Fino ad ora, le particelle di polvere fine generate dall'usura di pneumatici e freni non sono state considerate nella legislazione europea sulle emissioni. Solo la norma Euro 7, che entrerà in vigore alla fine del 2026 per i veicoli nuovi (omologati per tipo) e alla fine del 2027 per tutti i veicoli nuovi immatricolati, introduce limiti vincolanti. L'obiettivo: limitare l'emissione di particelle di polvere fine con un diametro inferiore a 10 micrometri, che possono penetrare profondamente nelle vie respiratorie. Queste particelle sono considerate particolarmente dannose per la salute. Un consorzio di progetto con la partecipazione del Fraunhofer IWU presenta ora un disco freno in acciaio inossidabile che soddisfa senza problemi i rigorosi requisiti dell'UE.
Il disco freno realizzato tramite deformazione in acciaio inossidabile ha un'usura estremamente bassa e una vita utile prevista fino a 300.000 km. In un impianto frenante a disco con un materiale di pastiglia freno inorganico, l'usura si riduce di oltre l'85% rispetto alla soluzione standard attuale con disco freno in ghisa grigia e materiale di attrito organico.
Perché l'acciaio inossidabile indurito (nitrurato) è particolarmente adatto
Il team di progetto ha deciso presto per l'acciaio inossidabile nitrurato, che è particolarmente adatto grazie alle sue proprietà tribologiche e termiche. Anche le esperienze positive con dischi freno in acciaio inossidabile per motociclette parlano a favore di questa scelta. Soluzioni speciali costose come il carbonio/ceramica sono considerate solo per veicoli particolarmente costosi; la rivestitura della ghisa grigia è estremamente complessa - i metodi di saldatura laser non sono ancora pronti per la produzione in serie. I dischi in acciaio da costruzione, d'altra parte, non soddisfano i requisiti di stabilità dimensionale nella gamma di temperatura superiore a 650 °C; le trasformazioni strutturali che si verificano in questo intervallo di temperatura possono inoltre modificare le proprietà dell'acciaio.
Produzione tramite deformazione, vantaggi di peso
Il team di progetto ha realizzato dischi dei freni con un diametro leggermente maggiore rispetto ai dischi in ghisa grigia convenzionali, in modo da garantire un'adeguata superficie per la prestazione di frenata richiesta. In cambio, lo spessore di un disco dei freni in acciaio inossidabile può essere inferiore. Poiché il materiale di partenza per il pezzo è inizialmente in formato quadrato, si generano scarti di taglio, che possono però essere fusi nuovamente. A seconda del veicolo, quattro dischi dei freni in acciaio inossidabile possono essere fino a 5 kg più leggeri rispetto alle soluzioni in ghisa.
Il peso ridotto non solo abbassa il consumo energetico del veicolo, ma riduce anche le masse non sospese. Ciò consente a molle e ammortizzatori di lavorare in modo più efficiente, migliorando la dinamica verticale e, di conseguenza, il comportamento di guida nel complesso.
Opzione di un freno a vita, bilancio dei costi positivo
I costi di produzione per i dischi dei freni in ghisa grigia appaiono bassi finché non ci sono normative legali riguardanti le emissioni di polveri sottili generate dall'usura dei freni. Con l'introduzione della norma Euro 7, per le autovetture e i veicoli commerciali leggeri fino a 3,5 tonnellate di massa totale, sono consentiti solo 3 mg/km per i veicoli elettrici a batteria e 7 mg/km per tutti gli altri tipi di propulsione. Qui un freno a disco convenzionale deve spesso "adeguarsi", anche in combinazione con pastiglie freno di alta qualità – tali valori non possono essere raggiunti. Ma anche senza normative regolatorie della norma Euro 7, il bilancio complessivo dei costi risulta sfavorevole, considerando una vita utile del veicolo fino a 300.000 km. Una volta raggiunto il limite di usura, deve essere sostituito (spesso insieme alle pastiglie dei freni), con i costi di manodopera che spesso rappresentano la parte più consistente delle spese. Una sostituzione può essere necessaria già dopo meno di 40.000 km di percorrenza, se il veicolo ha subito lunghi periodi di inattività e l'uso di sale stradale (corrosione), traffico su brevi distanze o uno stile di guida sportivo (maggiore usura, formazione di righe).
Primi test superati con successo
Il disco freno in acciaio inossidabile sviluppato dal Fraunhofer IWU in collaborazione con la cattedra di progettazione dei sistemi veicolari della TU Chemnitz, l'ElringKlinger AG e l'ANDRITZ AWEBA GmbH è stato già testato con successo presso il banco di prova delle masse volaniche della TU Chemnitz. Il disco freno ha superato con successo i test secondo la norma SAE J2522 (AK-Master). I risultati del test hanno mostrato un comportamento tribologico molto buono. Il sistema, composto da disco freno in acciaio inossidabile e materiale d'attrito inorganico, ha presentato un'usura inferiore di circa l'85% rispetto alle soluzioni attualmente disponibili sul mercato.
I partner del progetto
Il fornitore automobilistico ElringKlinger AG ha messo a frutto il suo know-how nei processi di rivestimento e la sua conoscenza dei materiali nella lavorazione dei metalli in "Ufo-Brems". La ANDRITZ AWEBA GmbH è uno dei fornitori completi nel settore degli utensili, offrendo una gamma di utensili per deformazione, taglio e pressofusione, dalla fase di sviluppo fino alla produzione in serie. La cattedra di design dei sistemi veicolari presso la TU Chemnitz ha messo a disposizione la sua infrastruttura di test e ha assunto la progettazione del disco dei freni. Il Fraunhofer IWU ha le sue radici non da ultimo nella tecnologia di deformazione e ha condotto parallelamente la simulazione agli elementi finiti (FE) e l'implementazione sperimentale delle fasi di deformazione per il disco dei freni.
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