ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 103 (2001) 170

Werkstoffe Bremsbeläge

1 Einführung

Ein gutes Verständnis der Ursachen vonKomfortproblemen im Bereich Reibmate-rial und Bremssystem schafft erst die Vor-aussetzung, dem Fahrzeughersteller opti-mal vorentwickelte Produkte zu liefern.Traditionell wurden Reibmaterialien empi-risch entwickelt: Die Auswahl erfolgte imZuge einer Serie von Tests auf Dynamome-ter-Prüfständen, um Leistungs- und Ver-schleißverhalten der Reib-Partner zu unter-suchen. Hinzu kamen Fahrzeuguntersu-chungen, die eine Geräusch- und Rubbelbe-urteilung ermöglichten. Eine systematischeMaterialentwicklung dagegen sowie dieModellbildung zur Vorhersage von Tester-gebnissen ist nur auf der Basis verlässlicherexperimenteller Daten möglich. Die hierbeschriebene Testmethodik wurde deshalbspeziell zum effizienteren Einsatz von Dy-namometer-Prüfungen entwickelt. Es galt,sowohl den Vorhersagecharakter dieserTests zu verbessern, als auch die Zahl derzeit- und kostenintensiven Fahrzeugtestszu reduzieren.

2 Das Problemfeld

Die weltweiten Hauptbeanstandungen imBereich der Bremse sind Bremsenquiet-schen, -rubbeln und -knarzen. Bremsrub-beln ist eine Bremsmomentenschwan-kung, die ihren Ursprung darin hat, dasseine Bremse auf einer Scheibe mit über denUmfang ungleicher Dicke läuft. Die Auswir-kungen dieser Momentenschwankungenkönnen als Lenkraddrehschwingung, Pe-

Geräusche, Schwingungen und Rauheiten sind von größter Bedeutungfür die Automobilhersteller, denn sie können gravierende Ursachen fürGarantiefälle liefern und beeinflussen darüber hinaus direkt, wie derKunde sein Fahrzeug wahrnimmt. Als einer der führenden Anbietervon Reibmaterialien hat Federal-Mogul ein neues Untersuchungsver-fahren zur effizienten Bestimmung geeigneter Reibmaterial-Paarungenentwickelt.

Entwicklung einer Methodezur Untersuchung von Bremsen-Kaltrubbeln

dalpulsation oder – im Extremfall – alsSchwingung des Gesamtfahrzeugs inFahrtrichtung beobachtet werden. Ursacheist eine Scheibendickenschwankung (DTV,Disk Thickness Variation). Sie kann vonpartiellem Kontakt der Scheibe mit dem Be-lag in ungebremstem Zustand herrührenoder von ungleicher thermischer Ausdeh-nung der Scheibe bei höherer Belastungverursacht werden.

Für den vorliegenden Beitrag interessiertprimär der partielle Kontakt zwischenBremsbelag und Scheibe als Ursache für dasKaltrubbeln: Während der ungebremstenFahrt kann der Scheibenschlag zu einemperiodischen Kontakt zwischen Scheibeund Belag führen. Es kommt zu Verschleißin der Kontaktregion, der sich in einer ein-seitigen Dickenabweichung (falls nur einBelag die Scheibe berührt) oder einer beid-seitigen Dickenabweichung (beide Belägehaben Kontakt) über den Umfang nieder-schlägt. Bei der Betätigung der Bremseführt dies zu der erwähnten Bremsmomen-tenschwankung, die je nach Ausprägungunterschiedlich stark im Fahrzeug spürbarist. Darüber hinaus kann es durch Druck-schwankungen im hydraulischen Systemzur Pedalpulsation kommen. Viele Faktorenbeeinflussen die Höhe der generierten DTV.Etwa der ständig existierende Scheiben-schlag und das Verhalten des Reibmaterialsselbst, aber auch das Bremsendesign kanndas Rubbeln beeinflussen.

Der Reibmaterialhersteller muss deshalbdas Material sehr gut ausbalancieren, umden besten Kompromiss zu erhalten zwi-schen beispielsweise der Entfernung von

Scheibenkorrosion und der DTV-Erzeugungund deren Korrektur.

