Entwicklung : Schlaue Bremsbeläge für mehr Sicherheit
Bei neuen Fahrzeuggenerationen – vor allem im hochpreisigen Segment – gibt es kaum ein Bauteil, das nicht mit einer entsprechenden Sensorik ausgestattet ist. Die Sensoren erfüllen den Zweck, vergleichsweise schnell und einfach Aussagen über den Zustand eines Bauteils treffen zu können. Bei Begutachtungen in der Werkstatt soll dadurch das Personal auf die richtige Spur gebracht werden und der Austausch eines fehlerhaften oder schadhaften Bauteils rascher erfolgen.
Versteckt werden Sensoren dabei nicht nur in den Reifen oder anderen Komponenten eines Fahrzeugs, ein Projekt des Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrums Darmstadt vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) forscht gemeinsam mit der LF GmbH & Co KG aus Leverkusen an einer Integration von Sensoren in Bremsbeläge. Das Projekt hat erst im Sommer 2020 gestartet.
Bremsbeläge mit Verstand
Wie bei anderen Bauteilen und deren Sensoren, soll eine nachgeordnete Datenverarbeitung Informationen über den Betriebszustand der Bremsbeläge geben – etwa den Bremsbelagverschleiß und ob besser ein Bremsbelagwechsel durchgeführt werden sollte. „Moderne Bremsanlagen halten rund 40.000 bis 120.000 Kilometer“, erklärt Matthias Zimmermann vom ADAC-Technikzentrum auf Anfrage.
Wie schnell sie verschleißen, hängt jedoch stark von der Fahrweise, dem Fahrzeug und dem Streckenprofil ab. „Neben der mechanischen Abnutzung kann auch die Korrosion durch Umwelteinflüsse - zum Beispiel Feuchtigkeit und Streusalz - zum Problem werden und zu irreparablen Schäden führen“, so Zimmermann.
Daher sind die Einschätzungen über den Zustand des Bremsbelags vage, selbst wenn ein geschulter Bick eines Kfz-Experten erkennt, ob die Bremsbeläge noch taugen oder nicht. Aus diesem Grund gehen die Überlegungen des Forscherteams rund ums Fraunhofer LBF weiter: Die Bremsbeläge sollen die Fähigkeit zur Eigendiagnose haben – sozusagen ein eigenes denkendes Gehirn besitzen. Bremsbelag Prüfen mit Grips also, der den Kfz-Experten entlasten soll.
Durch die Integration von Sensoren in den Bremsbelag lassen sich Daten aus dem Inneren des Reibbelags über die Schichtdicke und den Verschleißzustand bestimmen. Langfristig soll es laut den Forschern möglich sein, selbstoptimierende Bremssysteme anzulernen und wichtige Rückschlüsse über Bremsdruck, Reibwerte, Bremsmomente und das Regelverhalten der Bremsanlage zu ziehen - mit anderen Worten eine treffsichere Bremsbelagverschleißanzeige direkt in den Bremsbelag integriert.
Um passendes Testmaterial zur Verfügung zu haben, arbeite das Fraunhofer LBF mit der Leverkusener Firma LF GmbH & Co. KG zusammen. Sie entwickelt und produziert innovative Reibmaterialien für Industrie-Kupplungen und Bremsbeläge. Im Vergleich zu etablierten Technologien, erlaubt das innovative Bremsbelagmaterial eine spezielle Art der Fertigung. Es dient als Voraussetzung für die Herstellung „intelligenter“ Reibbeläge, da sie aus flüssiger Phase und drucklos im niedrigen Temperaturbereich (-120°C) erfolgt.
Intelligente Mission
Erste Tests zeigten, wie sensibel die integrierte Sensorik gegenüber äußeren Lasten und Druckwechseln war. Durch die Integration mehrerer Sensoren in einem Bremsbelag konnte das Team zudem Zustände ungleicher Druckverteilung im Bremsbelag ausfindig machen.
Über Messungen der Schwingungseigenschaften der Sensoren in Verbindung mit dem Reibbelag konnten die Experten zudem Aussagen über die Schichtdicke des Reibbelags treffen und so die vorhandene Bremsbelagdicke messen.
