Neue Bremsen für eine saubere Umwelt

Das Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) der Universität Stuttgart hat ein neues hochleistungsfähiges Bremsscheibenkonzept entwickelt. Die Bremsen haben drei entscheidende Vorteile: Sie sind besonders leicht, zeigen ein besseres Bremsverhalten und sind umweltfreundlicher. Darüber hinaus sind sie besonders attraktiv für Elektro-Fahrzeuge. Derzeit setzt das studentische Rennteam der Universität Stuttgart in seinem Rennfahrzeug die neuen Bremsen ein und hat bereits Rekorde eingefahren. Ein Einsatz in Serien-PKW ist geplant.

Die Besonderheit der neuen Bremsscheiben ist die keramische Beschichtung. Projektleiter Septimiu Popa hat mit seinen Kolleginnen und Kollegen am Institut von Prof. Rainer Gadow ein Bremsscheibenkonzept in Schichtverbundbauweise entwickelt. Dieses besteht aus einem Aluminium-Grundrotor, dessen Reibflächen mit einer hoch-verschleißbeständigen keramischen Beschichtung versehen sind. Durch den Einsatz dieser Beschichtung konnte das Team einen starken Verschleiß an der Aluminiumlegierung verhindern und damit den Einsatz des leichten Trägermaterials überhaupt ermöglichen. Einen serienmäßigen Einsatz im Straßenverkehr prüfen die Forscher derzeit mit einem deutschen Automobilzulieferer.

Ein großer Vorteil des Bremsscheibenkonzepts ist, dass es umweltfreundlicher ist als die bisherigen Bremsen. „Mehr als 50 Prozent der ausgestoßenen Feinstaubpartikel von Fahrzeugen stammen nicht vom Abgas, sondern vom Reifen- und Bremsabrieb“, erklärt der Projektleiter. Diesen Bremsabrieb gelang es dem Forschungsteam mittels der speziellen Keramikbeschichtung zu reduzieren. Dadurch kann der Feinstaubausstoß der Fahrzeuge deutlich gesenkt werden. Die dazugehörigen Messungen hat das Team um Popa in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR durchgeführt.

Zudem haben die Forscher die Bremsperformance optimieren können: Das Ansprechverhalten hat sich verbessert, die Reibwerte wurden gesteigert und die Verzögerungsleistung maximiert. „Der Fahrer bekommt beim Bremsen immer das gleiche Gefühl vermittelt. Dank der thermisch gespritzten Keramikbeschichtung kommt es zu keiner temperaturabhängigen Bremspunktverschiebung“, so Popa.

Die Leichtbaubremsscheiben sind ebenfalls für zukünftige Hybrid- und Vollelektrische-Fahrzeuge hochinteressant. Aufgrund der Rückgewinnung der Bremsenergie kommt hier die mechanische Bremse seltener zum Einsatz. Durch die fehlende Reinigungswirkung der Reibung neigen  konventionelle Bremsscheibenwerkstoffe wie Grauguss zu ausgeprägten Korrosionseffekten. Neben dem unästhetischen Anblick, führt die bekannte Rostbildung zu sicherheitskritischen Beeinträchtigungen der Bremsfunktion, besonders in Notsituationen. Dieses Problem wird durch die korrosionsbeständige Keramikoberfläche vollständig gelöst.

Auch für den Rennsport ist der Leichtbauaspekt sehr wichtig. Dort geht es darum, Massen schnell zu beschleunigen und abzubremsen. Das Rennteam der Universität Stuttgart setzt das neu entwickelte Bremssystem schon in der dritten Saison sehr erfolgreich ein. Im Bereich der ungefederten Massen konnten insgesamt 1,2 Kilogramm eingespart werden. „Das entspricht einer Reduktion von 60 Prozent des Scheibengewichts im Vergleich zu einem System aus dem Jahre 2015“, erklärt Popa. Das Rennteam hat im Juni 2019 beim Formula Student Wettbewerb in Michigan zum vierten Mal in Folge den ersten Platz erzielt. „Das ist ein Weltrekord“, sagt Popa. „Wir freuen uns, das Rennteam in ihrer unermüdlichen Arbeit unterstützen zu können. Die Erkenntnisse aus ihren Messdaten haben auch uns bei der Entwicklung sehr geholfen.“ Die besonderen Bremsen sind bereits in Michigan aufgefallen. Für das Bremsscheibenkonzept hat das Team den „Brake Design Award“ gewonnen.

Und Popa konnte mit seinen Kollegen ein weiteres Problem lösen: Das Überhitzen der Bremse und den damit verbundenen Bremsschwund vermeiden sie dank einer intelligenten Kühlarchitektur und maßgeschneiderten thermodynamischen Eigenschaften der Bremsscheibe.