DE1755955B2

DE1755955B2 - Windschutzscheibe fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE1755955B2
Application number: DE19681755955
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Phys. 5100 Aachen Krämling
Original assignee: Vereinigte Glaswerke, Zweigniederlassung Der Compagnie De Saint-Gobain, 5100 Aachen
Priority date: 1968-07-15
Filing date: 1968-07-15
Publication date: 1977-03-03
Also published as: DE1755955A1

Description

-geworden, bei denen auf der Innenseite einer vorgespannten Glasscheibe eine Kunststoffolie angeordnet ist die ihrerseits nicht im Rahmen eingespannt ist (franz. Patentschrift 14 25 292). Dadurch wird ein direkter Kontakt mit den Glassplittern vermieden, wobei 5 gleichzeitig die effektive Stoßbeanspruchung unterhalb der Toleranzkurve für die Halswirbelsäule bleibt

Die Erfindung will das gleiche Ziel auf einem anderen Weg erreichen. Sie will den einfacheren Aufbau und die fabrikationstechnischen Vorteile von Emscheiben-Sicherheitsgläsern ausnutzen, und Windschutzscheiben aus Einscheibensicherheitsglas so ausbilden, daß, unter Beibehaltung der kurzen Stoßzeiten und ohne Erhöhung der effektiven Stoßkräfte, die Gefahr von Schnittverletzungen weitgehend vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß cae Windschutzscheibe aus hochbiegefestem Silikatglas von höchstens 6 mm Dicke besteht die mit Ausnahme des in der Einfassung sitzenden Randbereiches eine Biegefestigkeit von wenigstens 50 kp/mm². und in dem genannten Randbereich entlang ihrem gesamten Umfang eine Biegefestigkeit von höchstens 20 kp/mm² aufweist.

Bei den heute handelsüblichen normalen Flachgläsern lassen sich die erforderlichen Biegefestigkeiten von wenigstens 50 kp/mm² in der Regel nicht mehr durch thermische Vorspannung, sondern durch eine Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch eine Ionenaustauschbehandlung, erzielen.

Die Wirkungsweise einer nach der Erfindung aufgebauten Windschutzscheibe bei einem Stoßunfall ist. ^ ie durch eingehende Ve^rsuche bestätigt werden konnte, folgendermaßen:

Unter der Wirkung des Stoßes treten einmal unter dem Stoßpunkt hohe Biegespannungen auf. Bei Überschreiten der Biegefestigkeit des Glases bricht die Glasscheibe mit radialen Sprüngen. Zum anderen läuft, vom Stoßpunkt ausgehend bis zum Rand der Windschutzscheibe, eine etwa kreisförmige Biegewelle, deren Amplitude einmal von der Höhe der aufgebrachten Stoßenergie abhängt und zum anderen mit zunehmender Entfernung vom Stoßpunkt zunimmt. Übersteigt nun die Amplitude dieser Biegewelle die Biegefestigkeit des Glases, so bricht die Glasscheibe mit kreisförmigen Bruchlinien, die konzentrisch zum Stoßpunkt liegen.

Da die Amplitude der Biegewelle und infolgedessen die Beanspruchung der Glasscheibe mit der Entfernung vom Stoßpunkt zunimmt, ist der Durchmesser der kreisförmigen Bruchlinien bei im übrigen gleichen Bedingungen nur von der Biegefestigkeit der Glasschei- so be abhängig. Je höher die Biegefestigkeit des Glases ist, desto größer ist der Durchmesser der entstehenden kreisförmigen Bruchlinien. Bei einer Glasscheibe mit einer Biegefestigkeit von etwa 25 kp/mm² z. B. beträgt der Durchmesser der Bruchlinie größenordnungsgemäß 30 cm. Der innerhalb der Bruchlinie liegende Teil der Glasscheibe ist, wie sich gezeigt hat, durch den Stoß bereits so weit beschleunigt, daß er sich nach dem Bruch etwa mit der Geschwindigkeit des Stoßkörpers bewegt und dätferals solcher ungefährlich ist.

Die außerhalb dieser Kreisfläche liegenden Teile der Glasscheibe erfahren jedoch keine ausreichende Beschleunigung. Sie bleiben vielmehr in manchen Fällen im ι Rahmen stecken und bilden unter ungünstigen Umständen auf diese Weise eine gewisse Gefahr von SchnJirVerletzungen.

Dutch die Erhöhung der Biegefestigkeit wird nunmehr der Durchmesser der Bruchlinien so weit vergrößert daß die Bruchlinien bis über das gesamte Feld der Windschutzscheibe hinaus verschoben werden.

Ohne zusätzliche Maßnahme ist jedoch eine solche hochbiegefeste Windschutzscheibe noch nicht geeignet Wegen ihrer hohen Biegefestigkeit würde sie nämlich, zumindest unterhalb einer bestimmten Stoßenergie, gar nicht mehr brechen, sondern würde die gesamte Stoßenergie elastisch speichern und ggf. den stoßenden Kopf zurückschleudern. Das aber würde eine Erhöhung der effektiven Stoßkräfte und eine Verlängerung der Stoßzeiten über die Toleranzgrenze für die Halswirbelsäule hinaus bedeuten. Um das zu vermeiden, muß dafür gesorgt werden, daß die Windschutzscheibe in dem Augenblick automatisch und vollständig aus ihrer Einfassung freigegeben wird, in dem die Biegewelle die Einfassung erreicht

Dazu ist vorgesehen, daß der Rand der Windschutzscheibe so ausgebildet ist daß er eine wesentliche geringere Biegefestigkeit als das Hauptfeld aufweist, und zwar höchstens 20 kp/mm². Dadurch wird gewährleistet daß die Windschutzscheibe an ihrer Einfassung gewissermaßen durch die Biegewelle abgeschert wird. Durch diese automatische Lösung der Glasscheibe aus ihrer Einfassung wird also erreicht daß trotz der erhöhten Biegefestigkeit des Hauptfeldes der Windschutzscheibe Stoßkraft und Stoßzeit unterhalb der Toleranz werte für die Halswirbelsäule bleiben.

Eine vollständige »Auslösung« der Glasscheibe ohne Überschreitung der Toleranzwerte wird noch bei Biegefestigkeiten von etwa 20 kp/mm² im Randbereich erreicht. Selbstverständlich wird der Effekt der »Auslösung« verbessert, wenn die Biegefestigkeit im Randbereich weiter gesenkt wird Erfahrungsgemäß ist als untere Grenze ein Wert von etwa 5 kp/mm^J anzunehmen, und gute Ergebnisse werden erzielt, wenn der Randbereich die Biegefestigkeit einer normalen Glasscheibe mit etwa 10 kp/mm² aufweist.

Bei einer Biegefestigkeit der Glasscheibe von etwa 50 kp/mm² bricht die Glasscheibe zwar bei höheren Stoßenergien bereits infolge der hohen Biegespannungen unterhalb des Stoßpunktes mit radialen Sprüngen. Für die Wirkungsweise ist das jedoch unerheblich, denn die Biegewelle läuft auch in den so entstehenden Bruchstücken weiter und bewirkt die beschriebene Freigabe der bereits zerbrochenen Glasscheibe, sobald sie den geschwächten Rand erreicht, so daß eine schädliche Relativbewegung zwischen Kopf und Glasbruchstücken nicht auftritt.

Die Wirkung der neuen Windschutzscheibe wird jedoch weiter verbessert, wenn man die Biegefestigkeit weiter erhöht. Zweckmäßigerweise wird sie so hoch gewählt, daß die Biegebeanspruchung im Stoßpunkt bei mittleren Stoßenergien, d. h. bei Auftreffgeschwindigkeiten von etwa 30 bis 40 km/h, nicht zu einem vom Stoßpunkt ausgehenden Bruch der Glasscheibe führt. In diesem Fall widersteht de Windschutzscheibe der Stoßbeanspruchung als solcher, und erst in dem Augenblick, in dem die Biegewelle den Rand der Scheibe erreicht, wird die geringe Biegefestigkeit des Randes überschritten und die Windschutzscheibe insgesamt aus der Einfassung herausgelöst. Die Möglichkeit, mit Glasbruchstücken in Berührung zu kommen, wird also auf diese Weise völlig ausgeschlossen.

