Bremsscheiben aus Edelstahl halten und senken Feinstaubemissionen erheblich

Warum rostfreier, gehärteter (nitrierter) Edelstahl sich besonders eignet

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. Baustahl-Scheiben 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.

Umformtechnische Herstellung, 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 Bremsscheibe aus Edelstahl geringer ausfallen. Da das Ausgangsmaterial für das Werkstück zunächst in quadratischem Format vorliegt, fallen Zuschnittsreste an, die jedoch wieder eingeschmolzen werden können. Je nach Fahrzeug sind vier Bremsscheiben aus Edelstahl gegenüber Graugusslösungen um bis zu 5 kg 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 km, 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 km 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 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 konnte den Tests nach SAE J2522 (AK-Master) erfolgreich bestehen. Über den Test zeigte sich ein sehr gutes tribologisches Verhalten. Das System, bestehend aus Edelstahl-Bremsscheibe und anorganischem Reibmaterial, wies einen um ca. 85 Prozent geringeren Verschleiß im Vergleich zu derzeit am Markt verfügbaren Lösungen auf.

Die Projektpartner

Der Automobilzulieferer ElringKlinger AG brachte sein Prozess-Know-how beim Beschichten und sein Materialwissen in der Metallverarbeitung in »Ufo-Brems« 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 sowie 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.

(Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU)