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24-05-2024 | Fahrwerk | Schwerpunkt | Article

So lassen sich Brems- und Reifenabrieb reduzieren

Author: Christiane Köllner

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Der Abrieb von Reifen und Bremsen ist eine Gefahr für die Gesundheit und Umwelt. Die Euro-7-Gesetzgebung soll die nichtmotorischen Emissionen jetzt regulieren. Wie lassen sich die Abriebpartikel reduzieren? 

Feinstaub ist eines der größten Gesundheitsrisiken, die von Luftverschmutzung ausgehen. Laut Schätzungen mehrerer Studien ist Feinstaub jährlich für mehrere Millionen Todesfälle verantwortlich. Insbesondere ultrafeine Teilchen wie Rußpartikel werden als krebserregend eingestuft, wie das Paul-Scherrer-Institut (PSI) weiß. Aber auch Allergien, Asthma, Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen können nach Angaben der PSI-Forscher durch Feinstaub ausgelöst werden. Schlechte Luftqualität und Feinstaub zählen neben Bluthochdruck, Rauchen, Diabetes und Übergewicht zu den fünf wichtigsten Gesundheitsrisikofaktoren.

In der öffentlichen Debatte werden insbesondere Verbrennungsmotoren – allen voran der Dieselmotor – für die Feinstaubbelastung in Ballungsgebieten verantwortlich gemacht. "Was in der aktuellen Diskussion aber scheinbar außer Acht gelassen wird: Dieselmotoren sind nur eine Facette des Problems, denn ein Großteil des innerstädtisch messbaren Feinstaubs geht auf Abriebpartikel zurück", wie Thomas Molitor im Artikel Verringerte Feinstaubemission mit hartstoffbeschichteten Bremsscheiben aus der ATZproduktion 3/4-2020 schreibt. Hauptverursacher dieser Partikel seien neben Reifen vor allem Bremsscheiben und Bremsbeläge, wie auch ein australisch-dänisches Forscherteam im Beitrag Urban Air Quality: Sources and Concentrations bestätigt: "Partikel (PM 10) und feinere Partikel (PM 2,5) werden nicht nur durch die Verbrennungsprozesse im Motor emittiert, sondern auch und vor allem durch physikalische Prozesse, wie zum Beispiel die Aufwirbelung von Straßenstaub und den Verschleiß von Reifen, Bremsen und Straßenmaterial." 

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01-06-2024 | Titelthema

Regulierung nichtmotorischer Partikelemissionen und Trends der zukünftigen Fahrwerksentwicklung

Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben die Partikelemissionen durch Brems- und Reifenverschleiß die motorbedingten Feinstaubemissionen bereits übertroffen. Infolgedessen hat das Europäische Parlament eine künftige Regelung der nichtmotorischen Partikelemissionen im Rahmen der Euro-7-Gesetzgebung beschlossen. Wie IAV zeigt, erfordern diese neuen Randbedingungen zusätzliche Homologations- und Reduktionsmaßnahmen und stellen somit neue Herausforderungen für die Fahrwerksentwicklung dar.

Umstieg auf Elektroautos ändert nichts

Somit würde auch der großflächige Umstieg auf Elektroautos an dieser Schadstoffbelastung nichts ändern. Wie die IAV GmbH im Artikel Regulierung nichtmotorischer Partikelemissionen und Trends der zukünftigen Fahrwerksentwicklung aus der ATZ 6-2024 erklärt, haben bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor die Partikelemissionen durch Brems- und Reifenverschleiß die motorbedingten Feinstaubemissionen bereits übertroffen. Das bestätigt auch Peter Fischer, Leiter des Instituts für Fahrzeugtechnik der TU Graz, in Bezug auf die von Bremsen verursachten Partikelemissionen: "Sowohl auf den Kilometer als auch auf den gesamten Fahrzeug-Lebenszyklus gerechnet, liegt diese abgeriebene Masse weit über jener der Partikel, die ein Dieselfahrzeug innerhalb aller Normen und Grenzbereiche über den Auspuff emittieren darf", so der Forscher in einem Artikel von Susanne Eigner auf der Webseite der TU Graz. Das lasse sich relativ einfach über den gemessenen Masseverlust der vier Bremsscheiben und acht Bremsbacken mit entsprechenden Bremsbelägen und den Tauschintervallen abschätzen, erklärt Fischer dort weiter. 

