedem Beispiel 0,0076 cm

Tabelle II

jr-Durchm«
in cm

Spannungserhöher-Durchmesser Bruchspannung kn kp/cm

0,158 963

0,318 668

0,476 668

0,635 506

1,27 506

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I -It

If f ι 4 ι

Der Querschnitt des Volumens des Spannungserhöhers, der zur

Initiierung des Bruchs bei der gewünschten 4ö'"bis ?θ kp/cm Belastung benötigt wird, hängt natürlich von der Tiefe der Iruokgespannten Schicht ab, die in der Glasscheibe durch das Ionenaustauschverfahren erzeugt wurde. Wo also die Tiefe der druckgespannten Schicht nur ca. 0,005 cm beträgt, war ein Spannungserhöher mit einem Durchmesser von ca. 0,025 cm wirksam, der durch blosses Aufpressen eines gehärteten Stahlkern-Schlagwerkzeugs auf die Oberfläche der Glasscheibe in Form einer Einpressung von ca. 0,00254 cm Tiefe erzeugt wurde. Während dieser Durchmesser von 0,025 cm als praktisches Minimum betrachtet wird, wobei 0,318 bis 0,476 cm zu bevorzugen sind, ist es möglich, eine Gruppe von Spannungserhöhern mit viel kleinerem Durchmesser in der Scheibe anzubringen; wenn diese Spannungserhöher in geringem Abstand voneinander angebracht sind, ergeben sie denselben Effekt wie ein einzelner erfindungegemäaeer Spannungserhöher; als weitere Alternative kann ein Diamandkratzer in der Glasoberfläche angebracht werden. Während Spannungserhöher mit Durchmessern von ca. 1,27 ca sich als wirksam erwiesen haben, wobei diese Ausführungsform als das vernünftige Maximum gflt, ist es möglich, dass bei einer geeignete* Kombination der Tiefe der druckgespannten Schicht und der fiefit¹ des Spannungserhöhers, noch grössere Durchmesser ferwendet werden können. Auf jeden Fall ist ansttneheen, das» ifreh Kontrolle

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der Tiefe der druckgespannten Schicht durchdringen muß und daß er diese nicht vollständig durchdringen darf.

Wenn das Glas mit einer tieferen druckgespannten Schicht versehen wird, wird die Wirkung eines Spannungserhöhers bestimmter Tiefe vermindert. Es wurde z.B. ein Spannungserhöher mit einem Durchmesser von 7,6/40,6 cm und einer Tiefe von 0,0076 cm in einer 0,18 cm dicken Glasscheibe, die verschieden dicke druckgespannte Schichten aufwiesen, angebracht. Sie wurden zum Brechen gebracht; die erhaltenen Eesultate sind aus der folgenden Tabelle III zu ersehen.

	0203	Tiefe in cm	T a b e	lie III	kp/cm
	0127		der Schicht	Bruchspannung ,in
Annähernde	0089			1877
o,				668
0,		513
0,

Obwohl nur ein Verfahren zur Herstellung eines Spannungs erhöher £ beschrieben wurde, können verschiedene andere Verfahren verwendet werden; so z.B. Bohren, Ätzen oder Schleifen. Obwohl ein zylindrischer Spannungserhöher-typ als bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungserhöhers beschrieben wurde, können andere Formen, wie etwa konische, V-förmige usw. verwendet werden.

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Pig. 4 zeigt einen Querschnitt eines typischen zylindrischen . Spannungserhöhers, 11, wie er durch die Schleifgebläsetechnik hergestellt wird. Die punktierten Streifen der Pig. 4 (13, und 15) bedeuten die druckgespannten Schichten der inneren Glasschicht. Zwischen diesen befindet sich die nichtbehandelte Innenschicht 17. Der Spannungserhöher 11 durchdringt mehr als 50 ^c/o der druckgespannten Schicht 13, durchdringt diese aber nicht bis in die unbehandelte Schicht 17.

Es ist also auf Grund der physikalischen Kennzeichen der Windschutzscheibe .fürden Pachmann ohne weiteres möglich, die Lokalisierung, Grosse, Tiefe und die anderen Kennzeichen eines Spannungserhöhers zu bestimmen, der notwendig ist, ein Zerbrechen der inneren Schicht bei einer bestimmten Spannungsbelastung und zu einer bestimmten Zeit zu verursachen. Neben den obenaufgeführten empirischen Daten lehrt die klassische Mechanik die Berechnung der verschiedenen Wirkungen von Spannungs erhöhern.

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Claims

Patentansprüche:

1. !Mehrschichtige Windschutzscheibe, bestehend aus einer äußeren irlasschicht, einer inneren Glasschicht und einer dazwischen liegenden Kunststoff-Zwischenschicht, die mit wenigstens einer der Glas schicht en fest verbunden ist, wobei wenigstens die innere Glasschicht eine, an ihrer Oberfläche verlaufende, durch Druckspannungen verstärkte Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Glasschicht, um ein Zerbrechen bei Überschreiten einer vorbestimmten Spannungsbelastung zu gewährleisten, mit wenigstens einem Spannungserhöher oder festigkeitsbegrenzenden Mittel an ihrer, an die Kunststoff-Zwischenschicht angrenzenden Oberfläche versehen ist.

2· Mehrschichtige Windschutzscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Spannungsbelastung in der Aufprallfläche zwischen *?5 und 550 £*j2 liegt.

3· Hehrschichtige Windschutzscheibe nach den Ansprüchen 1 und 2_t dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs erhöher in der peripheren Fläche lokalisiert ist.

4· Hehr schichtige Windschutzscheibe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungserhöher

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in der peripheren Fläche das Brechen der inneren Schicht bei einer Spannungsbelastung in der peripheren Fläche von-4© bis ?β »2 verursacht.

5. Mehrschichtige Windschutzscheibe nach den Ansprüchen

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungserhöher im oberen Teil der inneren Schicht lokalisiert ist.

6. Mehrschichtige Windschutzscheibe nach den Ansprüchen

1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die innere Glasschicht eine Dicke von ca. 0,15 bis 0,25 cm und die äußere Glasschicht eine Dicke von ca. 0,22 bis 0,30 cm aufweist.

7. Mehrschichtige Windschutzscheibe nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungserhöher wenigstens 50 jC der druckgespannten Schicht durchdringt, diese aber nicht vollkommen durchdringt.

8. Mehrschichtige Windschutzscheibe nach den Ansprüchen

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungserhöher wenigstens 0,0025 cm tief ist und einen Durchmesser von wenigstens 0,0254 cm hat.

9. Mehrschichtige Winschutzscheibe nach den Anspiüchen

1 bis 7t dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungserhöher 0,005 bis 0,016 cm tief ist und einen Durchmesser von 0,318 bis 0,476 cm hat.

10. Mehrschichtige Windschutzscheibe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungserhöher im oberen Teil der inneren Schicht lokalisiert ist·

11. Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Windschutzscheibe nach Anspruch 1, bestehend aus einer äußeren Glasschicht, einer inneren Glasschicht und einer dazwischen liegenden Kunststoff-Zwischenschicht, die mit wenigstens einer der Glasschichten fest verbunden ist, wobei wenigstens die innere Glasschicht eine, an ihrer Oberfläche laufende, durch Druckspannungen verstärkte Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß, um ein Zerbrechen bei Überschreiten einer vorbestimmten Spannungsbelastung zu gewährleisten, in die, an die Kunststoff-Zwischenschicht angrenzende Oberfläche der inneren Glasschicht wenigstens ein Spannungserhöher eingebracht wird·

12. Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Windschutzscheibe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungserhöher in die periphere Fläche der inneren Schicht eingebracht wird.

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