Edelstahl Bremsscheiben aus Edelstahl senken Feinstaubemissionen

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

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Bislang blieb der Feinstaub aus dem Abrieb von Reifen und Bremsen in der europäischen Abgasgesetzgebung unberücksichtigt. Erst die Euro-7-Norm führt verbindliche Grenzwerte ein. Ein Projektkonsortium hat nun eine Bremsscheibe aus Edelstahl entwickelt, die die strengen EU-Vorgaben problemlos erfüllt.

Die Euro-7-Norm tritt ab Ende 2026 für neu entwickelte (typzugelassene) und ab Ende 2027 für alle neu zugelassenen PKW und Kleintransporter in Kraft. Ihr Ziel ist es, den Ausstoß von Feinstaubpartikeln mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern, die tief in die Atemwege eindringen können, zu begrenzen. Eine Bremsscheibe aus Edelstahl entwickelt in einem Projekt zusammen mit dem Fraunhofer IWU, soll die strengen EU-Vorgaben problemlos erfüllen. Die umformend hergestellte Bremsscheibe hat einen geringen Verschleiß und eine prognostizierte Lebenserwartung von bis zu 300 000 km. In einer Radbremse mit einem anorganischen Bremsbelag-Material reduziert sich der Verschleiß um über 85 Prozent gegenüber der heutigen Standard-Lösung aus Grauguss-Bremsscheibe und organischem Reibbelag.

Rostfreier, gehärteter (nitrierter) Edelstahl eignet sich besonders

Das Projektteam entschied sich früh für nitrierten Edelstahl, der aufgrund seiner tribologischen und thermischen Eigenschaften besonders geeignet ist. Auch die positiven Erfahrungen mit Edelstahl-Bremsscheiben 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.

Bremsscheiben aus Edelstahl gegenüber Graugusslösungen um bis zu 5 kg leichter

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.

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.