Bislang blieb der Feinstaub aus dem Abrieb von Reifen und Bremsen in der europäischen Abgasgesetzgebung unberücksichtigt. Erst die Euro-7-Norm, die ab Ende 2026 für neu entwickelte (typzugelassene) und ab Ende 2027 für alle neu zugelassenen PKW und Kleintransporter in Kraft tritt, führt verbindliche Grenzwerte ein. Das Ziel: den Ausstoß von Feinstaubpartikeln mit einem Durchmesser von weniger als zehn Mikrometern, die tief in die Atemwege eindringen können, zu begrenzen. Solche Partikel gelten als besonders gesundheitsschädlich. Ein Projektkonsortium mit Beteiligung des Fraunhofer IWU stellt nun eine Bremsscheibe aus Edelstahl vor, die die strengen EU-Vorgaben problemlos erfüllt.
Die umformend hergestellte Bremsscheibe aus Edelstahl hat einen äußerst geringen Verschleiß und eine prognostizierte Lebenserwartung von bis zu 300.000 Kilometer. In einer Radbremse mit einem anorganischen Bremsbelagmaterial reduziert sich der Verschleiß um über 85 Prozent gegenüber der heutigen Standardlösung aus Grauguss-Bremsscheibe und organischem Reibbelag, berichtet das Fraunhofer IWU.
Das Projektteam entschied sich früh für nitrierten Edelstahl, der aufgrund seiner tribologischen und thermischen Eigenschaften besonders geeignet ist. Auch die positiven Erfahrungen mit Edelstahl-Bremsschreiben bei Motorrädern sprechen dafür. Teure Speziallösungen wie Karbon/Keramik kommen nur für besonders hochpreisige Fahrzeuge in Betracht; das Beschichten von Grauguss ist äußerst anspruchsvoll – Methoden des Laserauftragsschweißens sind noch nicht serienreif. Baustahlscheiben wiederum genügen den Anforderungen an die Formstabilität im Temperaturbereich über 650 °C nicht; in diesem Temperaturbereich auftretende Gefügeumwandlungen können außerdem die Eigenschaften des Stahls verändern.
Herstellung und Gewichtsvorteile
Das Projektteam fertigte Bremsscheiben mit etwas größerem Durchmesser als bei konventionellen Graugussscheiben an, damit ausreichend Fläche für die geforderte Verzögerungsleistung (Bremsleistung) gewährleistet ist. Im Gegenzug darf die Dicke einer Edelstahl-Bremsscheibe geringer ausfallen. Da das Ausgangsmaterial für das Werkstück zunächst in quadratischem Format vorliegt, fallen Zuschnittreste an, die jedoch wieder eingeschmolzen werden können. Je nach Fahrzeug sind vier Bremsscheiben aus Edelstahl gegenüber Graugusslösungen um bis zu fünf Kilogramm leichter. Das geringere Gewicht senkt nicht nur den Energieverbrauch des Fahrzeugs, sondern reduziert auch die ungefederten Massen. Dadurch können Federn und Dämpfer effizienter arbeiten, was die Vertikaldynamik und damit das Fahrverhalten insgesamt verbessert.
Option einer Lebensdauerbremse, positive Kostenbilanz
Die Herstellkosten für Grauguss-Bremsscheiben erscheinen nur so lange niedrig, wie keine gesetzlichen Vorgaben für die durch Bremsabrieb entstehenden Feinstaubemissionen bestehen. Mit dem Einsatz der Euro-7-Norm sind bei Pkw und leichten Nutzfahrzeugen bis 3,5 Tonnen Gesamtmasse jedoch nur noch 3 mg/km für batterieelektrische Fahrzeuge und 7 mg/km für alle anderen Antriebsarten zulässig. Hier muss eine konventionelle Radbremse meist passen, auch in Kombination mit hochwertigen Bremsbelägen – solche Werte kann sie nicht erreichen. Aber auch ohne regulatorische Vorgaben der Euro-7-Norm fällt ihre Gesamtkostenbilanz, bezogen auf ein Fahrzeugleben von bis zu 300.000 Kilometer, ungünstig aus. Ist die Verschleißgrenze erreicht, muss sie (oft zusammen mit den Bremsbelägen) getauscht werden, wobei die Arbeitskosten häufig den größten Kostenanteil ausmachen.
Ein Austausch kann schon nach weniger als 40.000 Kilometer Laufleistung fällig werden, wenn ihr lange Fahrzeugstandzeiten und Streusalz (Korrosion), Kurzstreckenverkehr oder eine sportliche Fahrweise (vermehrter Abrieb, Riefenbildung) zugesetzt haben.
Erste Tests erfolgreich bestanden
Die vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU gemeinsam mit der Professur Fahrzeugsystemdesign der TU Chemnitz, der ElringKlinger AG und der ANDRITZ AWEBA GmbH entwickelte Edelstahl-Bremsscheibe wurde bereits erfolgreich am Schwungmassenprüfstand der TU Chemnitz getestet. Die Bremsscheibe bestand den Test nach SAE J2522 (AK-Master) erfolgreich. Über den Test zeigte sich ein sehr gutes tribologisches Verhalten. Das System, bestehend aus Edelstahl-Bremsscheibe und anorganischem Reibmaterial, wies einen um circa 85 Prozent geringeren Verschleiß im Vergleich zu derzeit am Markt verfügbaren Lösungen auf.
Die Projektpartner
Der Automobilzulieferer ElringKlinger AG brachte im Projekt Ufo-Brems sein Prozess-Know-how beim Beschichten und sein Materialwissen in der Metallverarbeitung ein. Die ANDRITZ AWEBA GmbH gehört zu den Komplettanbietern im Werkzeugbereich der Palette von Umform-, Schneid- und Druckgießwerkzeugen von der Entwicklung bis zur Serienreife. Die Professur Fahrzeugsystemdesign an der TU Chemnitz stellte ihre Testinfrastruktur zur Verfügung und übernahm die Auslegung der Bremsscheibe. Das Fraunhofer IWU hat seine Wurzeln nicht zuletzt in der Umformtechnik und führte begleitend die FE-Simulation und die experimentelle Umsetzung der Umformstufen für die Bremsscheibe durch. Das Projekt Ufo-Brems wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und vom Projektträger Jülich koordiniert.
- www.iwu.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Bremsscheibe aus Edelstahl im Fading-Test: auch nach 15 Bremsungen keine nachlassende Verzögerung (© TU Chemnitz)