Es wurde gefunden, daß diese Bedingungen bei einer Biegefestigkeit von etwa 70 kp/mm² ab erfüllt sind. Die Biegefestigkeit kann selbstverständlich darüber hinaus beliebig erhöht werden, solange nur darauf geachtet

wird, daß die Biegefestigkeit des Randes die angegebenen Höchstwerte nicht überschreitet

Die zulässigen Grenzen für die Dicke der neuen Windschutzscheibe sind einerseits dadurch gegeben, daß die Windschutzscheibe aus konstruktiven Gründen S eine gewisse Mindest-Eigensteifigkeit aufweisen muß. Je nach Größe der Windschutzscheibe ist zur Erzielung dieser Mindeststeifigkeit eine Dicke von mindestens i,5 bis 2csn erforderlich. Auf der anderen Seite ist die zulässige Dicke nach oben begrenzt, durch die beim to Stoß auf den Kopf einwirkenden, durch die Massenträgheit bedingten Reaktionskräfte. Die obere Grenze liegt bei etwa 6 nun.

Zweckmäßigerweise wird der Bereich der geringsten Biegefestigkeit innerhalb des Randbereiches, in dem die Windschutzscheibe ausgelöst bzw. abgeschert werden soll so gelegt, daß er entlang der inneren Begrenzung des die Windschutzscheibe haltenden Rahmens verläuft Dadurch wird verhindert daß eventuell größere, vorstehende Glassplitter im Rahmen stecken bleiben, die ihrerseits Anlaß zu Verletzungen geben könnten.

In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung kann der die Windschutzscheibe aufnehmende Rahmen bzw. die Gummieinfassung auf der Innenseite der Windschutzscheibe über den die geringere Biegefestigkeit aufweisenden Randbereich in das Hauptfeld der Windschutzscheibe hineinragen. Dadurch wird erreicht, daß auch nach dem Bruch des Randbereiches die Scheibe auf der Innenseite abgestützt ist so daß dadurch verhindert wird, daß die Windschutzscheibe bei einem Stoß von außen ggf. in den Innenraum des Fahrzeuges stürzt. Selbstverständlich muß man bei dieser Ausführung dafür Sorge tragen, daß zwischen diesem abstützenden Teil der Karosserie bzw. des Gummiprofils und dem hochbiegefesten Teil der Glasscheibe keine Haftung erfolgt, damit in jedem Fall gewährleistet ist, daß das Hauptfeld der Windschutzscheibe bei einem Stoß von innen sich in Richtung nach außen leicht von der Einfassung löst.

Windschutzscheiben nach der Erfindung können auf verschiedene Weise realisiert werden, und es werden im folgenden einige mögliche Ausführungsbeispiele für die Herstellung solcher Windschutzscheiben beschrieben.

Beispiel 1

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Es wird eine Windschutzscheibe hergestellt, die hohe Oberflächendruckspannungen und infolgedessen in ihrem gesamten Bereich eine Biegefestigkeit von 70 bis 100kp/mm² aufweist. Anschließend wird der Randbereich der Scheibe so weit erwärmt daß die Druckvorspannung und damit die Biegefestigkeit bis auf den gewünschten Wert abgebaut wird.

Beispiel 2

Ausgehend von einer Windschutzscheibe mit einer Biegefestigkeit von 70 bis lOOkp/mm² auf ihrer gesamten Oberfläche wird in geringem Abstand vom Rand, der der Breite der Einfassung entspricht, eine SoUbruchkerbe eingeschliff ea

Beispiel 3

Es wird eine Windschutzscheibe mit einer Biegefestigkeit von 70 bis lOOkp/mm² auf ihrer gesamten Oberfläche hergestellt Auf dem der Breite der Einfassung entsprechenden Randbereich wird sodann auf einer oder auf beiden Seiten eine Emailschicht aufgebracht, wodurch, wie an sich bekannt ist die Biegefestigkeit bis auf den gewünschten Wert herabgesetzt wird.

Beispiel 4

Es wird eine Windschutzscheibe mit einer Biegefestigkeit von 70 bis lOOkp/mm² auf ihrer gesannen Fläche durch sogenannte »chemische Vorspannung«, d.h. durch eine lonenaustauschbehandlung an der Oberfläche der Glasscheibe, hergestellt Anschließend werden am Rand die Oberflächenschichten so weit abgetragen, bis die Biegefestigkeit auf den erforderlichen Wert gesenkt ist.

