Carbon-Keramik-Bremsscheibe für die Automobilindustrie

Carbon-Keramik-Bremsscheibe

Vorteile

Der Einsatz des Hightech-Werkstoffes revolutionierte die Bremsentechnik: Im Vergleich zur konventionellen Grauguss-Bremsscheibe wog die Carbon-Keramik-Scheibe rund 50 Prozent weniger, was die ungefederten Massen am Fahrzeug um bis zu 20 Kilogramm reduzierte. Weitere einzigartige Vorteile sind: Deutlich besseres Ansprechverhalten, erhöhte Fadingstabilität, hohe thermische Standfestigkeit, kein Bremsrubbeln, sehr gute Dosierbarkeit, besseres Einlenkverhalten, Korrosionsbeständigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und damit sehr hohe Lebensdauer sowie fast vollständige Vermeidung von Bremsstaub. Erstmals setzte Porsche die Carbon-Keramik-Bremsscheibe im Jahr 2001 serienmäßig im 911 GT2 ein. Inzwischen nutzen auch andere Premium-Marken die Vorteile dieser revolutionären Bremsentechnik für mehr Sicherheit und Komfort. Dazu gehören die Sportwagen und Oberklasse-Limousinen von Audi, Bentley, Bugatti und Lamborghini.

Auslegung und Design der Carbon-Keramik-Bremsscheibe

Das Bremssystem eines Pkw wird stets fahrzeugspezifisch ausgelegt. Wir übernehmen die Auslegung der Radbremse – die Konstruktion der Bremsscheibe sowie die Auswahl der Bremsbeläge und des Bremssattels – und passt die Radbremse in das Fahrzeugkonzept ein. Die grundlegenden Daten einer Bremssystemauslegung sind die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs, die zeitliche Aufeinanderfolge der im Betrieb möglichen Vollbremsungen aus Maximalgeschwindigkeit, das abzubremsende Fahrzeuggewicht, die Achslastverteilung sowie die Aerodynamik des Fahrzeugs. Die Dimensionierung und das Design der Bremsscheibe stellen sicher, dass in allen denkbaren Fahrzuständen ein optimales Abbremsen des Fahrzeugs gewährleistet ist. Außerdem stellt die Auslegung des Bremssystems sicher, dass weder die Scheibe selbst noch Bauteile, die sich in ihrer Umgebung befinden, thermisch zu stark belastet werden. Die optimale Geometrie der Kühlkanäle wird durch numerische Verfahren der Strömungsmechanik individuell für jedes Fahrzeugmodell berechnet. In die Berechnung geht auch der Luftdruck ein, der sich während der Fahrt – abhängig von der aerodynamischen Auslegung des Fahrzeugs und der Fahrgeschwindigkeit – unter dem Fahrzeug und im Radhaus einstellt.

Werkstoffeigenschaften

Eine Besonderheit der Carbon-Keramik-Bremsscheiben ist der keramische Verbundwerkstoff. Sowohl der Basiskörper der Carbon-Keramik-Bremsscheiben als auch die beidseitig aufgebrachten Reibschichten bestehen aus kohlenstofffaserverstärktem Siliciumcarbid. Die Matrix dieses Werkstoffs besteht aus Siliciumcarbid (SiC) und elementarem Silicium (Si). Die Verstärkung des Werkstoffs wird durch Kohlenstofffasern (C) erreicht. Siliciumcarbid, der eigenschaftsprägende Hauptbestandteil der Matrix, verleiht dem Verbundwerkstoff eine große Härte. Die Kohlenstofffasern erhöhen die Festigkeit und bringen die für technische Anwendungen benötigte Bruchzähigkeit ein. Sie machen den keramischen Verbundwerkstoff quasiduktil und bewirken so eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit. Im Ergebnis vereinen kohlenstofffaserverstärkte Siliciumcarbid-Werkstoffe die vorteilhaften Eigenschaften von carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) und von polykristallinen Siliciumcarbid-Keramiken. C/SiC-Werkstoffe haben Bruchdehnungen zwischen 0,1 und 0,3% - das sind Werte, die für eine Keramik außergewöhnlich hoch sind. Das gesamte Eigenschaftsprofil macht kohlenstofffaserverstärktes Siliciumcarbid zum Werkstoff der Wahl für Hochleistungsbremssysteme: Insbesondere das niedrige Gewicht, die Härte, die Stabilität der Eigenschaften, auch bei hohen Drücken und Temperaturen, die Thermoschockbeständigkeit und die Quasiduktilität bewirken eine lange Lebensdauer der Bremsscheibe und vermeiden alle belastungsbedingten Probleme, die für klassische Grauguss-Bremsscheiben charakteristisch sind.

EigenschaftEinheitWerkstoff  
    C/SiC-Werkstoffe, allgemein C/SiC für Carbon-Keramik-Bremsscheiben Grauguss (GG-20)
Dichte g cm-3 1,8 ... 2,9 2,45 7,25
Zugfestigkeit MPa
(=N mm-2)
10 ... 240 20 ... 40 200 ... 250
Elastizitätsmodul GPa 20 ... 240 30 90 ... 110
Biegefestigkeit MPa
(=N mm-2)
20 ... 210 50 ... 80 150 ... 250
Bruchdehnung % 0.05 ... 0.8 0.3 0.3 ... 0.8
Temperaturwechselbeständigkeit (zweiter Thermoschockoeffizient K') W m-1 26.500 ... 46.000 > 27.000 < 5.400
Temperaturbeständigkeit °C 1350 1350 ca. 700
Maximale
Einsatztemperatur
(Bremsscheibe)
°C 1400 nicht oxidierend 900 700
Linear thermischer Ausdehnungskoeffizient K-1 1.0 ... 3.5 2.6 ... 3.0 9 ... 12
Wärmeleitfähigkeit W m-1K-1 20 ... 150 40 54
Spezifische Wärme(cp) kJkg-1K-1 0.6 ... 1.7 0.8 0.5

