Dotychczas pył zawieszony z zużycia opon i hamulców nie był uwzględniany w europejskim prawodawstwie dotyczącym emisji spalin. Dopiero norma Euro-7, która wejdzie w życie pod koniec 2026 roku dla nowo opracowanych (zatwierdzonych typów) oraz pod koniec 2027 roku dla wszystkich nowo zatwierdzonych samochodów osobowych i lekkich pojazdów dostawczych, wprowadza obowiązkowe limity. Celem jest ograniczenie emisji cząstek pyłu o średnicy mniejszej niż 10 mikrometrów, które mogą głęboko wnikać do dróg oddechowych. Cząstki te uznawane są za szczególnie szkodliwe dla zdrowia. Konsorcjum projektowe z udziałem Fraunhofer IWU przedstawia teraz tarczę hamulcową ze stali nierdzewnej, która spełnia rygorystyczne wymogi UE.
Tarcza hamulcowa wytwarzana metodą formowania ma niezwykle niski poziom zużycia i przewidywaną żywotność do 300 000 km. W hamulcu kołowym z nieorganicznym materiałem okładzinowym zużycie zmniejsza się o ponad 85 procent w porównaniu do dzisiejszego standardowego rozwiązania z żeliwnej tarczy hamulcowej i organicznej okładziny.
Dlaczego stal nierdzewna utwardzona (azotowana) jest szczególnie odpowiednia
Zespół projektowy wczesniej zdecydował się na stal azotowaną, która ze względu na swoje właściwości tribologiczne i termiczne jest szczególnie odpowiednia. Pozytywne doświadczenia z tarczami hamulcowymi ze stali nierdzewnej w motocyklach również przemawiają za tym. Drogie rozwiązania specjalistyczne, takie jak węglik/ceramika, są brane pod uwagę tylko dla szczególnie drogich pojazdów; pokrywanie żeliwa jest niezwykle wymagające – metody spawania laserowego nie są jeszcze gotowe do produkcji seryjnej. Tarcze stalowe z kolei nie spełniają wymagań dotyczących stabilności kształtu w temperaturach powyżej 650 °C; przemiany strukturalne występujące w tym zakresie temperatur mogą również zmieniać właściwości stali.
Produkcja metodą formowania, korzyści wagowe
Zespół projektowy wyprodukował tarcze hamulcowe o nieco większej średnicy niż w przypadku konwencjonalnych tarcz żeliwnych, aby zapewnić wystarczającą powierzchnię dla wymaganej wydajności hamowania. W zamian grubość tarczy hamulcowej ze stali nierdzewnej może być mniejsza. Ponieważ materiał wyjściowy dla elementu początkowo występuje w formacie kwadratowym, powstają odpady cięcia, które mogą być jednak ponownie przetopione. W zależności od pojazdu cztery tarcze hamulcowe ze stali nierdzewnej są o nawet 5 kg lżejsze w porównaniu do rozwiązań żeliwnych.
Mniejsza waga nie tylko obniża zużycie energii pojazdu, ale także zmniejsza masy niesprężynowe. Dzięki temu sprężyny i amortyzatory mogą działać efektywniej, co poprawia dynamikę pionową i ogólne zachowanie pojazdu.
Opcja hamulca o długiej żywotności, pozytywna bilans kosztów
Koszty produkcji tarcz hamulcowych z żeliwa wydają się niskie tylko tak długo, jak nie ma przepisów prawnych dotyczących emisji pyłu zawieszonego powstającego w wyniku zużycia hamulców. Wraz z wprowadzeniem normy Euro-7 w przypadku samochodów osobowych i lekkich pojazdów dostawczych o masie całkowitej do 3,5 tony dopuszczalne są jednak tylko 3 mg/km dla pojazdów elektrycznych i 7 mg/km dla wszystkich innych rodzajów napędu. W tym przypadku konwencjonalny hamulec kołowy zazwyczaj musi „pasować”, nawet w połączeniu z wysokiej jakości okładzinami - takich wartości nie może osiągnąć. Ale nawet bez regulacyjnych wymogów normy Euro-7, jej całkowity bilans kosztów, odnosząc się do żywotności pojazdu do 300 000 km, jest niekorzystny. Gdy osiągnięty zostanie limit zużycia, musi być wymieniona (często razem z okładzinami), przy czym koszty robocizny często stanowią największy udział w kosztach. Wymiana może być konieczna już po mniej niż 40 000 km przebiegu, jeśli długie przestoje pojazdu i sól drogowa (korozja), ruch krótkodystansowy lub sportowy styl jazdy (zwiększone zużycie, powstawanie rys) miały na to wpływ.
Pierwsze testy zakończone sukcesem
Tarcza hamulcowa ze stali nierdzewnej opracowana przez Fraunhofer IWU wspólnie z katedrą projektowania systemów pojazdów na TU Chemnitz, ElringKlinger AG oraz ANDRITZ AWEBA GmbH została już pomyślnie przetestowana na stanowisku prób obciążenia wirnika TU Chemnitz. Tarcza hamulcowa pomyślnie przeszła testy według SAE J2522 (AK-Master). Test wykazał bardzo dobre właściwości tribologiczne. System składający się z tarczy hamulcowej ze stali nierdzewnej i nieorganicznego materiału ciernego wykazał około 85 procent mniejsze zużycie w porównaniu do obecnie dostępnych na rynku rozwiązań.
Partnerzy projektu
Dostawca części samochodowych ElringKlinger AG wniósł swoje know-how procesowe w zakresie powlekania oraz wiedzę materiałową w obróbce metali do projektu „Ufo-Brems”. ANDRITZ AWEBA GmbH należy do dostawców kompleksowych w obszarze narzędzi do formowania, cięcia i odlewania ciśnieniowego, od rozwoju po gotowość do produkcji seryjnej. Katedra projektowania systemów pojazdów na TU Chemnitz udostępniła swoją infrastrukturę testową i zajęła się projektowaniem tarczy hamulcowej. Fraunhofer IWU ma swoje korzenie nie tylko w technologii formowania i prowadził równolegle symulację MES oraz eksperymentalne wdrożenie etapów formowania dla tarczy hamulcowej.
Kontakt:
