Reibbelag-Experte TMD Friction entwickelt Messverfahren für die neue Euro-7 Norm

Mit der neuen „Euro-7-Norm“ rücken erstmals sogenannte Nicht-Abgas-Partikelemissionen in den Mittelpunkt. So sollen frühestens ab Januar 2025 für alle neuzugelassenen Pkw auch strenge Vorgaben für Brems- und Reifenabrieb gelten. Als Spezialist für Reibbelag-Technologie unterstützt TMD Friction die Ausgestaltung der „Euro-7“ im Bereich Bremsemissionen und arbeitet eng mit Automobilherstellern und weiteren Zulieferern zusammen. Auch eine innovative Belagrezeptur für staubarmes Bremsen ist in der Entwicklung, um globale Autoproduzenten auf dem Weg zu einer schadstoff- und emissionsfreien Mobilität zu unterstützen.

Die Emissionen von Verbrennungsmotoren sind seit Jahren ein öffentlich sehr präsentes Thema, für das es EU-weit strenge Richtlinien gibt. Seit 1992 gibt es europaweit gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte für den Schadstoffausstoß von Neufahrzeugen, um Mensch und Umwelt zu schützen. Die ersten einheitlichen Abgasvorschriften für Pkw in der Europäischen Union traten 1970 in Kraft. Die heute übliche Bezeichnung „Euro-Norm“ wurde 1992 mit der Abgasstufe Euro-1 eingeführt, aktuell gilt die Euro-6-Norm. Dank immer strengerer Grenzwerte und zunehmend ausgefeilter Technik sind die Antriebe moderner Fahrzeuge sauberer geworden und die durch den Verbrennungstrakt verursachte Feinstaubbelastung ist gesunken. Doch trotz dieser Erfolge der Automobilindustrie und der zunehmenden Zahl an Elektrofahrzeugen ist die Feinstaubbelastung – vor allem in Städten – nach wie vor hoch. Somit rücken nun sogenannte Nicht-Abgas-Partikelemissionen in den Mittelpunkt. Denn der größte Teil des Feinstaubs im Straßenverkehr wird heute nicht mehr durch Abgase erzeugt, sondern – unabhängig von der Antriebstechnologie – durch den Abrieb von Bremsen und Reifen. Mit der Euro-7 wird der Kampf gegen Feinstaub nun auf diese gesundheits- und umweltschädlichen Partikelemissionen ausgeweitet, um die EU-Ziele einer schadstoff- und emissionsfreien Mobilität zu erreichen.

Bremsstaub messen – aber wie?

Der Schlüssel auf dem Weg zur neuen Euro-7-Norm ist es, eine Methode zu finden, die einerseits einheitlich und reproduzierbar ist und andererseits die Realität möglichst genau abbildet. Um ein geeignetes Vorgehen als Basis der Euro-7 im Bereich Bremsemissionen zu entwickeln, kommen ausgewählte Experten aus der Automobil- und Zulieferindustrie in der Arbeitsgruppe `Particle Measurement Programme` (PMP) der Wirtschaftskommission für Europa der Vereinten Nationen (UNECE), zusammen. Seit 2016 bringt TMD Friction als Experte für Reibbelag-Technologie mit eigener Forschung und Entwicklung sowie Fertigung seine Expertise zum Thema Bremsemissionen als aktives Mitglied in dieser Arbeitsgruppe ein. Repräsentiert wird das Unternehmen von Philipp Nyhof, Development Engineer bei TMD Friction. Gemeinsam mit Vertretern der Fahrzeughersteller, aber auch anderen Bremsenmarken sowie Prüfgeräteherstellern und Forschungsinstituten prüft und entwickelt er geeignete Methoden, mit denen der Abrieb beim Bremsvorgang künftig einheitlich und zuverlässig gemessen werden kann.

