XL. Internationales μ-Symposium 2023 Bremsen-Fachtagung

Der nachfolgende Artikel möchte dem Leser aufzeigen, dass alternative Reibbelag-Formulierungen auf Basis anorganischer Binder neue, zukunftsfähige Reibbelagmaterialien entstehen lassen können. Erste charakterisierende Prüfungen der neuen Materialien geben einen Überblick über die Fähigkeiten. Besonders die Aspekte der Hochtemperaturstabilität in den Fading-Tests des AKM- und des AMS-Tests, als auch die Reduktion der PM₁₀-Emissionen im Vergleich mit klassischen organischen Reibmaterialien lassen diese Materialien besonders interessant erscheinen. Zukünftig wird das Energieeinsparungspotenzial dieser Belagart von besonderem Interesse sein, wenn Nachhaltigkeitsgedanken unsere Entwicklungstätigkeit zusätzlich beeinflussen werden.

Die gesundheitsschädigende Wirkung von Luftschadstoffen im Allgemeinen und Feinstaub im Speziellen wurde in einer Vielzahl von toxikologischen und epidemiologischen Studien nachgewiesen.

Im Rahmen des ZEDU1 (Zero Emission Drive Unit Generation 1) Projekts wurden sowohl ein konventionelles Elektrofahrzeug, als Referenzfahrzeug, als auch ein Versuchsträger der Zero Emission Drive Unit, zur messtechnischen Charakterisierung konzipiert und vermessen. Ein zentrales Element des Projekts war die Untersuchung und Charakterisierung einer grauguss- und einer hartmetallbeschichteten Bremsscheibe im realen Betrieb als auch auf einem Komponentenprüfstand. Dabei wurde auch der Einfluss der Rekuperation auf die Bremsemissionen luftgetragener Partikel vermessen. Ebenso wurden dazu geeignete Methoden und Messkonzepte zur online On-Board-Charakterisierung entwickelt und im Einsatz erfolgreich getestet.

Die Messergebnisse zeigen, dass die Temperatur der Bremse einen Einfluss auf Generierung von Partikeln im Größenbereich von 10 nm hat, wohingegen der Bremsvorgang hauptsächlich Partikel im Größenbereich 200 nm bis 300  nm erzeugt. Ebenso konnte Messtechnisch gezeigt werden, dass über Rekuperation bei Realfahrten, im RDE-Zyklus, eine Reduktion der luftgetragenen Abriebsemissionen von bis zu knapp 90 % möglich sind. Eine weiter Reduktion der luftgetragenen Bremsabriebe von bis zu 83 %, wurde für Partikel der Größe 300 nm bis 10 µm für hartmetallbeschichtete Bremsscheiben bestimmt.

Des Weiteren konnte im Rahmen der Messungen gezeigt werden, dass die herangezogenen Fahrzyklen zur Bestimmung der Bremsabriebe einen entscheidenden Einfluss auf die Emissionen aufweisen.

Im Projekt wurde auch ein neuartiges Bremssystem ohne luftgetragene Abriebsemissionen entwickelt und validiert. Dazu wurde ein Demonstrator-Fahrzeug, als Träger der neu entwickelten Technologie, der ZEDU1-Einheit, konzipiert, konstruiert, aufgebaut, vermessen und auf seine Alltagstauglichkeit untersucht. Die durchgeführten Tests und Untersuchungen für die entwickelte Lamellenbremse bestätigen die volle Funktionsfähigkeit sowie eine Dauerfestigkeit und somit die Alltagstauglichkeit.