„Dadurch kann der eingesetzte Auswertalgorithmus zukünftig den Verschleißzustand der Reibbeläge beurteilen und Schädigungen durch Steifigkeitsänderungen der Reibschicht erkennen“, erklärt Jonas Martin Brandt, der das Projekt im Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Darmstadt des Fraunhofer LBF betreut. „Langfristig sehen wir die Möglichkeit, selbstoptimierende Bremssysteme mit solchen Informationen anzulernen.“
Erkennen und verbessern
In einem abschließenden Bremsbelag-Test an einem Bremsenprüfstand setzten die Forschenden die Sensoren in den Bremsbelägen den für Bremsvorgänge typischen Lasten und Temperaturen aus. Untersucht wurden dabei die Wechselwirkungen verschiedener Bremsdrücke mit der Bremshydraulik, so dass die Fachleute die optimale Krafteinleitung für die verschiedenen Druckbereiche ermitteln konnten.
Industriestandard erwünscht
„Zukünftig sind durch die eingebettete Sensorik Rückschlüsse über den eigentlichen Bremsbelag hinaus möglich. So lässt sich das typische Verhalten von Brems- oder Kupplungsanwendungen erkennen und gegebenenfalls verbessern“, so Brandt. Aus den positiven Ergebnissen des Projekts ergeben sich Möglichkeiten für industrielle Anwendungen.
Fünf Fragen an Herrn Jonas Martin Brandt vom Fraunhofer Institut LBF:
FIRMENWAGEN: Was macht einen Bremsbelag aus Ihrer Sicht "intelligent"?
Brandt: Die integrierte Sensorik ermöglicht es, Betriebs- und Zustandsdaten direkt aus dem Reibbelag zu ermitteln und somit zum Beispiel „intelligente“ vorausschauende Wartung oder selbstoptimierende Brems- und Kupplungssysteme zu ermöglichen.
FIRMENWAGEN: Im Kern geht es darum, dass eine noch bessere Kontrolle darüber herrscht, in welchem Zustand sich die beim Fahrzeug verwendeten Bremsbeläge befinden. Was können die schlauen Bremsbeläge konkret herausfinden?
Brandt: Mit Hilfe der integrierten Sensorik lassen sich mittels verschiedener Verfahren zur Auswertung analoger Signale Zustandsdaten isolieren. So ist mit der Messung der elektromechanischen Impedanz zum Beispiel messbar, inwiefern sich das Schwingungsverhalten des Reibbelags über die Zeit ändert, wodurch Rückschlüsse auf die Stärke des Reibbelags oder die strukturelle Integrität möglich werden. Durch geschickte Platzierung der Sensorik innerhalb des Reibbelags kann über die Spannungsmessungen zudem die Druckverteilung bei Bremsvorgängen beobachtet werden, die dann zum Beispiel in Verbindung mit tribologischen Effekten oder Steifigkeitsverlusten im Bremssattel gebracht werden können.
FIRMENWAGEN: Wie findet der Sensor den Weg in den Bremsbelag hinein?
Brandt: Der oder die kontaktierten Sensoren werden direkt während des Produktionsprozesses des Reibbelags eingesetzt, was durch die Herstellung eines Reibmaterials aus der Flüssigphase ermöglicht wird.
FIRMENWAGEN: Wo liegt die Herausforderung, um das Ganze auf Industrie-Niveau zu heben?
Brandt: Herausforderungen bestehen insbesondere vor dem Hintergrund der Betriebsfestigkeit der eingesetzten Sensorik gegenüber den Umgebungszuständen von Bremssystemen (hohe Temperaturen und Temperaturgradienten), sowie die Trennung betriebsrelevanter Parameter von Umgebungsparametern. Darüber hinaus stellt für eine Skalierung des Sensoreinsatzes im Hinblick auf Fahrerassistenzsysteme der Kostendruck in der Automobilbranche eine wesentliche Herausforderung dar. Die genannten Themen sind allesamt aktuell weiter Gegenstand der Forschung und Entwicklung.
FIRMENWAGEN: Glauben Sie, dass es einen Bedarf für den Kfz-Aftermarket für intelligente Bremsbeläge gibt?
Brandt: In Zusammenhang mit dem Stichwort „Vorausschauende Wartung“ ist hier ein klarer Bedarf erkennbar. So können Reibbeläge effizienter ausgetauscht werden, wenn Verschleiß besser absehbar ist und der Zustand direkt erkannt werden kann, darüber hinaus sind durch die Integration von Komponenten in den Reibbelag eindeutige Zuordnungen der Beläge zu bestimmten Chargen oder Zulieferern möglich.
