Bremsscheiben aus Edelstahl reduzieren Feinstaubemissionen deutlich und zeichnen sich durch hohe Lebensdauer aus
Bislang wurden Feinstaubemissionen, die durch Abrieb von Bremsen und Reifen entstehen, in der europäischen Abgasgesetzgebung nicht berücksichtigt. Mit der Einführung der Euro-7-Norm, gültig ab Ende 2026 für neu entwickelte Fahrzeuge und ab Ende 2027 für alle Neuzulassungen von Pkw und Kleintransportern, werden erstmals verbindliche Grenzwerte für diese Emissionen festgelegt. Ziel ist es, die Freisetzung von Partikeln mit einem Durchmesser unter 10 Mikrometern zu begrenzen, da diese tief in die Atemwege eindringen und gesundheitsschädlich sind. Ein Forschungskonsortium unter Beteiligung des Fraunhofer IWU hat eine Bremsscheibe aus Edelstahl entwickelt, die diese strengen Anforderungen erfüllt.
Eigenschaften und Vorteile der Edelstahl-Bremsscheiben
Die umformtechnisch gefertigte Bremsscheibe aus nitriertem Edelstahl weist einen sehr geringen Verschleiß auf und besitzt eine prognostizierte Lebensdauer von bis zu 300.000 Kilometern. In Kombination mit einem anorganischen Bremsbelag reduziert sich der Verschleiß um mehr als 85 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Bremsscheiben aus Grauguss mit organischen Reibbelägen.
Auswahl des Materials: Nitrierter Edelstahl
Das Projektteam entschied sich für nitrierten Edelstahl aufgrund seiner hervorragenden tribologischen und thermischen Eigenschaften. Erfahrungen aus dem Motorradbereich bestätigen die Eignung von Edelstahl-Bremsscheiben. Alternative Materialien wie Karbon-Keramik sind aufgrund hoher Kosten nur für Premiumfahrzeuge geeignet, während das Beschichten von Grauguss technisch anspruchsvoll ist und Laserauftragsschweißen noch nicht serienreif ist. Baustahl-Bremsscheiben erfüllen die Anforderungen an Formstabilität bei Temperaturen über 650 °C nicht, da Gefügeumwandlungen die Materialeigenschaften negativ beeinflussen können.
Herstellung und Gewichtsvorteile
Die Edelstahl-Bremsscheiben werden mit einem etwas größeren Durchmesser als konventionelle Graugussscheiben produziert, um die erforderliche Bremsleistung sicherzustellen. Gleichzeitig ist ihre Dicke geringer, was zu einem Gewichtsersparnis von bis zu 5 Kilogramm pro Fahrzeug mit vier Bremsscheiben führt. Das reduzierte Gewicht senkt den Energieverbrauch und verringert die ungefederten Massen, was wiederum die Effizienz von Federn und Dämpfern verbessert und die Fahrdynamik positiv beeinflusst.
Wirtschaftliche Betrachtung und Lebensdauer
Die Herstellungskosten von Grauguss-Bremsscheiben erscheinen nur unter der Voraussetzung niedrig, dass keine gesetzlichen Grenzwerte für Feinstaubemissionen gelten. Mit der Euro-7-Norm werden für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge Emissionsgrenzen von 3 mg/km für batterieelektrische und 7 mg/km für andere Antriebsarten eingeführt. Herkömmliche Radbremsen können diese Werte meist nicht einhalten, selbst in Kombination mit hochwertigen Bremsbelägen. Zudem sind die Gesamtkosten über die Lebensdauer eines Fahrzeugs von bis zu 300.000 Kilometern bei Grauguss-Bremsscheiben ungünstig, da ein Austausch aufgrund von Verschleiß oft schon nach weniger als 40.000 Kilometern notwendig wird. Ursachen hierfür sind unter anderem Korrosion durch Streusalz, Kurzstreckenbetrieb oder sportliche Fahrweise.
Erfolgreiche Testergebnisse
Die gemeinsam vom Fraunhofer IWU, der Professur Fahrzeugsystemdesign der TU Chemnitz, der ElringKlinger AG und der ANDRITZ AWEBA GmbH entwickelte Edelstahl-Bremsscheibe wurde am Schwungmassenprüfstand der TU Chemnitz erfolgreich nach dem Prüfstandard SAE J2522 (AK-Master) getestet. Dabei zeigte das System aus Edelstahl-Bremsscheibe und anorganischem Reibmaterial ein sehr gutes tribologisches Verhalten mit einem um etwa 85 Prozent reduzierten Verschleiß im Vergleich zu marktüblichen Lösungen.
Projektpartner und Förderung
- ElringKlinger AG: Einbringung von Prozesswissen im Beschichten und Materialkompetenz in der Metallverarbeitung.
- ANDRITZ AWEBA GmbH: Komplettanbieter für Umform-, Schneid- und Druckgießwerkzeuge von der Entwicklung bis zur Serienreife.
- Professur Fahrzeugsystemdesign, TU Chemnitz: Bereitstellung der Testinfrastruktur und Auslegung der Bremsscheibe.
- Fraunhofer IWU: Durchführung der FE-Simulationen sowie der experimentellen Umsetzung der Umformprozesse.
Das Projekt »Ufo-Brems« wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und vom Projektträger Jülich koordiniert.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Dipl.-Ing. Sebastian Porstmann
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Reichenhainer Straße 88
09126 Chemnitz
E-Mail: Sebastian.Porstmann@iwu.fraunhofer.de
Telefon: +49 371 53971348