Abstract. Die genaue Messung der Filterbeladung nach einer Prüfung auf dem Bremsenemissionsprüfstand ist das wichtigste Ergebnis einer Laborprüfung gemäß dem vorgeschlagenen UN GTR 24 (ECE/TRANS/180/Add.24 – UN GTR No.24 – Laboratory Measurement of Brake Emissions for Light-Duty Vehicles. https://​unece.​org/​transport/​documents/​2023/​07/​standards/​un-gtr-no24-laboratory-measurement-brake-emissions-light-duty). Auch wenn Prüfeinrichtungen, die die Empfehlungen und Anforderungen des UN GTR 24 befolgen, die Einhaltung der Vorschriften beanspruchen können, erfordert die Sorgfaltspflicht für den Filterwägeprozess zusätzliche Überprüfungen, die sich auf veröffentlichte und von Fachleuten überprüfte internationale Normen stützen. In dieser Arbeit wird die Anwendung zusätzlicher Bewertungen vorgestellt, die das Verhalten der Filter, den Wägeraum und das Wägeverfahren berücksichtigen. Schließlich wird eine begrenzte Bewertung der Messunsicherheit und des Erkennungsgrads durch die Anwendung von Schlüsselelementen der internationalen Normen (ISO 22514-7 (ISO 22514-7:2021 Statistical methods in process management — Capability and performance — Part 7: Capability of measurement processes. Standard, International Organization for Standardization) bzw. ISO 11843-3 (ISO 11843-3:2003 Capability of detection — Part 3: Methodology for determination of the critical value for the response variable when no calibration data are used. Standard, International Organization for Standardization)) vorgenommen. Zur Durchführung dieser Arbeit verwendete die Testeinrichtung ein altes Testsystem und einen automatischen Staubgenerator, der feinen Arizona-Staub für den Nachweisgrad und die ANOVA-Bewertungen in zwei Richtungen einbläst. Die Messungen und Bewertungen zeigen, dass es möglich ist, die Anforderungen des UN GTR 24 und der DIN EN 12341 (DIN EN 12341Ambient air – Standard gravimetric measurement method for the determination of the PM10 or PM2,5 mass concentration of suspended particulate matter. Standard, German Institute for Standardization) mit vertretbarem Aufwand robust zu erfüllen.

Die Automobilhersteller suchen nach verschiedenen Lösungen um den Emissionsfaktor für Verbrennungsmotoren zu senken, die die EU 7-Verordnung erfüllen sollen. Eine dieser Lösungen bezieht sich auf die Technologie der hartmetallbeschichteten Bremsscheiben in Kombination mit speziellen stahlarmen Reibmaterialien (LS), um die vom EU-Markt geforderten Hochleistungsbremsen zu erhalten. Ziel dieser Studie ist es, die unterschiedliche c.o.f.-Entwicklung zwischen einer Graugussbremsscheibe und einer beschichteten Bremsscheibe zu untersuchen. Die Schlussfolgerung wird zeigen, wie wichtig es ist, neue Reibmaterialformeln für beschichtete Bremsscheiben zu entwickeln, um alle Anforderungen an Emissionen und Leistung zu erfüllen.

Während neue generative Methoden (z. B. ChatGPT) der künstlichen Intelligenz (KI) seit Beginn 2023 der breiten Bevölkerung zugänglich und bekannt sind, steckt das datenbasierte oder gar datenzentrierte Ingenieurwesen größtenteils noch in den Kinderschuhen. Dieser Übersichtsartikel beleuchtet einige KI-Ansätze für die Anwendung während der Entwicklung und des Betriebs von (Kfz-) Reibungsbremsen. Die steigenden gesetzlichen Anforderungen an Partikel-Emissionen, die fortschreitende Elektrifizierung sowie grundlegend neue Fahrzeug- und Betriebskonzepte stellen die Entwicklung von Reibungsbremsen vor neue Herausforderungen. An dieser Stelle können datenbasierte Methoden, neue Entscheidungsprozesse und generell der Einsatz von Künstlicher Intelligenz in Zukunft bedeutende Potenziale entfalten. Dieser Beitrag widmet sich einigen vielversprechenden Anwendungen von KI-Methoden im Umfeld der Bremsenentwicklung, beleuchtet die Anforderungen an die Datenhaltung und gibt einen Ausblick auf die Bedeutung von KI-Methoden im Kontext von Trends in der Automobilbranche. Da erfolgreiche (und vor allem öffentlich zugängliche) Nutzungsszenarien selten sind, erhebt dieser Übersichtsbeitrag keinen Anspruch auf Vollständigkeit hinsichtlich der heutigen Nutzung von KI-Methoden in der Radbremsenentwicklung.

The following article would like to show the reader that alternative friction lining formulations based on inorganic binders can result in new, future-proof friction lining materials. First characterizing tests of the new materials give an overview of the capabilities. The aspects of high-temperature stability in the fading tests of the AKM- and AMS tests, as well as the reduction in PM₁₀ emissions compared to classic organic friction materials, make these materials particularly fascinating. In the future, the energy-savings potential of this type of friction lining will be of particular interest when sustainability considerations further influence our development activities.

The adverse health effects of air pollutants in general and particulate matter (PM) in particular have been demonstrated by a large number of toxicological and epidemiological studies. The Lancet Commission reported in 2018 that air pollution causes approximately 6.5 million premature deaths every year worldwide and ranks it as the fifth leading cause of death. Road traffic is considered a major source of particulate matter in urban environments. The share of exhaust emissions has continued to decline over the years due to engine improvements and the introduction of exhaust after treatment methods. In contrast, particulate emissions due to abrasion from brakes, tires, and the road surface, as well as due to resuspension have steadily increased. The reason for this, in addition to increasing traffic, is primarily the steadily growing average vehicle size and mass.