Während sich Abgase relativ einfach gebündelt am Auspuffrohr über eine Sonde erfassen lassen, rotieren Bremskomponenten am Rad. Das führt einerseits dazu, dass die Partikel nicht in eine, sondern durch die Rotation von Rad, Felge und Bremsscheibe in verschiedene Richtungen entweichen. Das erschwert die Messung von Bremsstaubemissionen am Fahrzeug. Beim Testen am Prüfstand besteht die Herausforderung darin, alle Bremspartikel einzufangen. Eine nahe liegende Lösung wäre es, das Bremssystem komplett einzukapseln, sodass keine Partikel verloren gehen. Das hätte allerdings Auswirkungen auf die Bremsleistung, da die Wärme durch die Kapselung schlechter abgegeben werden kann. Daher soll am Prüfstand mittels einer Bremsen-Umhausung gemessen werden. Zudem sind mindestens zwei separate Messpositionen notwendig – je eine an Vorder- und Hinterachse.
Dabei müssen die Partikelverluste auf dem Weg von der Bremse bis hin zur Probenentnahmestelle so gering wie möglich gehalten werden. Dazu ist eine isokinetische Probenahme notwendig, bei der der Volumenstrom zur Kühlung der Bremse genau auf den Entnahmestrom des Messgeräts ausgerichtet wird. Das gewährleistet, dass die Messwerte für die Partikelmasse nicht verfälscht werden.

Um sicherzustellen, dass sich die Messergebnisse auf den realen Fahrbetrieb übertragen lassen, wurde bereits erfolgreich ein einheitlicher Prüfzyklus entwickelt: der WLTP-Bremszyklus. Dieser Zyklus wurde mithilfe realer Fahrzeugdaten definiert und bildet über einen längeren Zeitraum verschiedene Betriebspunkte der Bremse ab. Dies gewährleistet eine reproduzierbare Erfassung des Bremsenabriebs. Mit diesem WLTP-Bremszyklus sollen zukünftig die Bremsemissionen auf Prüfständen einheitlich gemessen werden. Darüber hinaus ist es entscheidend, auf dem Prüfstand das jeweilige Fahrzeugmodell exakt abzubilden. So beeinflussen beispielsweise die Kombination aus Bremsbelag und Bremsscheibe, aber auch das Fahrzeuggewicht und die Gewichtsverteilung das Verschleißverhalten signifikant. Diese Parameter müssen auf dem Prüfstand dargestellt werden, ebenso wie das Brake-Blending der Fahrzeuge mit Elektroantrieb. Denn das rekuperative Bremsen sorgt im realen Fahrbetrieb dafür, dass die Reibbremse seltener zum Einsatz kommt und per se weniger Bremsstaub entsteht. Alle diese Faktoren müssen auch im simulierten Prüfzyklus berücksichtigt werden.

Im Juni 2022 hat die Arbeitsgruppe `Particle Measurement Programme`(PMP) einen ersten Entwurf für eine sogenannte globale technische Regulierung vorgestellt. Darin werden Messmethodik, Testzyklus und Prüfstandaufbau exakt definiert, um Bremspartikel einheitlich, zuverlässig und reproduzierbar messen zu können. Die offizielle globale technische Regulierung soll Anfang 2023 veröffentlicht werden, sodass ausreichend speziell zugelassene Messgeräte entwickelt, akkreditiert und produziert werden können, bevor die Euro-7 in Kraft tritt.