3 Konsequenzen für die Vorentwicklung

Wachsender Zeit- und Kostendruck bei derEntwicklung von Reibmaterialien mit ver-bessertem Komfort-, Leistungs- und Ver-schleißverhalten sowie die geringere Zahlnotwendiger Fahrzeugversuche hat zu ei-ner Abkehr vom eingangs beschriebenen,traditionell empirischen Entwicklungsan-satz geführt. Die Forderung nach „fertigvorentwickelten“ Materialien seitens derFahrzeughersteller hat vielfältige Änderun-gen in der Vorentwicklung in Gang gesetzt.

Die Vorentwicklung stellt heute eine Aus-wahl von Reibmaterialien zur Verfügung,die nach einer Reihe von Tests bezüglichLeistung, Verschleiß und Komfort bereitsverlässliche Basiseigenschaften aufweisen.Auf diese Weise können Materialien ausder Vorentwicklung für spezielle Anwen-dungsfälle bereits mit einem sehr hohenVertrauensniveau ausgewählt und benutztwerden, Bild 1.

Dr. Tim Hodges ist NVH-Manager bei der Federal-Mogul Friction Products Group, Chapel-en-le-Frith,Großbritannien.

Franz-Josef Dlugoschist Applications Manager bei der Federal-Mogul Friction Products Group, Bad Camberg.

Die Verfasser

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Ein weiterer Vorteil systematischer Vorent-wicklung ist die so erzeugte enge Verbin-dung zwischen der Forschung und der An-wendungsentwicklung für den Kunden.Für die Entwicklung im Bereich Komfortenthält das Vorentwicklungsprogrammeine Untersuchung, die das Potenzial einesMaterials in Bezug auf die Erzeugung unddie Korrektur von Scheibendickenabwei-chungen aufzeigt. Des Weiteren wird einGeräuschmatrixtest durchgeführt, der dasGeräuschverhalten des Materials oberhalb1 kHz im Anwendungsfall abbildet, sowieein Knarztest. Wieder andere Tests zeigendas Leistungs- und Verschleißverhalten.

4 Testmethoden zur Scheiben-dickendifferenz-Erzeugung im ungebremsten Zustand

Um ein Verständnis dafür zu entwickeln,welche Kompromisse im Design des Mate-rials möglich sind, sind reproduzierbareTests unumgängliche Voraussetzung. Diebeiden bisher verwendeten Methoden zurErzeugung von DTV im ungebremsten Zu-stand waren die Erzeugung im Fahrzeugoder auf einem definiert voreingestelltenPrüfstand. Das Hauptproblem des letzterenAnsatzes war die Validität: Das Systemmusste derart vereinfacht werden, dass dieKorrelation der Prüfstandsergebnisse mitFahrzeugdaten immer Anlass zu Diskussio-nen gab.

Andereseits waren die meistens nur ausFahrtests erhältlichen Fahrzeugdaten, ob-wohl eher relevant, meistens nicht kontrol-liert und reproduzierbar genug für einestrukturierte Materialentwicklung. Die Ur-sache dafür ist in vielen Faktoren zu su-chen, beispielsweise in Straßen- und Ver-kehrsbedingungen sowie unterschiedli-chen Fahrstilen. Darüber hinaus ist derFahrzeugtest zeit- und kostenintensiver alsder Prüfstandstest.

WerkstoffeBremsbeläge

Vorausgesetzt, das Kontrollsystem ist aus-reichend präzise, haben Dynamometer-Prüfstände den Vorteil, dass sich die Testbe-dingungen exakt reproduzieren lassen. Umdiesen Vorteil voll ausschöpfen zu können,wurde ein Dynamometertest entwickelt,

Form der Kontrolle ist die Simulation des(periodischen) Niederdruckkontakts, derletztlich zur DTV führt, also nicht möglich.

Federal-Mogul hat eine patentierte Testvor-richtung entwickelt, die genau diesen Kon-

R&D TechnologieStrategische MarktzieleMomentane Schwächen

Materialfamilien (80-90% entwickelt)

