Hasta ahora, el polvo fino generado por el desgaste de neumáticos y frenos no ha sido considerado en la legislación europea sobre emisiones de escape. Solo la norma Euro-7, que entrará en vigor a finales de 2026 para vehículos nuevos (homologados) y a finales de 2027 para todos los vehículos nuevos autorizados, establecerá límites obligatorios. El objetivo: limitar la emisión de partículas de polvo fino con un diámetro de menos de 10 micrómetros, que pueden penetrar profundamente en las vías respiratorias. Estas partículas se consideran especialmente perjudiciales para la salud. Un consorcio de proyecto con la participación del Fraunhofer IWU presenta ahora un disco de freno de acero inoxidable que cumple sin problemas con las estrictas regulaciones de la UE.
El disco de freno de acero inoxidable fabricado mediante conformado tiene un desgaste extremadamente bajo y una vida útil pronosticada de hasta 300,000 km. En un freno de rueda con un material de pastilla de freno inorgánico, el desgaste se reduce en más del 85 por ciento en comparación con la solución estándar actual de disco de freno de fundición gris y material de fricción orgánico.
Por qué el acero inoxidable endurecido (nitritado) es especialmente adecuado
El equipo del proyecto optó pronto por acero inoxidable nitritado, que debido a sus propiedades tribológicas y térmicas es especialmente adecuado. También las experiencias positivas con discos de freno de acero inoxidable en motocicletas hablan a favor de ello. Soluciones especiales costosas como carbono/cerámica solo se consideran para vehículos de alto precio; recubrir la fundición gris es extremadamente complicado: los métodos de soldadura por láser aún no están listos para la producción en serie. Por otro lado, los discos de acero estructural no cumplen con los requisitos de estabilidad de forma en el rango de temperatura superior a 650 °C; las transformaciones de fase que ocurren en este rango de temperatura pueden además alterar las propiedades del acero.
Fabricación mediante conformado, ventajas de peso
El equipo del proyecto fabricó discos de freno con un diámetro ligeramente mayor que el de los discos de fundición gris convencionales, para garantizar suficiente superficie para el rendimiento de desaceleración requerido (frenado). A cambio, el grosor de un disco de freno de acero inoxidable puede ser menor. Dado que el material de partida para la pieza de trabajo se presenta inicialmente en formato cuadrado, se generan restos de corte que pueden ser reciclados. Dependiendo del vehículo, cuatro discos de freno de acero inoxidable pueden ser hasta 5 kg más ligeros en comparación con soluciones de fundición gris.
El menor peso no solo reduce el consumo de energía del vehículo, sino que también disminuye las masas no suspendidas. Esto permite que los resortes y amortiguadores funcionen de manera más eficiente, lo que mejora la dinámica vertical y, por lo tanto, el comportamiento de conducción en general.
Opción de un freno de larga duración, balance de costos positivo
Los costos de fabricación de discos de freno de fundición gris parecen ser bajos solo mientras no existan regulaciones legales para las emisiones de polvo fino generadas por el desgaste de frenos. Con la implementación de la norma Euro-7, sin embargo, solo se permiten 3 mg/km para vehículos eléctricos de batería y 7 mg/km para todos los demás tipos de propulsión en automóviles y vehículos comerciales ligeros de hasta 3.5 toneladas de peso total. Aquí, un freno de rueda convencional a menudo tiene que 'adaptarse', incluso en combinación con pastillas de freno de alta calidad: tales valores no se pueden alcanzar. Pero incluso sin regulaciones de la norma Euro-7, su balance de costos total, en relación con una vida útil del vehículo de hasta 300,000 km, resulta desfavorable. Una vez alcanzado el límite de desgaste, debe ser reemplazada (a menudo junto con las pastillas de freno), siendo los costos de mano de obra a menudo la mayor parte del costo total. Un reemplazo puede ser necesario después de menos de 40,000 km de uso, si ha estado expuesta a largos períodos de inactividad del vehículo y sal de carretera (corrosión), tráfico de corta distancia o un estilo de conducción deportivo (mayor desgaste, formación de rayones).
Primeras pruebas superadas con éxito
El disco de freno de acero inoxidable desarrollado por el Fraunhofer IWU junto con la cátedra de diseño de sistemas de vehículos de la TU Chemnitz, ElringKlinger AG y ANDRITZ AWEBA GmbH ya ha sido probado con éxito en el banco de pruebas de masas de inercia de la TU Chemnitz. El disco de freno pudo superar las pruebas según SAE J2522 (AK-Master) con éxito. La prueba mostró un comportamiento tribológico muy bueno. El sistema, compuesto por disco de freno de acero inoxidable y material de fricción inorgánico, mostró un desgaste aproximadamente un 85 por ciento menor en comparación con las soluciones actualmente disponibles en el mercado.
Los socios del proyecto
El proveedor de automóviles ElringKlinger AG aportó su know-how en procesos de recubrimiento y su conocimiento de materiales en el procesamiento de metales en 'Frenos Ufo'. ANDRITZ AWEBA GmbH es uno de los proveedores completos en el área de herramientas de la gama de herramientas de conformado, corte y fundición a presión desde el desarrollo hasta la producción en serie. La cátedra de diseño de sistemas de vehículos de la TU Chemnitz proporcionó su infraestructura de pruebas y asumió el diseño del disco de freno. El Fraunhofer IWU tiene sus raíces, entre otras cosas, en la tecnología de conformado y llevó a cabo la simulación de elementos finitos y la implementación experimental de las etapas de conformado para el disco de freno.
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