Beispiel 5

Ausgehend von einer Glasscheibe mit einer Biegefestigkeit, die dem gewünschten Wert für den Randbereich entspricht, wird der Randbereich auf geeignete Weise abgedeckt und das Mittelfeld durch eine lonenaustauschbehandlung bei höheren Temperaturen auf eine Biegefestigkeit von 70 bis 100kp/mm² verstärkt.

Beispiel 6

Es wird eine Glasscheibe mit einer Biegefestigkeit von 70 bis 100 kp/mm² hergestellt, die kleiner ist als die eigentliche Windschutzscheibe, und eine Größe aufweist, die etwa den inneren, lichten Abmessungen des Rahmens bzw. der Gummieinfassung entspricht. Auf diese Glasscheibe wird entlang dem Umfang ein einige Zentimeter breiter Streifen aus Glas oder einem anderen Material mit ähnlich sprödem Bruchverhalten und geringer Biegefestigkeit aufgeklebt, der über den Rand der hochbiegefesten Glasscheibe hinausragt und der seinerseits im Gummiprofil bzw. an der Karosserie befestigt wird. Dabei wird ein »harter« Kleber verwendet, d. h. ein Kleber, der die Biegewelle ungedämpft überträgt, wie z. B. ein Epoxidharz.

Claims

Patentansprüche:

1. Einscheibensicherheitsglasscheibe, insbesonde-

re Windschutzscheibe für Kraftfahrzeuge, aus hochbiegefestem Silikatglas mit einer Picke von höchstens 6mm, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Ausnahme des in der Einfassung sitzenden Randbereiches eine Biegefestigkeit «on wenigstens 50 kp/mm², und in dem genannten "> Randbereich entlang ihrem gesamten Umfang eine Biegefestigkeit von höchstens 20 kp/mm² aufweist

2. Windschutzscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefestigkeit der Scheibe 70 bis 100 kp/mm² und im Randbereich 5 bis 15 kp/mm² beträgt

3. Windschutzscheibe nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich mit der geringsten Biegefestigkeit innerhalb des Randbereiches entlang der inneren Begrenzung des die Scheibe haltenden Rahmens verläuft

4. Verfahren zur Herstellung einer Windschutzscheibe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefestigkeit des Randbereiches einer in ihrer Gesamtheit aus hochbiegefestern Glas bestehenden Windschutzscheibe durch nachträgliche Behandlung bis auf den gewünschten Wert herabgesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich einer in ihrer Gesamtheit aus hochfestem Glas bestehenden Windschutzscheibe einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen w ird.

6. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß entlang dem Umfang einer in ihrer Gesamtheit aus hochfestem Glas bestehenden Windschutzscheibe Sollbruchkerben angebracht werden.

7 Verfahren nach Anspruch 4 unter Verwendung einer durch Oberflächenbehandlung, wie lonenaustausch, auf hohe Festigkeit gebrachten Glasscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschichten in den Randbereichen nachträglich abgetragen werden.

8. Verfahren zur Herstellung einer Windschutzscheibe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine in ihrer Gesamtheit die für den Randbereich erforderliche Festigkeit aufweisende Glasscheibe in ihrem mittleren Bereich durch nachträgliche Behandlung, etwa durch lonenaus· tausch an den Oberflächen, auf die für den mittleren Bereich erforderliche Festigkeit von wenigstens 50 kp/mm²gebracht wird

9. Verfahren zur Herstellung einer Windschutzscheibe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch S5 gekennzeichnet, daß eine etwa den inneren lichten Abmessungen des Rahmens entsprechende Glasscheibe hoher Biegefestigkeit mit einem umlaufenden Streifen aus Glas oder einem anderen Material mit geringer Biegefestigkeit und ähnlich sprödem Bruchverhalten mit Hilfe eines harten, d. h. die Biegewelle nicht nennenswert dämpfenden Klebers verbunden wird, wobei der umlaufende Glasstreifen über den Umfang der hochfesten Glasscheibe hinausragt und seinerseits im Rahmen eingespannt ist.