Internes ArchivZielvorgaben für die Forschung

Verbessertes VerständnisSchnellere kundenorientierte

EntwicklungKosteneffizienz

Vorentwicklung

INPUT OUTPUT

Bild 1: Systematische Materialvorentwicklung – Überblick

Bild 2: Vorrichtung für den kontrollierten Kontakt des Bremsbelags zur Scheibe

Bild 3: Infrarotauf-nahme des Kontakt-feldes auf der Scheibe

der es erlaubt, die Höhe der DTV einzuschät-zen, die ein Reibmaterial während eines Au-tobahnfahrzyklus erzeugt. Eine Haupther-ausforderung bei diesen Tests ist die Kon-trolle der Konstanz und Höhe desScheibe/Belag-Kontakts während des ge-samten Testlaufs. Während eines sehr lan-gen Tests vermindert sich dieser Kontaktauf Grund einer Vielzahl von Faktoren wiezum Beispiel Belagverschleiß und Kolben-rückbewegung. In einem Fahrzeug dagegenwird der Kontakt während der Fahrt vonZeit zu Zeit durch die Bremsbetätigung wie-der aufgefrischt. Ohne eine diesbezügliche

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takt im ungebremsten Zustand kontrolliert.Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, diemeisten Bremseneinflüsse zu eliminieren,indem der Belag in periodischem Kontaktmit der Scheibe gehalten wird und somitden gewünschten Verschleiß erzeugt. EinSchema der Vorrichtung sowie ein Beispielfür das erzeugte Kontaktfeld ist in Bild 2und Bild 3 beschrieben. Die Temperaturwird mit einer Infrarotkamera gemessen.Auf dem „dicken“ Teil der Scheibe ist sierund 50 °C höher als auf der gegenüberlie-genden Seite. Die Vorrichtung arbeitet aufBasis einer „Closed loop“-Kontrolle undnutzt das Niederdrucksignal als Eingangs-

größe, um dann das Ausgangsdrucksignalderart zu steuern, dass der Kontakt zwi-schen Scheibe und Belag konstant gehaltenwird, unabhängig vom Belag- und Schei-benverschleiß.Die Vorrichtung für diesen kontrolliertenKontakt wird genutzt, um rund 3.600 kmFahrt ohne Bremsung zu simulieren. DieScheibendicke wird dabei an 24 Positionen(alle 15 Grad) rings um die Scheibe auf dreiRadien gemessen und dies jeweils am An-fang und am Ende des Tests. Ein Beispiel-test wurde mit zwei Materialien durchge-führt, die für eine hohe und niedrige DTV-Erzeugung aus dem Feld bekannt sind. Ein

drittes Material stammte aus der Vorent-wicklung. Bei diesem Werkstoff war ausTests bekannt, dass er nicht zu einer extre-men DTV-Erzeugung neigt. Die Beispielefür die Dickendifferenzerzeugung und dieTestergebnisse sind in Bild 4 und Bild 5 zusehen.

Die Materialien sind in der erwartetenRangfolge angeordnet und die Ergebnisdif-ferenzen unter den Materialien können alssignifikant bezeichnet werden. Auf dieserBasis wurde die Vorrichtung mit kontrol-liertem Kontakt in der Vorentwicklung ein-geführt.

5 Zusammenfassung

Die vorgestellte, neue Methode wurde ge-zielt entwickelt, um bei Dynamometer-Prü-fungen kontrolliert Bedingungen abbildenzu können, bei denen Scheibendickendiffe-renzen entstehen.

Insbesondere lässt sich mit dieser Vorrich-tung ein kontrollierter, intermittierenderNiederdruckkontakt zwischen Belag undScheibe erzeugen und so eine lange Fahr-zeit im ungebremsten Zustand simulieren.

Die neue Prüfvorrichtung von Federal-Mo-gul zeigt bereits in der Vorentwicklung vonReibmaterialien, wie stark einzelne Belag-formulierungen und Reib-Paarungen imungebremsten Zustand zur Ausbildung vonScheibendickendifferenzen neigen.

Durch den hohen Grad an Reproduzierbar-keit, den dieses Verfahren liefert, lässt sichdie Zahl der Iterationen während der Ent-wicklung senken.

Gerade kostenintensive Fahrtests lassensich in Grenzen halten, weil sie nur nochzur gezielten Verifizierung voroptimierterWerkstoffe und Reib-Paarungen dienen. ■

Werkstoffe Bremsbeläge

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Bild 4: Typische Ergebnisse eines Tests auf der Prüfvorrichtung mit kontrolliertem Kontakt

Material Reihenfolge Äußerer Radius Mittlerer RadiusDTV / μm DTV / μm

A Niedrige Erzeugung 28 17

B Erwartete mittlere Erzeugung 40 26

C Hohe Erzeugung 62 46

Bild 5: Testergebnisse mit 3 Klassen von Reibmaterialien

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