Mit Expertenwissen zum umweltfreundlichen Bremsbelag

Den Weg zu einer emissionsarmen Mobilität ebnen die Ingenieure bei TMD Friction nicht nur durch die Mitarbeit an der Ausgestaltung einer geeigneten Methodik zur Messung der Bremsstaubemissionen. Sie arbeiten auch schon aktiv mit Automobilherstellern an einer innovativen Belagrezeptur, die staubarmes Bremsen ermöglicht. Denn beim Tritt auf die Bremse entsteht unweigerlich schwarzer Bremsstaub: Wenn Bremsbeläge und Bremsscheiben aufeinandertreffen werden kleinste Partikel abgerieben und in die Luft geschleudert. Um diesen Feinstaub zu reduzieren, setzt TMD Friction seit Langem auf umweltverträgliche Belagmischungen. In der Entwicklungsabteilung, wo alle Beläge für die Marken Textar, Mintex, Don, Pagid, Cobreq, Nisshinbo und Bendix für Erstausrüstung und Ersatzteilmarkt entstehen, hat der Schutz von Umwelt und Gesundheit neben der Sicherheit oberste Priorität. „Durch mechanischen Abrieb beim Bremsvorgang entsteht Feinstaub, der in die Umwelt freigesetzt wird und zu Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen kann. Daher muss man genau hinschauen, welche Materialien zum Einsatz kommen. Und genau das machen wir bei jeder Entwicklung in unseren eigenen Laboren gewissenhaft. 2013 haben wir als erster Bremsbelaghersteller ein kupferfreies Reibmaterial für die Erstausrüstung eines deutschen Hochleistungsfahrzeuges entwickelt – für die BMW-Modelle M3 und M4. Heute ist auch im Ersatzteilgeschäft ein Großteil des Programms auf kupferfreie Materialien umgestellt. Mit dem epad bieten wir dem IAM schon seit 2011 einen speziellen Bremsbelag, der die Bremsstaubemissionen gegenüber herkömmlichen Belägen deutlich reduziert. Durch solche Lösungen leisten wir einen entscheidenden Beitrag zum umweltfreundlichen Bremsen“, erklärt Vincenzo Di Caro, Senior Manager Vehicle Programme bei TMD Friction.

Die richtige Mischung macht‘s

Das Unternehmen fertigt alle seine Reibmaterialmischungen selbst und darf als einer von wenigen Bremsbelagherstellern in die Serie liefern. Mit eigener Entwicklungs- und Prüfabteilung bringt TMD Friction das nötige Wissen mit, um für jedes Fahrzeug und seine Anforderungen eine speziell abgestimmte Rezeptur zu entwickeln, die das geforderte Bremserlebnis liefert – genau das ist die Kernkompetenz von TMD Friction seit mehr als 100 Jahren. Für das gewünschte Endergebnis mischen die Ingenieure eine hochkomplexe Rezeptur aus bis zu 43 Rohmaterialien. Dabei kommen lediglich ausgewählte, qualitativ hochwertige Rohstoffe zum Einsatz. Mit den Anforderungen der Euro-7 stehen die Entwicklungsingenieure bei TMD Friction wiederholt vor der Herausforderung, den richtigen Kompromiss bei der Auswahl der Rezepturkomponenten zu finden, mit dem sich ein staubarmes Abbremsen des Fahrzeugs realisieren lässt. Für ein gutes Gesamtpaket werden die Auswirkungen auf Performance, Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit des Belags kontinuierlich geprüft. „Eine große Herausforderung dabei ist, dass wir bereits heute starten, ohne dass die Grenzwerte final festgelegt worden sind. Um keine Zeit zu verlieren, arbeiten wir bereits in die Richtung, die mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erwarten ist. Im ersten Schritt untersuchen wir, durch welche Rohstoffkombinationen in Verbindung mit speziell beschichteten Bremsscheiben die Emission von Bremsstaub reduziert werden kann“, so Di Caro. Auf der Suche nach der verschleiß- und emissionsarmen Belagmischung dürfen Sicherheit und Bremsperformance nicht auf der Strecke bleiben. So wichtig die Reduzierung des Feinstaubs ist – das Bremsverhalten ist nicht nur ein wichtiger Aspekt für das Fahrverhalten und damit für den Fahrspaß, sondern der Bremsweg ist sicherheitsrelevant. Entscheidend ist dabei aber auch das Zusammenspiel vom Bremsbelag mit der Scheibe. Denn der Abtrag des Scheibenmaterials ist ein wesentlicher Bestandteil des Bremsstaubes, wobei die Menge des abgetragenen Scheibenmaterials entscheidend von der gewählten Reibmaterialrezeptur des Bremsbelags abhängt. Auch das Temperaturverhalten der Bremsscheibe ist ein entscheidender Faktor: Ist sie in der Lage, viel Reibungshitze aufzunehmen und an die Umgebungsluft abzugeben, kann dies maßgeblich den Verschleiß und damit die Staubentwicklung des Bremsbelags reduzieren. Aus diesem Grund berücksichtigt TMD Friction bei der Entwicklung von Bremsbelägen stets auch die Bremsscheibe als Reibpartner.

