Tarcze hamulcowe ze stali nierdzewnej a norma Euro 7
Uniwersytet Technologiczny w ChemnitzNorma Euro 7 po raz pierwszy wprowadza limity emisji pyłu powstającego podczas zużycia układów hamulcowych. Opracowana przez konsorcjum projektowe z udziałem Instytutu Fraunhofera IWU tarcza hamulcowa ze stali nierdzewnej pozwala ograniczyć zużycie elementów ciernych nawet o 85%, co bezpośrednio przekłada się na zmniejszenie emisji pyłu hamulcowego oraz zwiększenie trwałości elementów układu hamulcowego.
Rosnące wymagania dotyczące ograniczania emisji cząstek stałych sprawiają, że producenci układów hamulcowych poszukują alternatyw dla klasycznych tarcz z żeliwa szarego. Jednym z najbardziej perspektywicznych kierunków rozwoju są tarcze hamulcowe ze stali nierdzewnej, stanowiące obiecującą alternatywę dla konwencjonalnych rozwiązań. Zastosowanie tłoczonej tarczy ze stali nierdzewnej współpracującej z nieorganiczną okładziną cierną pozwala ograniczyć zużycie o ponad 85% w porównaniu z tradycyjnymi układami hamulcowymi. Prognozowana trwałość eksploatacyjna rozwiązania może sięgać nawet 300 tys. km.
Dlaczego azotowana stal nierdzewna jest odpowiednia
Zespół projektowy już na wczesnym etapie zdecydował się na zastosowanie azotowanej stali nierdzewnej, która dzięki korzystnym właściwościom tribologicznym i wysokiej odporności termicznej dobrze sprawdza się w układach hamulcowych. Potwierdzają to także doświadczenia eksploatacyjne związane ze stosowaniem tarcz hamulcowych ze stali nierdzewnej w motocyklach.
Alternatywne rozwiązania, takie jak tarcze węglowo-ceramiczne, znajdują zastosowanie głównie w pojazdach klasy premium ze względu na bardzo wysokie koszty produkcji. Z kolei powlekanie tarcz z żeliwa szarego pozostaje procesem wymagającym technologicznie, a metody napawania laserowego nadal nie są w pełni przygotowane do wdrożenia w produkcji seryjnej. Natomiast tarcze wykonane ze stali konstrukcyjnej nie zapewniają wymaganej stabilności wymiarowej w temperaturach przekraczających 650oC. Dodatkowo zachodzące w tym zakresie temperatur przemiany mikrostrukturalne mogą prowadzić do pogorszenia właściwości materiału.
Produkcja metodą obróbki plastycznej i korzyści wynikające z redukcji masy
Zespół projektowy opracował tarcze hamulcowe ze stali nierdzewnej o większej średnicy niż konwencjonalne tarcze z żeliwa szarego, co pozwoliło uzyskać wymaganą skuteczność hamowania przy jednoczesnym zmniejszeniu grubości tarczy.
W procesie produkcyjnym wykorzystywane są arkusze o kształcie kwadratu, dlatego podczas wycinania tarcz powstają odpady poprodukcyjne. Materiał ten może jednak zostać ponownie przetopiony i wykorzystany w kolejnych etapach produkcji. W zależności od konstrukcji pojazdu komplet czterech tarcz hamulcowych ze stali nierdzewnej może być nawet o 5 kg lżejszy od odpowiedników wykonanych z żeliwa szarego.
Redukcja masy układu hamulcowego nie tylko ogranicza zużycie energii przez pojazd, ale również zmniejsza masę nieresorowaną. Dzięki temu elementy zawieszenia, takie jak sprężyny i amortyzatory, mogą pracować skuteczniej, co przekłada się na poprawę charakterystyki tłumienia oraz właściwości jezdnych pojazdu.
Hamulce o wydłużonej trwałości i niższych kosztach eksploatacji
Koszty produkcji tarcz hamulcowych z żeliwa szarego pozostają konkurencyjne jedynie do momentu wejścia w życie regulacji dotyczących emisji pyłu powstającego podczas zużycia układu hamulcowego. Norma Euro 7 wprowadza limit emisji na poziomie 3 mg/km dla bateryjnych pojazdów elektrycznych (BEV) oraz 7 mg/km dla pozostałych rodzajów napędu w samochodach osobowych i lekkich pojazdach użytkowych o DMC do 3,5 t.
W takich warunkach klasyczne układy hamulcowe wykorzystujące tarcze z żeliwa szarego często nie są w stanie spełnić wymagań emisyjnych, nawet przy zastosowaniu wysokiej jakości okładzin ciernych. W całym cyklu eksploatacji pojazdu całkowity koszt eksploatacji (TCO) konwencjonalnych układów hamulcowych znacząco wzrasta z powodu zużycia elementów ciernych i konieczności ich regularnej wymiany.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
W praktyce wymiana tarcz hamulcowych może być konieczna już przed osiągnięciem przebiegu 40 tys. km. Dotyczy to zwłaszcza pojazdów eksploatowanych w warunkach sprzyjających korozji, takich jak dłuższe okresy nieużytkowania pojazdu, intensywne oddziaływanie soli drogowej czy częsta jazda na krótkich dystansach. Dodatkowym czynnikiem przyspieszającym zużycie jest dynamiczny styl jazdy sprzyjający przyspieszonemu zużyciu powierzchni ciernych.
Pierwsze testy potwierdziły skuteczność rozwiązania
Tarcza hamulcowa ze stali nierdzewnej, opracowana przez Instytut Fraunhofera IWU we współpracy z Katedrą Projektowania Systemów Pojazdowych Politechniki w Chemnitz, firmą ElringKlinger AG oraz ANDRITZ AWEBA GmbH, została pomyślnie przetestowana na stanowisku bezwładnościowym Politechniki w Chemnitz. Badany układ pomyślnie przeszedł testy zgodnie z normą SAE J2522 (AK-Master). Wyniki badań potwierdziły bardzo dobre właściwości tribologiczne układu ciernego. System składający się z tarczy hamulcowej ze stali nierdzewnej oraz nieorganicznego materiału ciernego wykazał zużycie mniejsze o ok. 85% w porównaniu z rozwiązaniami dostępnymi obecnie na rynku.
Partnerzy projektu „Ufo-Brems”
Firma ElringKlinger AG odpowiadała w projekcie „Ufo-Brems” za zagadnienia związane z procesami powlekania oraz materiałoznawstwem metali. ANDRITZ AWEBA GmbH specjalizuje się w projektowaniu i wytwarzaniu narzędzi do formowania, cięcia oraz odlewania ciśnieniowego, wspierając wdrażanie rozwiązań przeznaczonych do produkcji seryjnej.
Katedra Projektowania Systemów Pojazdowych Politechniki w Chemnitz udostępniła infrastrukturę badawczą oraz odpowiadała za projekt tarczy hamulcowej. Instytut Fraunhofera IWU przeprowadził symulacje MES oraz realizację prób technologicznych związanych z procesem wytwarzania tarczy hamulcowej.
Źródło: Fraunhofer IWU