Schwere Elektrofahrzeuge mit langer Batteriereichweite sollen das Problem des Abriebs von Bremsen, Reifen und Straße sogar verstärken. Leichte Elektrofahrzeuge mit einem Radius von 160 km verursachen laut der OECD-Studie "Non-exhaust Particulate Emissions from Road Transport" schätzungsweise 11 bis 13 % weniger PM 2,5 als konventionelle Fahrzeuge der gleichen Klasse. Schwerere Elektrofahrzeuge mit Batterien, die erst nach rund 500 km aufgeladen werden müssen, erzeugten hingegen geschätzt 3 bis 8 % mehr Feinstaub als vergleichbare konventionelle Fahrzeuge. Ob Hybridfahrzeuge anders bremsen als Autos mit herkömmlichem Antrieb und dadurch auch andere Emissionen verursachen, untersucht zum Beispiel die Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt. Die Idee dahinter: Hybridautos können auch mithilfe ihres Elektromotors bremsen und nutzen daher die mechanischen Bremsen seltener.

Feinstaub: Oxidative Potenzial wichtiger als die Menge

Was Feinstaub so gefährlich macht, ist allerdings noch nicht genau bekannt. Forschende des PSI haben gemeinsam in einem internationalen Team herausgefunden, dass die Menge an Feinstaub nicht die allein ausschlaggebende Größe darstellt, wenn es um Gesundheitsrisiken geht. Vielmehr sei es so, dass das sogenannte oxidative Potenzial den Feinstaub so schädlich mache. Und das größte oxidative Potenzial geht den Forschern zufolge vom menschengemachten Feinstaub aus, der aus der Holzverbrennung und den Metallemissionen aus Bremsen- und Reifenabrieb des Straßenverkehrs stammt. 

Wie Zellversuche eines internationalen Forscherteams nahelegen, setzen in Bremsabrieb enthaltene Metallpartikel auch bestimmte Immunzellen außer Gefecht, wie das Team in einem Beitrag der Fachzeitschrift Metallomics erklärt. Sie verlören dadurch ihre Durchschlagskraft gegen Bakterien. Bremsstaub fördere damit womöglich Atemwegserkrankungen wie Lungenentzündung und Bronchitis. Der Abrieb von Reifen auf den Straßen ist wiederum weltweit für mehr als ein Viertel der Mikroplastik-Emissionen verantwortlich, wie Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) erklären. Die kleinen Partikel würden bei Regen in die Kanalisation und damit in den Wasserkreislauf gelangen. Allein in Deutschland seien das rund 110.000 t im Jahr.

Nicht-Abgasquellen erstmals berücksichtigt

Also müssen Gegenmaßnahmen gefunden werden, die den Brems- und Reifenabrieb reduzieren. So einfach ist das allerdings nicht: Während Emissionen von Verbrennungsprozessen intensiv analysiert wurden, steht die Forschung der sogenannten Non-Exhaust-Emissions (NEE), also der Nicht-Abgas-Partikelemissionen, vergleichsweise am Anfang. Forschungsbedarf besteht unter anderem hinsichtlich der Verbreitungswege von Reifenabrieb, insbesondere innerhalb des Bodens, sowie des Verständnisses der Quellen von Partikeln aus NEE und ihrer Zusammensetzung. Weitgehend unklar ist auch, wie viele und in welchen Konzentrationen diese Partikel in Menschen und Tiere gelangen.

Fortschritte gib es aber in puncto Gesetzgebung zur Begrenzung oder Reduzierung der Nicht-Abgas-Partikelemissionen. So wurde die Abteilung der UN-Wirtschaftskommission UNECE namens "Particle Measurement Programme Informal Working Group" (PMP IWG) beauftragt, an einem allgemein nutzbarem Testverfahren für Bremsstaub zu arbeiten. Gemäß Euro-7-Gesetzgebung gibt es bereits konkrete PM10-Grenzwerte (3 mg/km für Elektrofahrzeuge, 7 mg/km für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und Hybridfahrzeuge, für schwere Nutzfahrzeuge mit reinem Elektroantrieb gilt 5 mg/km, mit anderen Antriebssystemen 11 mg/km), gemessen wird auf dem Prüfstand im Rahmen des WLTP-Zyklus. Es handele sich laut AVL somit um die weltweit erste Verordnung, die Nicht-Abgasquellen berücksichtige. Allerdings: "Keine Vorschläge wurden bis dato für PM2.5 oder die Partikelanzahl veröffentlicht", so Richard Backhaus im Artikel Messung von Brems- und Reifenpartikeln auf dem Prüfstand aus der ATZelektronik 2-4-2024. Euro 7 soll auch die Abrasionsrate (mg/km) von Reifen der Klassen C1, C2 und C3 reglementieren. "Das Prüfverfahren und die Emissionsfaktoren werden jedoch zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch erarbeitet", so AVL.