TMD Friction, hundertprozentige Tochtergesellschaft der Nisshinbo Holdings Inc., ist ein weltweit führender Hersteller von Bremsbelägen für die Automobil- und Bremsenindustrie. Zum Produktportfolio zählen neben Scheiben- und Trommelbremsbelägen für Pkw und Nutzfahrzeuge auch Bremsbeläge für den Rennsport sowie Reibmaterialien für die Industrie. Mit den Marken Textar, Mintex, Don, Pagid, Cobreq, Nisshinbo und Bendix versorgt TMD Friction den weltweiten Ersatzteilmarkt. Unter dem Markennamen Cosid entwickelt und produziert TMD Friction außerdem Reibbeläge für die Industrie. Die TMD Friction Group hat vier Standorte in Deutschland und weitere in Europa, den USA, Brasilien, Mexiko, China und Japan und beschäftigt weltweit 4.500 Mitarbeiter.

Weitere Informationen unter www.tmdfriction.com.

TMD Friction, hundertprozentige Tochtergesellschaft der Nisshinbo Holdings Inc., ist ein weltweit führender Hersteller von Bremsbelägen für die Automobil- und Bremsenindustrie. Zum Produktportfolio zählen neben Scheiben- und Trommelbremsbelägen für Pkw und Nutzfahrzeuge auch Bremsbeläge für den Rennsport sowie Reibmaterialien für die Industrie. Mit den Marken Textar, Mintex, Don, Pagid, Cobreq, Nisshinbo und Bendix versorgt TMD Friction den weltweiten Ersatzteilmarkt. Unter dem Markennamen Cosid entwickelt und produziert TMD Friction außerdem Reibbeläge für die Industrie. Die TMD Friction Group hat vier Standorte in Deutschland und weitere in Europa, den USA, Brasilien, Mexiko, China und Japan und beschäftigt weltweit 4.500 Mitarbeiter.

Weitere Informationen unter www.tmdfriction.com.

Wettrennen mit der Zeit

Die eigentliche Herausforderung auf dem Weg zur Euro-7 ist die wenige Zeit, die den Entwicklern bleibt, um bestehende und zukünftige Entwicklungen auf die neuen Anforderungen auszurichten und entsprechende Lösungen bis 2025 zur Serienreife zu bringen. Die gesamte Industrie arbeitet aktuell an Konzepten, um die Bremsstaubemissionen zu reduzieren – obwohl der Grenzwert noch nicht final definiert wurde. „Es wird sportlich bis 2025 eine technische Lösung zu entwickeln, die einen signifikanten Beitrag in der Bremsstaubreduzierung leisten wird. Aber beim Abgas hat es die Automobilindustrie auch immer wieder geschafft, trotz strengerer Grenzwerte immer sauberere und dabei gleichzeitig leistungsstärkere Motoren zu entwickeln. Das wird beim Bremssystem auch so sein“, erklärt Philipp Nyhof, Development Engineer bei TMD Friction. „Auf der Suche nach einer neuen einzigartigen Rohstoffkombination profitieren wir ganz klar von über 100 Jahren Entwicklungs-Know-how für die internationale Automobilindustrie.“ In den letzten mehr als drei Jahrzehnten hat das Unternehmen mehr als 50.000 verschiedene Reibmaterialmischungen entwickelt, hergestellt und getestet, um die Anforderungen der Industrie zu erfüllen. Der Spezialist für Reibmaterialtechnologie ist überzeugt, dank seiner Entwicklungsexpertise auch dieses Mal ausgewählte Rohstoffkomponenten so aufeinander abstimmen zu können, dass er den Fahrzeugherstellern eine innovative Lösung in puncto Bremsstaubvermeidung bieten kann.

KURZINTERVIEW

3 Fragen an Philipp Nyhof, Development Engineer und Vincenzo Di Caro, Senior Manager Vehicle Programme, TMD Friction:

Wie sieht der Zeitplan für die Regulierung aus?