Produktion

Eine Carbon-Keramik-Bremsscheibe entsteht in einem komplexen Produktionsverfahren, das über 20 Tage beansprucht. Zur Fertigung setzen wir Carbonfasern ein, die mit einem besonderen Faserschutz ausgestattet und anschließend zu Kurzfaserabschnitten definierter Längen zerkleinert werden. Der Fertigungsprozess umfasst das Aufbereiten der Fasermischung, die Produktion des Bremsscheibenrings und die Montage des Topfes an den Bremsscheibenring sowie die Endbearbeitung der zusammengebauten Bremsscheibe. Die gesamte Fertigung wird anhand zahlreicher Prüfungen überwacht und mit einer Endprüfung abgeschlossen. Als Systemlieferant sind wir am Standard der deutschen Automobilindustrie ausgerichtet und nach DIN EN ISO 9001:2000 und VDA 6.1 zertifiziert. Die Herstellung des keramischen Bremsscheibenrings verläuft über eine mit Bindeharz verpresste Vorform, einem so genannten Grünkörper, der in zwei aufeinander folgenden Hochtemperaturprozessen – einer Carbonisierung bei 900° C und einer Silizierung bei 1700° C im Hochvakuum – in das keramische Bauteil umgewandelt wird. Komplex wird der Fertigungsprozess durch den Einsatz der “Technik des verlorenen Kerns“ – eine Kunststoff-Matrix, die die Kühlkanalgeometrie vorgibt und bei der Carbonisierung rückstandsfrei ausbrennt – sowie die unterschiedlichen Faserkomponenten des Bremsscheibenring-Basiskörpers, der Reibschichten auf der Ringaußenseite sowie der punktförmigen Verschleißindikatoren, die in die Reibschicht integriert werden.

Entwicklung und Erprobung der Carbon-Keramik-Bremsscheibe

Die Entwicklung einer Carbon-Keramik-Bremsscheibe erfolgt fahrzeugspezifisch und verläuft in drei großen Schritten: numerische Modellierung, Bau und Prüfung von Prototypen sowie Erprobung am Fahrzeug. Zunächst wird die Bremsscheibe anhand der Fahrzeugdaten am Rechner numerisch simuliert. Der Durchmesser der Scheibe, ihre Dicke sowie die Höhe des Reibpfades sind nur einige der Parameter, die am Computer berechnet werden. Bei den gebauten Carbon-Keramik-Bremsscheiben beinhaltet die Berechnung auch die Auslegung der Topfanbindung. Das ist eine konstruktiv sehr anspruchsvolle Aufgabe, da bei allen möglichen Betriebstemperaturen der Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gewährleistet sein muss. Das numerische Modell liefert auch das Design der strömungsmechanisch optimierten Kühlkanäle. Auf der Grundlage des numerischen Modells werden im zweiten Entwicklungsschritt Prototypen (Prüfmuster) der Carbon-Keramik-Bremsscheiben gebaut und zusammen mit den zugehörigen Bremsbelägen und Bremssätteln an Prüfständen getestet. Den dritten und letzten Schritt bildet die Erprobung der Prüfmuster am Fahrzeug, das nicht nur Hochgeschwindigkeitstests auf der Rundstrecke, sondern auch Passabfahrten und Straßentests absolvieren muss. Dabei bewertet der Fahrer mit Hilfe von Messgeräten die Bremse, vor allem bezüglich Bremsleistung und Komfortverhalten. Ein im Fahrzeug installierter Computer liefert daraufhin detaillierte Auswertungen der Messungen. Zusammen mit den Prüfstandtests entscheiden die Erprobungsfahrten über die Freigabe.

Qualitätssicherung und -prüfung bei Carbon-Keramik-Bremsscheiben

Das Bremssystem ist das wichtigste Sicherheitssystem des Fahrzeugs. Carbon-Keramik-Bremsscheiben müssen folglich in stets gleichbleibend hoher Qualität gefertigt werden. Wir haben daher ein übergreifendes Qualitätsmanagment gemäß VDA 6.1 und ISO 9001:2000 eingeführt, das erstens alle Fertigungs- und Geschäftsprozesse beschreibt und zweitens konsequent die Produktqualität von den eingesetzten Rohstoffen bis zum fertigen Endprodukt überwacht und dokumentiert. Dies geschieht mit einem Prozessleitsystem und einem computergestützten Qualitätssicherungssystem. Für jede einzelne Carbon-Keramik-Bremsscheibe dokumentieren wir mittels einer eindeutigen und einmaligen Seriennummer sämtliche Produktionsdaten und Prüfergebnisse. Auf diese Weise kann jede Scheibe während der Fertigung und auch später im Fahrzeug identifiziert werden. Sämtliche Maßnahmen und Vorgänge werden im Warenwirtschaftssystem und CAQ-System dokumentiert, ebenso die Prüfungen und Messergebnisse. So sammelt jede einzelne Carbon-Keramik-Bremsscheibe im Verlauf des gesamten Fertigungsdurchlaufs rund 600 Daten.

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Kontakt


Brembo SGL Carbon Ceramic Brakes

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Tel: +49 8271 83-1822
Fax: +49 8271 83-1242

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