Die Erfindung betrifft eine Enscheibensicherhemofaco-heibe. insbesondere eine Windschutzscheibe für Kraftfahrzeuge, aus hochbiegefestem Silikatglas mit einer Dicke von wenigeralsö mm.

Die üblichen Windschutzscheiben aus Einscheibensicherheitsglas bestehen aus auf thermischem Wege vorgespanntem Silikatglas. Durch die Vorspannung wird die Biegefestigkeit, die bei normalem Süikatglas Ttwa 10 kp/mm² beträgt, auf 20 bis 30 kp/mm² erhöht Beim Aufprall eines menschlichen Schädels auf eine «Tlche bekannte Windschutzscheibe wird bei Auftreffgeschwindigkeiten von etwa 15 km/h ab die Biegefestigkeit überschritten, und die Scheibe zerfällt in kleine

Bruchstücke. L-Lt. j

Im Hinblick auf die innere Sicherheit haben derartige Windschutzscheiben gegenüber anderen Sicherheitsdasscheiben, etwa den üblichen Verbundglasscheiben, den besonderen Vorteil einer extrem kurzen Einwirkungsdauer der Stoßkraft, d. h. einer extrem kurzen

Stoßzeit. _n , , ......

Man weiß nämlich heute, daß neben der Hohe der effektiven Stoßkraft beim Stoß des Kopfes auf die Windschutzscheibe die Einwirkungsdauer der Stoßkraft für die Verletzungsgefahr von ausschlaggebender Bedeutung ist Dabei gilt grundsätzlich daß für verschiedene menschliche Organe auch verhältnismäßig niedrige Verzögerungskräfte noch zu schweren Schädigungen führen, wenn sie über längere Zeit einwirken. Den Zusammenhang zwischen Stoßkraft und StoB/cit kann man für die einzelnen menschlichen Organe in sogenannten »Toleranzkurven« erfassen, die eine Art »Schadenslinie« darstellen, oberhalb derer es zu irreversiblen Schädigungen kommt.

Während man bisher die Toleranzkurve von L. M. Patrick als maßgebend angesehen hat (Human Tolerance to Impact - Basis for Safety Design. Automotive Engineering Congress, Detroit. Mich, lanuar 1965) die für Gehirnerschütterungen ermittelt wurde, haben D. Ziffer. F. Brückner und R H enn (»Das Verhalten der Halswirbelsäule in Verbindung mit der Schädelbasis und der oberen Brustwirbelsäule bei Stürzen auf Sicherheitsglas für Automobil-Frontscheiben« ZbI. Verkehrs-Med. 13. 218 bis 239. 1967) gefunden daß für makroskopische Verletzungen der Halswirbelsäule Stoßzeiten von mehr als 30 msec auf jeden Fall vermieden werden müssen. Wenn die Stoßzeiten länger sind, kommt es nämlich durch die infolge ihrer kinetischen Energie nachschiebende Körpermasse leicht zu einer Verbiegung bzw. Ausknikkung der Halswirbelsäule, die selbst bei geringer Höhe der Stoßkraft noch zu lebensgefährlichen Verletzungen führen kann. Je kürzer die Stoßzeiten sind, desto geringer ist die Gefahr solcher Verletzungen.

Unter diesem Gesichtspunkt sind also Einscheibensicherheitsglasscheiben mit Stoßzeiten von höchstens bis 4 msec ideal. Daran ändert es auch nichts, daß die effektive Stoßkraft infolge der höheren Biegefestigkeit von vorgespanntem Glas höher ist als bei anderen Sicherheitsgläsern; sie liegt nämlich bei den üblichen Glasdicken in jedem Fall noch unterhalb der Toteranzkurven, so daß auch von dieser Seite keine ernsthaften Verletzungen zu befürchten sind.

Es kann aber bei den bekannten Windschutzscheiben aus Einscheibensicherheitsglas gegebenenfalls unter ungünstigen Bedingungen doch noch zu Schnittverletzungen durch die Glasbruchstücke kommen. Um solche Schnittverletzungen zu vermeiden sind zwar bereits Verbundglasscheiben mit kurzen Stoßzeiten bekannt