Euro 7 fordert die Fahrwerksentwicklung heraus

Hersteller und Zulieferer suchen indes nach alternativen Ansätzen und technischen Lösungen, um den Brems- und Reifenabrieb zu reduzieren. Wie IAV zeigt, erfordern die neuen Randbedingungen im Zuge der Euro-7-Gesetzgebung zusätzliche Homologations- und Reduktionsmaßnahmen und stellen somit neue Herausforderungen für die Fahrwerksentwicklung dar. So gebe es zur Einhaltung der Grenzwerte bereits mehrere technische Lösungen zur Emissionsreduktion. Neben regenerativen Bremsstrategien (Hybrid- oder vollelektrische Fahrzeuge) könnten alternative Reibmaterialien (beschichtete Scheiben oder modifizierte Reibbelagmischungen) die Partikelemissionen erheblich reduzieren. Darüber hinaus bestehe ein Minderungspotenzial durch Bremsstaubfiltersysteme und den Einsatz von Trommelbremsen, insbesondere an der Hinterachse. Aus Studien sei bekannt, dass in einigen spezifischen Fällen eine Kombination mehrerer Ansätze erforderlich sei, um die Grenzwerte einzuhalten.

Wie Thomas Molitor im bereits erwähnten ATZproduktion-Artikel ausführt, sei mit der Hartstoffbeschichtung von Bremsscheiben via Diodenlaser künftig ein Verfahren verfügbar, das eine Reduktion der bremsbedingten Feinstaubemission ermögliche. Die beschichteten Bremsen erzeugten zwar auch weiterhin Feinstaub, jedoch in weitaus geringerem Maße als unbeschichtete Bremsscheiben. Die Vorteile der Grauguss-Bremsscheibe blieben dabei weiterhin erhalten. Das DLR entwickelt im Projekt Zedu-1 ein Fahrzeugkonzept, das den Ausstoß von Feinstaub so weit wie möglich vermeiden soll. Das Projektteam untersucht und kombiniert unterschiedliche Bremskonzepte, wie eine spezielle Art der Scheibenbremse und eine Induktionsbremse. Ein neu gestalteter Radkasten soll den Reifenabrieb minimieren: Er ist aerodynamisch so ausgelegt, dass beim Fahren ein Unterdruck entsteht. Der Abrieb sammelt sich an einer bestimmten Stelle. Ein Filtersystem nimmt ihn auf – ähnlich wie bei einem Staubsauger.

Die Höhe des Reifenverschleißes eines Fahrzeugs hängt von mehreren Faktoren ab, wie zum Beispiel den Materialeigenschaften des Reifens, den Umgebungsfaktoren, dem Fahrverhalten und insbesondere dem Zusammenspiel von Radaufhängung und Rad, wie die Springer-Autoren Jan Schütte und Walter Sextro im Kapitel Model-Based Investigation of the Influence of Wheel Suspension Characteristics on Tire Wear des Buchs Advances in Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks erklären. In ihrer Studie haben die beiden Autoren die Eigenschaften der Radaufhängung in Bezug auf den Reifenverschleiß isoliert betrachtet. Ihr Ergebnis: Auf die berechnete spezifische Reibarbeit haben der Spurwinkel und der Spurwinkelgradient einen großen Einfluss. Durch ein optimiertes Zusammenspiel von Achse, Reifen und Fahrbahn lässt sich also Reifenabrieb reduzieren. 

Sportliche Reifen produzieren viel Abrieb

Aber auch Autofahrer selbst können etwas tun, um den Feinstaubausstoß zu reduzieren: durch einen optimalen Reifenluftdruck, eine defensivere Fahrweise und dem Aufziehen möglichst schmaler Reifen, um den Abrieb zu verringern. Leider läuft letzterem der SUV-Trend entgegen, da diese Fahrzeuge aufgrund ihrer Masse und breiteren Reifen verstärkt Abrieb produzieren. Wie ein ADAC-Reifentest aus dem Jahr 2021 zeigt, produzieren auch sportliche Reifen sehr viel Abrieb. Für den Test hat der Automobilclub insgesamt die Abriebsdaten von knapp 100 Modellen verschiedener Reifendimensionen ausgewertet. In der Sommerreifengröße 225/40 R18 sei bei allen untersuchten Modellen ein überdurchschnittlich hoher Reifenabrieb von bis zu 160 g/1.000 km festgestellt worden. Zum Vergleich: Im Durchschnitt liegt der Reifenabrieb eines Fahrzeugs bei knapp 120 g/1.000 km.

Kritisch ist auch, dass sich viele Straßen in einem schlechten Zustand befinden, also zum Beispiel raue Oberflächen aufweisen, was ebenfalls mehr Partikel zur Folge hat. Ein weiteres Problem: Allen Diskussionen um weniger Autoverkehr zum Trotz gibt es immer mehr Fahrzeuge in Deutschland. Und damit steigt auch der Brems-, Reifen- und Straßenabrieb. Alternative Antriebe sind in dieser Hinsicht auch keine Patentlösung für verbesserte Luftqualität. Wirklich helfen können derzeit nur wenig attraktive Maßnahmen wie die Bildung von Fahrgemeinschaften, die Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel oder Fahrrad fahren. Die wirksamste Option, um Feinstaub zu vermeiden, bleibt aber: Das Auto so oft wie möglich in der Garage stehen lassen.

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