DE1954920C3

DE1954920C3 - Windschutzscheibe aus Verbundglas

Info

Publication number: DE1954920C3
Application number: DE1954920A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Pilkington Brothers Ltd
Current assignee: Pilkington Group Ltd
Priority date: 1968-10-31
Filing date: 1969-10-28
Publication date: 1981-10-08
Also published as: BE741115A; FI50704B; GB1283695A; FI50704C; CH543458A; DE1954920B2; AT308308B; ZA697584B; DE1954920A1; DK144245B; DK144245C; IE33610L; FR2022074A1; IE33610B1; LU59735A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Windschutzscheibe aus Verbundglas der im Patentanspruch angegebenen Gattung.

Die in einigen Ländern seit langem vorgeschriebenen Windschutzscheiben aus Verbundglas, bestehend aus zwei durch eine Kunststoff-Zwischenschicht großflächig miteinander verbundenen Glasscheiben, haben gegenüber Windschutzscheiben aus vorgespanntem Einscheiben-Sicherheitsglas eine Reihe von Vorzügen. Zu diesen bekannten Vorzügen gehören eine höhere Bruchfestigkeit gegenüber z. B. durch vorausfahrende Fahrzeuge hochgeschleudi. rten Steinen und eine gewisse Nachgiebigkeit z. B. beim Aufprall ein°s Kopfes gegen die Innenfläche der Windschutzscheibe. Die Nachgiebigkeit wird verursacht durch die Verb'-ndwirkung und das Verformungsverhalten der Kunststoffzwischenschicht, die eine plötzliche Zersplitterung der gesamten Windschutzscheibe in quaderförmige Bruchstücke verhindert. Aufgrund der artspezifischen Bruchstruktur einer Verbundglasscheibe bleibt die Durchsicht auch nach Auftreffen z. B. eines größeren Steins weitgehend erhalten, so daß die Fahrt nicht abgebrochen werden muß. Nachteilig bei einer herkömmlichen Verbundglav scheibe sind jedoch die relativ häufigen Kopf- und Gesichtsverletzungen eines Insassen bei Unfällen. Durch den Aufprall des Kopfes auf die Windschutzscheibe zerbricht die innere Glasscheibe in relativ große scharfkantige Splitter, welche in dem an der Scheibe nach unten rutschenden Kopf oder Gesicht schwerste Schnittverletzungen hervorrufen.

Zur Verringerung dieser Verletzungsgefahren ist eine Windschutzscheibe aus Verbundglas bekannt (FR-PS 15 22 229), bei der die äußere Glasscheibe bei Steinschlägen eine ausreichende Durchsicht für den Fahrer gewährleistet, und bei welcher die fahrzeuginnere Scheibe eine so hoch gesteigerte Bruchfestigkeit und elastische Verformbarkeit besitzt, daß sie beim Auftreffen des Kopfes eines Fahrzeuginsassen nicht zerbricht. Nur bei sehr schweren Zusammenstößen soll die innere Scheibe in eine Vielzahl kleiner Bruchstücke und die Außenscheibe in größere Splitter zerfallen. Zur Erzielung der für diese Eigenschaften notwendigen hohen Bruchfestigkeit von ca. 4100 bis 5450 kg/cm² der inneren Glasscheibe wird diese einer chemischen Härtungsbehandlung unterworfen, bei welcher während einer vier- bis fünfstündigen Tauchbehandlung in einem ca. 450⁰C heißen Bad ein Ionenaustausch von größeren Kaliumionen aus der Schmelze gegen kleinere Natriumionen aus den Oberflächenschichten der Scheibe stattfindet. Durch den größeren Raumbedarf der Kaliumionen erfolgt eine intensive Verdichtung der Oberflächenschichten unter Ausbildung hoher Druckspannungen, In der praktischen Erprobung hat es sich jedoch gezeigt, daß eine derartige Windschutzscheibe aufgrund der elastischen Verformungseigenschaften und der sehr hohen Festigkeit ihrer inneren Glasscheibe eine erhöhte Gefahr von schweren Schädelvfirletzungen besteht. Im Zuge der weiteren Entwicklung dieser bekannten Verbundglasscheibe, sah man sich gezwungen, am Scheibenrind der Scheibe besondere Bruchauslöser, sogenannte Trigger, vorzusehen. Beim Aufschlagen eines stumpfen Körperteils, z. B. des Kopfes soll die Innenscheibe zuerst im Bereich dieser als Kerben ausgebildeten Bruchauslöser brechen. Aufgrund der Anordnung dieser Bruchauslöser am Scheibenrand erfolgt ein großflächiges Ausbrechen der inneren Glasscheibe, ohne daß diese in die ursprünglich angestrebten kleinen Bruchstücke zerfallen kann. Die mehrstündige chemische Behandlung sowie die zusätzliche Ausbildung der Bruchauslöser sind Ursachen für einen technischen Aufwand, welcher bisher dem praktischen Einsatz derartiger Windschutzscheiben entgegenstand.