Philipp Nyhof: „Die Euro-7-Norm soll frühestens 2025 für alle neuzugelassenen Pkw gelten. In der Arbeitsgruppe Particle Measurement Programme ist im Juni 2022 ein erster Entwurf für eine sogenannte globale technische Regulierung (GTR) vorgestellt worden. Darin wird die Messmethodik, der Testzyklus und der Prüfstandaufbau exakt definiert, um Bremspartikel einheitlich, zuverlässig und reproduzierbar messen zu können. Die offizielle GTR soll idealerweise Anfang 2023 veröffentlicht werden. Dann hätte die Industrie etwa zwei Jahre Vorlauf, bevor die Euro-7-Norm in Kraft tritt.“

Wie sieht es denn bei Elektrofahrzeugen mit den Bremsemissionen aus?

Philipp Nyhof: „Durch regeneratives Bremsen kommt die Reibbremse seltener zum Einsatz, sodass auch weniger Bremsstaub entsteht. Die Prüfprogramme müssen dieses sogenannte Brake-Blending zukünftig berücksichtigen. Eventuell halten aktuelle Elektrofahrzeuge bereits heute schon die zukünftigen Grenzwerte für Bremsemissionen ein. Ganz genau kann man das natürlich erst beantworten, wenn wir die Details kennen. Es ist aber durchaus denkbar, dass Elektrofahrzeuge mit den heutigen Bremsbelägen weiterfahren können.“

Vincenzo Di Caro: „Es könnte durchaus sein, dass wir, was die speziellen technischen Lösungen der Bremsenkomponenten zur Einhaltung der durch die Euro-7 definierten Grenzwerte angeht, über ein Intermezzo reden. Wenn wir jetzt mal überlegen, wie viele Fahrzeughersteller sich ab 2030 komplett von den Verbrennungsmotoren verabschieden wollen; und dann überwiegend Elektrofahrzeug zugelassen werden, die die Vorgaben hinsichtlich Bremsstaub möglicherwiese schon mit den heute genutzten Reibmaterial- und Bremsscheibenpaarungen einhalten, dann kann es sein, dass wir dann weiterhin auf die altbewährten Reibmaterialpaarungen zurückgreifen können. Aber das bleibt natürlich erst mal abzuwarten.“

Wenn wir an den freien Ersatzteilmarkt denken, welche Auswirkungen wird die Euro-7-Norm denn hier auf Bremsbeläge zum Austauschen und Nachrüsten haben?

Vincenzo Di Caro: „Zunächst einmal keine direkten, denn die Euro-7-Vorschrift gilt ja voraussichtlich ab 2025 für alle neu zugelassenen Pkw. Bis diese Fahrzeuge dann in die freien Werkstätten kommen, vergehen ja mindestens ein bis zwei Jahre. Trotzdem muss natürlich sichergestellt werden, dass die Bremsbeläge auf dem Ersatzteilmarkt auch die aktuellen Emissionsgrenzwerte erfüllen. Ich halte es für sehr wahrscheinlich, dass hierbei die Richtlinie ECE-R-90 entsprechend erweitert wird. Diese würde dann nicht nur – wie bisher – fordern, dass Aftermarket-Bremsbeläge bzw. -Bremsscheiben in Leistung und Bremsverhalten den Originalprodukten entsprechen müssen, sondern dass zusätzlich auch die Bremsstaubgrenzwerte eingehalten werden. Für uns würde das dann bedeuten, dass wir ein Reibmaterialkonzept finden müssen, das sowohl die bereits bestehenden R90 Anforderungen erfüllt und darüber hinaus noch die Grenzwerte in Bezug auf Bremsstaubemissionen einhält.“

Images:

Caption 1: TMD Friciton Umwelt

Reibbelag-Experte TMD Friction entwickelt Messverfahren für die neue Euro-7 Norm. Mit der neuen „Euro-7-Norm“ rücken erstmals sogenannte Nicht-Abgas-Partikelemissionen in den Mittelpunkt. So sollen frühestens ab Januar 2025 für alle neuzugelassenen Pkw auch strenge Vorgaben für Brems- und Reifenabrieb gelten

Caption 2: Vincenzo di Caro

Senior Manager Vehicle Programme at TMD Friction

Caption 3: Philipp Nyhoff

Philipp Nyhoff, Development Engineer at TMD Friction

Save