Auto-Bremsen weiter optimieren

Von Bremsen hängen Menschenleben ab. Sie sollen schnell zupacken und beim Lösen des Bremspedals sofort wieder in ihre Ruheposition gehen. Fahren sie dabei nicht ganz zurück, kann das zu einem Energieverlust führen. Beim Autofahren bekommt man davon nichts mit und es beeinträchtigt auch nicht die Funktion der Bremse. Allerdings kann sich das in einer schlechteren CO₂-Bilanz des Fahrzeugs niederschlagen. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und Mitarbeitende von ANAXAM sowie des Industriepartners Audi Sport sind der Sache auf den Grund gegangen: Mit Neutronen aus der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ des PSI haben sie einen Bremssattel durchleuchtet und dabei aufgezeigt, wie man die Bewegung der Bremskolben visualisieren und optimieren kann. Der Bremssattel umfasst die rotierende Bremsscheibe wie eine Zange. Tritt der Fahrer aufs Bremspedal, schiebt der hydraulische Druck aus der Bremsleitung mehrere Kolben nach vorne, diese pressen die beiden Bremsbeläge – einer auf jeder Seite – gegen die Bremsscheibe und diese stoppt durch die hohen Reibungskräfte.  

ANAXAM in Villigen ist ein Technologietransferzentrum, das vom PSI mitgegründet wurde und Industrieunternehmen bei der Nutzung der Forschungsinfrastruktur des PSI unterstützt.

Industriepartner in dem Projekt war Audi Sport. Mathias Kolb, Entwicklungsingenieur bei Audi Sport im deutschen Neckarsulm, hatte sich an seinen früheren Kollegen Matthias Wagner gewandt, der inzwischen leitender Ingenieur bei ANAXAM ist. Gemeinsam mit David Mannes vom PSI haben sie eine Messmethode entwickelt, um live in den Bremssattel hineinzuschauen und nach Optimierungsmöglichkeiten zu fahnden. Das ist am PSI nun erstmals gelungen.

Auto-Bremsen mithilfe von Neutronen verbessern

Schnell war den Partnern klar, dass Röntgenstrahlen dafür nicht infrage kommen, weil sie Metalle schlecht durchdringen. Anders Neutronen: Für sie ist das Aluminium des Bremssattels nahezu transparent, gleichzeitig sind sie sehr empfindlich für leichte chemische Elemente. Deshalb ist die Bremsflüssigkeit, die unter anderem wasserstoffhaltige Substanzen enthält, gut im Bild zu erkennen. Für die Experimente, die 2021 begonnen und in diesem Jahr abgeschlossen wurden, stellte das PSI die Neutronenstrahllinie und ihr Know-how zur Verfügung: Das Experiment wurde an der Strahllinie Neutra der Spallationsquelle SINQ durchgeführt. Dazu wurde ein Detektor verwendet, der die Neutronen hinter der Versuchsanordnung registriert und letztendlich ein zweidimensionales Bild aus dem Inneren des Bremssattels liefert.

Vor dem Detektor montierte ANAXAM einen Bremssattel. Ergänzt wurde der Aufbau durch eine speziell entwickelte Hydraulik, die realistische Bremsdrücke bis 100 bar ermöglicht. Eine Klimakammer zur Temperierung des Bremssattels simulierte verschiedene Betriebszustände. Anders als auf der Strasse drehte sich die Bremsscheibe in den Versuchen nicht. «Für künftige Messungen wäre das aber eine Option, um noch genauere Ergebnisse zu erzielen», sagt Matthias Wagner von ANAXAM. Wahrscheinlich ist das aber gar nicht mehr nötig, denn die abgeschlossene Messkampagne brachte schon viele interessante Erkenntnisse.

Das Lüftspiel ist entscheidend

Die Bilder aus dem Detektor zeigen eindrucksvoll, wozu die Bildgebung mit Neutronen fähig ist. Der Bremssattel mit den sechs Hydraulikkolben – drei auf jeder Seite – sind deutlich zu erkennen, ebenso selbst winzigste Abweichungen im Hub der Kolben. Dort zeigt sich zum Beispiel, dass das Lüftspiel – der Abstand des Bremsbelags in Ruheposition von der Bremsscheibe – beim unteren Kolben des äusseren Bremsbelags korrekte 0,4 Millimeter beträgt, während es bei den fünf anderen Kolben teilweise unter 0,3 Millimeter sind. Auch konnten die Projektpartner erstmals genau messen, wie sich der zangenförmige Bremssattel unter dem Druck der beiden Bremsbeläge aufweitet.

Das Projekt ist ein gutes Beispiel dafür, wie das wissenschaftliche Know-how des PSI und die Kompetenzen von ANAXAM ein bewährtes Serienprodukt noch besser machen können. Nach einer Optimierung in der Arbeitsweise der Bremskolben durch den Industriepartner zeigen die drei Kolben der Bremssattel-Innenseite  nun unter dem Neutronenstrahl ein um 0,1 Millimeter vergrössertes Lüftspiel. Dadurch wird beim Lösen der Bremse der Kontakt zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe zuverlässig unterbrochen. David Mannes vom PSI: «Unsere Forschung kann einen Beitrag leisten für geringere CO₂-Emissionen im Strassenverkehr.»

Text: Bernd Müller

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2200 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL. (Stand 05/2022)