Automobilbau 11.11.2011, 12:04 Uhr

Bremsen müssen leichter werden

Die Leichtbauforderung betrifft alle Komponenten des Autos. Bei der Entwicklung künftiger Bremsen sollen neuartige Beläge und leichtere Scheiben ihr Scherflein dazu beitragen. Die Keramikbremsscheibe ist für Großserienautos zu teuer, doch es gibt Konstruktionen, die das Gewicht deutlich reduzieren, ohne die Kostenschere weit zu öffnen.

Keramische Bremsscheiben sind derzeit das Nonplusultra bei Bremssystemen. Leider sind sie für Großserienfahrzeuge noch immer viel zu teuer. Nach wie vor bleibt darum die schwerere Grauguss-Bremsscheibe erste Wahl. Heute wiegt das Bremssystem je Rad bei einem Wagen der unteren Mittelklasse etwa 12 kg, wie von Jürgen Lange, Direktor bei TMD Friction, zu erfahren war. Daran habe die Bremsscheibe einen Anteil von 6,4 kg, der Bremssattel 4,3 kg, die Rückenplatten der Bremsbeläge 517 g und die Beläge, das Reibmaterial 410 g.

Beim Bremsen überziehen sich die zuvor schönen Aluminiumräder, speziell an der Vorderachse, mit schwarzem staubförmigen Belag, der dem Bremsbelagverschleiß anzulasten ist. Dieser schwarze Bremsenstaub erhält seine Farbe jedoch vom Scheibenabrieb (Eisenoxid), dem Hauptanteil des Abriebs.

Neue Bremsscheibenbeläge verlängern die Lebensdauer von Bremsen

Um den Abrieb der Bremsscheiben zu reduzieren, scheint ein neues Belagmaterial geeignet zu sein, das auf der Scheibe zunächst einen Transfer- bzw. Reibfilm bildet, der die Scheibe gegen zu starken Abrieb schützt. Dadurch ließe sich die Lebensdauer der Scheibe mehr als verdoppeln, so Lange.

Gegenwärtig wird mit einer Scheibenlebensdauer im Mittel von 90 000 km gerechnet und der Belag muss nach etwa der Hälfte der Laufzeit gewechselt werden. Bleibt zu fragen: Wirkt sich diese (Reibfilm-)“Schmiere“ im Alltag negativ aus? Reduziert sie den Reibwert? Begünstigt sie das „Einschlafen“ bei stets nur sanfter Bremsbetätigung? Wie steht es mit der Nässeempfindlichkeit? Und könnte der Scheibenhersteller nicht bereits eine Schutzschicht aufbringen?

Die Anforderungen an Bremsen sind bei Hybrid- und Elektroautos verändert, weil die Rekuperation beim normalen Verzögern einen Teil der Bremskraft übernimmt – nicht aber bei Notbremsungen und dem Abbremsen kurz vor dem Fahrzeugstillstand. Hinzu kommt, dass diese Autos erheblich schwerer sein können als solche mit nur einem Verbrennungsmotor. In dem Dilemma dürfte wohl der Wunsch nach der Bremsenverkleinerung stecken bleiben, denn es wäre unverantwortlich, Hybride und Stromer mit Hinweis auf die Rekuperation mit schwächeren mechanischen Bremsen auf die Reise zu schicken.

Bremsen können mit Leichtbaukonzepten für konventionelle Bremsscheiben Gewicht sparen

Doch wie lässt sich das Gewicht einer konventionellen Radbremse reduzieren? Ingo Hoffman von den Schwäbischen Hüttenwerken (SHW) untersuchte zusammen mit Prof. Hermann Winner von der TU Darmstadt Möglichkeiten, das Gewicht der Bremsscheibe zu senken. Keramikscheiben wiegen zwar etwa nur die Hälfte einer konventionellen Graugussscheibe, sind jedoch leider ca. 20-mal so teuer, doch Leichtbaukonzepte konventioneller Bremsscheiben haben Potenzial. Etwas teurer werden diese freilich auch, doch ließe sich damit das Gewicht bis zu 30 % reduzieren.

Offen ist, ob ein Verbund von Stahl und Keramik möglich ist. Dort setzen die Wärmedehnung der Materialpartner und die Sprödigkeit der Keramik sowie ihr Preis enge Grenzen.

Wird die Frage nach der Einmischung von Keramikpartikeln in den Grauguss gestellt, heißt es umgekehrt: Muss es dann noch Grauguss sein? – Bei einer untersuchten Konstruktion wird beispielsweise der gegossene Reibring durch Reibschweißen mit einem Aluminiumblechtopf verbunden. Diese Lösung erwies sich bei den Prüfungen als ausreichend robust.

Basis war eine Bremsscheibe für die B-Plattform von Audi mit einem Gewicht von 9,9 kg bei einem Durchmesser von 320 mm und einer Reibringbreite von 30 mm. Bei ihr bestehen Reibring und Topf aus einem Gussstück. Bei der reibgeschweißten Variante sank das Gewicht auf 8,4 kg. Die Gewichtseinsparung summiert sich bei allen vier Scheiben eines Wagens auf 6 kg – das ist sehr viel.

Bremsen: Gewicht durch leichtere Bremssättel und Belagrückenplatten einsparen

Weiteres Gewicht könnte an Bremssätteln und Belagrückenplatten gespart werden, aber hier hält sich die Begeisterung der Ingenieure wohl in Grenzen. Die Bremse ist schließlich ein Sicherheitselement höchster Ordnung, das durch nichts sonst ersetzt werden kann.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verbundgussscheibe, doch sind damit wohl lediglich rund 100 g zusätzlich einzusparen. Die Fertigung der reibgeschweißten Scheibe erfordert zwar neue Werkzeuge und eine leichte Änderung der Graugussrezeptur, verteuert die Scheibe jedoch nur geringfügig. Dass sich Grauguss und Aluminium durch Reibschweißen verbinden lassen, wissen die Fertigungsingenieure schon länger.

Anstelle des Aluminiumtopfes kann aber auch ein Stahlblechtopf verwendet werden, der nur wenig schwerer als der Aluminiumtopf ist. Das Gewicht einer Keramikscheibe wird man auf diese Weise zwar nicht erreichen, doch sollen Großserienautos auch weiterhin bezahlbar bleiben.  

Ein Beitrag von:

  • Christian Bartsch

  • Wolfgang Pester

    Ressortleiter Infrastruktur bei VDI nachrichten. Fachthemen: Automobile, Eisenbahn, Luft- und Raumfahrt.

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