Aus der US-PS 19 76 915 ist ferner eine Verbundglasscheibe aus zwei jeweils ca. 2,5 mm sttrken Glasscheiben und einer Zwischenlage bekannt, bei welcher beide Glasscheiben thermisch derart verfestigt sind, daß sie bei einem Bruch nicht in feine Granulatkrümel sondern in größere Bruchstücke zerfallen. Bei Verwendung dieses Verbundglases als Windschutzscheibe werden diese angestrebten großen Bruchstücke beim Aufschlagen eines Kopfes gegen die Innenscheibe wiederum zu den bereits angesprochenen tiefen Gesichtsverletzungen führen.

Aus der DE-PS 10 34 333 ist schließlich ein Verfahren zum Vorspannen dünner erwärmter Gläser durch Eintauchen in organische Kühlbäder bekannt, bei welchem die vorzugsweise aus niedt rgsiedenden halogenierten Kohlenwasserstoffen bestehenden Kühlbäder vor dem Eintauchen des Glaskörpers auf zumindest annähernd Siedetemperatur erwärmt worden sind. Durch diese Aufheizung der Kühlbäder wird erreicht, daß sich um den eintauchenden heißen Glaskörper eine längere Zeit anhaltende Gasphase bildet, die den Wärmeübergang vom Glas auf die Flüssigkeit beim Eintauchen verringert und damit übermäßige Spannungskonzentrationen in den Glasoberflächen verhindert.

Darüber hinaus ist es z. B. aus der Zeitschrift des VDI, 1933. S. 615 bis 618. seit langem bekannt, daß auch dünne Glasscheiben von 3 mm Wandstärke thermisch bis auf eine Zugspannung im zentralen Bereich von ca. 420 kg/cm² vorgespannt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windschutzscheibe aus Verbundglas der angegebenen Gattung so auszubilden, daß bei Aufrechterhaltung ihrer ausreichenden Durchsichtigkeit bei Steinschlag die Gefahren von Kopfverletzungen eines Insassen durch Aufprall gegen die Scheibe sowie Schnittverletzungen durch Glasscherben wesentlich verringert werden.

Die relativ geringe Festigkeit der nicht oder nur gering vorgespannten äußeren Glasscheibe bewirkt, daß bei Auftreffen eines Steins nur ein engbegrenzter Schalenbruch erfolgt. Beim Aufschlagen eines Kopfes gegen die Innenscheibe bricht zuerst die weniger elastisch verformbiare Außenscheibe in relativ große

Scherben. Erst nach diesem Bruch beginnt unter gleichzeitiger Auswölbung der Zerfall der Innenscheibe in eine Vielzahl kleinster stumpfkantiger Bruchstücke, Aufgrund der geringen Wandstärke der Innenscheibe sowie der Kleinheit und gegenseitigen Verzahnung der Glaskrümel, bleiben diese an der sich plastisch verformenden Zwischenschicht haften, so daß die Anzahl und Tiefe von Schnittverletzungen am Kopf oder Gesicht durch frei vorstehende Bruchstücke drastisch vermindert ist ι ο

Versuche haben gezeigt, daß die Anzahl und Tiefe von Gesichtsverletzungen bei Verwendung der erfindungsgemäßen Windschutzscheibe gegenüber Scheiben aus herkömmlichem Verbundglas um mehr als 95% vermindert werden konnten.

Durch die bleibende Verformung der Verbundglasscheibe wird ferner ein relativ hoher Anteil der vom aufschlagenden Kopf auf die Glasscheibe ausgeübten Stoßenergie absorbiert, und zwar einmal aufgrund der auf den Aufschlagsbereich örtlich begrenzten bleibenden Verformung der Glasscheibe und zum anderen durch die Verzahnungswirkung der Vielzahl kleinster Bruchstücke. Die bei gattungsgleichen Verbundglasscheiben mit hochfester Innenscheibe unvermeidbaren hohen Verzögerungsspitzen treten bei der Verbundglasscheibe gemäß der Erfindung nur in sehr viel kleineren Größenordnungen auf.

In der Zeichnung ist ein Teilschnitt durch eine Windschutzscheibe nach der Erfindung dargestellt.

Eine Glasscheibe I₁ beispielsweise einer Dicke von 2 mm, wird gehärtet. Die Glasscheibe 1 wird hierzu mittels Zangen in einem senkrechten Ofen aufgehängt und in diesem auf eine Temperatur zwischen 600 und 75O°C, vorzugsweise zwischen 640 und 690⁰C, erhitzt.

Sobald das Glas diese Temperatur gleichmäßig über seine Dicke angenommen hat, wird die Glasscheibe schnell mit gesteuerter Geschwindigkeit zwischen zwei feste Kühlkasten abgesenkt, die Kühlluft von Raumtemperatur gleichmäßig auf beide Flächen der Glasscheibe lenken, während diese an den Kühlkästen vorbeibewegt wird.

Die Anfangstemperatur der Glasscheibe und ihre Durchtrittsgeschwindigkeit zwischen den Kühlkasten bestimmen das Ausmaß der Härtung in dieser Vorkühlstufe. Jeder Teil der Glasscheibe kann der Kühlluft für eine Zeit zwischen 0,7 bis 5 Sekunden ausgesetzt sein. Beim Austritt aus der Vorkühlstufe ist gewöhnlich die Temperatur an den Außenflächen um etwa 60 bis 8O⁰C gesunken.

Die Glasscheibe 1 wird weiter fortbewegt und in eine so Kühlflüssigkeit getaucht, die in einem Behälter enthalten ist und eine Wärmeübergangszahl zwischen 0,0035 und 0,06 cal cm-² "C-' see-' aufweist. Als Kühlflüssigkeit kann beispielsweise Schmieröl, vegetabiles öl, ein geschmolzenes Metall, wie Zinn oder eine Zinnverbindung, verwendet werden. Die Kühlflüssigkeit ist auf eine Temperatur zwischen 45 und 100⁰C eingestellt.

Die zum Teil gehärtete Glasscheibe 1 wird beim Eintauchen in die Kühlflüssigkeit kräftig abgekühlt und verbleibt in dieser, bis sich ihre verhältnismäßig hohe Temperatur beim Eintritt in die Kühlflüssigkeit auf die Temperatur der Kühlflüssigkeit erniedrigt hat. Danach wird die Glasscheibe aus dem Behälter genommen und gereinigt.

Das Ausmaß der Härtung der Glasscheibe hängt von den Behandlungsbedingungen ab, also von der Anfangstemperatur der Glasscheibe, dem Ausmaß der Härtung in der Vorkühlstufe uno Jer Temperatur der Kühlflüssigkeit, Die ihre ebenen Flächen beibehaltende Glasscheibe erfährt eine Härtung, bei der die Zugspannung im zur Dfckendimension zentralen Bereich 4 zwischen 420 und 700 kg/cm³ bei einem Glas von 2 mm Dicke beträgt, während das Verhältnis der Druckspannung an den Oberflächen zu der Zugspannung im zentralen Bereich 4 in der Größenordnung von 2 :1 liegt.

Beispielsweise wird eine 2 mm dicke Glasscheibe mit einer Anfangstemperatur von 680°C in der Vorkühlstufe so abgekühlt, daß ein Temperaturgefälle von etwa 6O⁰C vom in der Dickendimension zentralen Bereich 4 zu den Oberflächen entsteht, worauf die Glasscheibe in ein Kühlöl einer Temperatur von 45° C eingetaucht wird. Das so behandelte Glas hat eine Zerreißzugfestigkeit zwischen 1900 und 1950 kg/cm² bei einer Zugspannung im in der Dickendimension zentralen Bereich 4 von 630 kg/cm².

Durch Änderung der Behandlungsbedingungen können bei einem 2 mm dicken Glas beispielsweise nachstehesde Werte erzielt werden:

Glas	Zerreiß-Zugspannung	Zugspannung im in der Dickendimension zentralen Bereich
	in kg/cm²	in kg/cm²
1	1900 bis 1950	630
2	1900	420
3	2100	700
4	1820	560
5	1820	560

Beim Behandeln einer Glasscheibe einer Dicke von 0,8 mm wurden unter unterschiedlichen Behandlungsbedingungen Werte für die Zerreißzugspannung zwischen 1600 und 1700 kg/cm² und für die Zugspannung im in der Dickendimension zentralen Bereich 4 von 500 bis 560 kg/cm² erzielt.

Eine derartige dünne gehärtete Glasscheibe 1 wird sodann mit einer gleichen dünnen Glasscheibe 2 oder einer geglühten Glasscheibe mit Hilfe einer Schicht aus Polyvinylbutyral einer Dicke von 0,762 mm zu einem Schichtkörper vereinigt. Dieser Kunststoff ist durchsichtig und haftet an den Glasscheiben, ohne in deren Oberfläche einzudringen.

Eine Windschutzscheibe der beschriebenen Art wird von einem scharfkantigen Gegenstand, beispielsweise einem aufprallenden Stein, nicht durchschlagen, obwohl das Glas nur dünn ist. Es entsteht in der außenliegenden Glasscheibe ein sternförmiger Bruch mit verhältnismäßig großen Bruchstücken, während die innere Glasscheibe 1 nicht zerbricht, so daß die Durchsichtigkeit der Windschutzscheibe nicht wesentlich beeinträchtigt wird.

Wird jedoch die innere gehärtete Glasschicht 1 von einem größeren, vxichen Gegenstand getroffen, beispielsweise dem Kopf eines Insassen des Fahrzeugs, so veranlaßt das hierbei eintretende Biegen der Windschutzscheibe Spannungen in der inneren Glasscheibe 1, die sich der bereits vorhandenen Zugspannung im in der Dickendimension zentralen Bereich 4 überlagern, wodurch ein Zerfall des Glases in feinkörnige Bruchstücke ausgelöst wird und eine elastische Verformung der Windschutzscheibe erfolgt, durch die eine Verletzung des Kopfes verhindert wird.

Wie bereits erwähnt, kann durch Ändern der Behandlungsbedingungen beim Härten die Zugspannung im in der Dickendimension zentralen Bereich sehr

genau eingestellt werden. Die äußere Glasscheibe 2 dnr Windschutzscheibe kann daher so gehärtet werden, dall bei einem durch einen aufprallenden Körper eintretenden Bruch die Durchsichtigkeit nur wenig beeinträchtigt wird, wozu die Zugspannung im in der Dickendimension zentralen Bereich der unteren Grenze zu. also 420 kg/cm², gewählt wird, während die innere Glasscheibe I stärker gehärtet wird, so d;iß eine Zugspannung in ihrem in der Dicketidimcnsion zentralen Bereich von beispielsweise 700 kg/cm² erreicht wird, die beim Aufprall des Kopfes eines Insassen den staubförmigen Zerfall des Glases ermöglicht und die gleichzeitige Verformung der verbindenden Kunststoffschicht begünstigt, wodurch die weniger gehärtete äußere Glasscheibe so weit Spannungen erhält, daß auch bei ihr ein Zerfall eintritt.

Hierzu I Blatt Zciclinunecn

Claims

Patentanspruch:

Windschutzscheibe aus Verbundglas, bestehend aus zwei Glasscheiben zwischen 0,5-3,0 mm Dicke und aus einer durchsichtigen verformbaren Zwischenschicht aus Kunststoff, wobei die innere Glasscheibe stärker gehärtet ist als die äußere, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Glasscheibe (1) thermisch so gehärtet ist, daß sie in ihrem zu ihrer Dickendimension zentralen Bereich (4) eine Zugspannung zwischen 420 und 700 kg/cm² aufweist und das Verhältnis der Druckspannung in der Oberflächenschicht zu der Zugspannung im zentralen Bereich (4) in der Größenordnung von 2 :1 liegt