As part of the ZEDU1 (Zero Emission Drive Unit Generation 1) project, both a conventional electric vehicle, as a reference vehicle, and a test vehicle of the Zero Emission Drive Unit, were designed for metrological characterization and tested. A central element of the project was the investigation and characterization of a cast iron and a carbide-coated brake disc in real operation as well as on a component test bench. The influence of recuperation on the braking emissions of airborne particles was also measured.

The measurement results show that the temperature of the brake mainly has an influence on the generation of particles in the size range of 10 nm, whereas the braking process mainly produces particles in the size range 200 nm to 300 nm.

It was also shown by measurement results that recuperation during real driving, RDE cycle, can reduce airborne abrasion emissions by up to almost 90%. A further reduction in abrasion of up to 83% was determined for particles of size 300 nm to 10 μm for carbide-coated brake discs.

In the course of the measurements, it was shown that the driving cycles used to determine the brake abrasion have a decisive influence on the measurement results.

In the scope of the project a novel braking system without airborne abrasion emissions was developed and validated. For this purpose, a demonstrator vehicle, as a carrier of the newly developed technology, the ZEDU1 unit, was designed, constructed, built, measured and examined for its suitability for everyday use. Suitable methods and measurement concepts for on-board characterization have also been developed and successfully implemented in use.

Furthermore, the full functionality as well as fatigue strength and thus suitability for everyday use were confirmed for the developed multi-disc brake.

The accurate measurement of filter load after a brake emissions dynamometer test is the core output of a laboratory test according to the proposed UN GTR 24 (ECE/TRANS/180/Add.24 – UN GTR No.24 – Laboratory Measurement of Brake Emissions for Light-Duty Vehicles. https://​unece.​org/​transport/​documents/​2023/​07/​standards/​un-gtr-no24-laboratory-measurement-brake-emissions-light-duty. Accessed 29 July 2023). Even though test facilities following the recommendations and requirements of the UN GTR 24 can claim compliance, the due diligence suggests the filter weighing process requires additional verifications, relying on published and peer-reviewed international standards. This work presents the application of additional evaluations considering the filters' behaviour, the weighing room, and the weighing process. Lastly, the paper elaborates on a limited-scope assessment of measurement uncertainty and level of detection by applying key elements of international standards (ISO 22514-7:2021 Statistical methods in process management – Capability and performance – Part 7: Capability of measurement processes. Standard, International Organization for Standardization, Geneva, CH and ISO 11843-3:2003 Capability of detection – Part 3: Methodology for determination of the critical value for the response variable when no calibration data are used. Standard, International Organization for Standardization, Geneva, CH, respectively). To conduct this work, the test facility used a legacy test system and an automated dust generator injecting fine Arizona dust for the level of detection and the two-way ANOVA assessments. The measurements and assessments indicate it is feasible to meet the UN GTR 24 and (DIN EN 12341 Ambient air – Standard gravimetric measurement method for the determination of the PM10 or PM2,5 mass concentration of suspended particulate matter. Standard, German Institute for Standardization, Berlin, Germany) requirements with reasonable effort.

Several solutions are being explored by the car makers to reduce the emission factor for internal combustion engines that should fulfill the EU 7 regulation. One of the solutions is related to the hard metal coated rotors technology in combination with dedicated Low steel (LS) friction materials to maintain the high-performance braking required by the EU market. This study aims to investigate the different c.o.f. evolution between a GCI rotor versus a coated rotor. The conclusion will demonstrate the importance to generate new friction material formulations for the coated rotors to fulfill all the emissions and performance requests.

While new generative methods (e.g., ChatGPT) of artificial intelligence (AI) have been accessible and well-known to the general public since the beginning of 2023, data-based or data-centric engineering is still largely in its infancy. This overview article sheds light on several AI approaches for application during the development and operation of (automotive) friction brakes. The increasing regulatory requirements on particulate emissions, ongoing electrification, and fundamentally new vehicle and operational concepts pose new challenges to the development of friction brakes. At this juncture, data-based methods, novel decision-making processes, and the overall utilization of Artificial Intelligence hold significant potential for the future. This contribution focuses on some promising applications of AI methods in the context of brake development, discusses data management requirements, and provides an outlook on the importance of AI methods in the context of trends in the automotive industry. Since successful (and especially publicly accessible) use scenarios are rare, this overview article does not claim to be exhaustive regarding the current use of AI methods in the development of braking systems.