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Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung
der an sich bekannten elektrohydraulischen Bremssysteme um eine
mit Druckgas betriebene Rückfallebene, mit
der bei Ausfall des elektrohydraulischen Bremsaggregates ein Fahrzeug
sicher zum Stehen gebracht werden kann.
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Ein Elektrohydraulisches Bremssystem
mit Pedalwegsimulator ist beispielsweise in der WO 99/29548 A1 ausführlich beschrieben.
Der Pedalwegsimulator ist als Federspeicherzylinder ausgebildet
und enthält
eine Druckfeder mit nichtlinerarer Kraft-Weg-Charakteristik.
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Bei konventionellen Bremsanlagen
für Personenkraftwagen
wird die Bremskraft des Fahrers mittels Hebelübersetzung des Bremspedals
mechanisch auf einen Unterdruck-Bremskraftverstärker und dann verstärkt weiter
auf den Hauptbremszylinder übertragen.
Mit dem erzeugten Druck wird die gewünschte Bremswirkung an den
einzelnen Radbremsen erzielt.
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Bei einer elektrohydraulischen Bremse
ist diese rein mechanisch-hydraulische Wirkungskette unterbrochen
und durch Sensoren, ein Steuergerät und eine Druckversorgung
ersetzt. Es besteht im Normalbetrieb keine mechanische oder hydraulische Verbindung
zwischen dem Bremspedal und der Radbremse.
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Eine elektrohydraulische Bremse hat
nach Bosch, Kraftfahrttechnisches Handbuch, – 23. Aktualisierte Auflage-Braunschweig;
Wiesbaden: Vieweg, 1999, Seite 673 folgenden Aufbau:
Eine Betätigungseinheit
aus Bremspedal und Pedalwegsimulator, ein Hydraulikaggregat, Sensoren
(z.B. Wegsensoren, Drucksensoren, Raddrehzahlsensoren), Anbausteuergeräte oder
Wegbausteuergeräte für das Hydraulikaggregat,
eine Druckversorgung, Steuer- und Druckleitungen sowie Hydraulikventile.
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Die grundsätzliche Arbeitsweise einer
elektrohydraulischen Bremse als Fremdkraft-Bremse läßt sich
wie folgt zusammenfassen:
Zwei unterschiedliche Sensoren- ein
Sensor an der Betätigungseinheit
für den
Pedalweg und ein Drucksensor am Hydraulikaggregat – erfassen
den Bremswunsch und übertragen
ihn an das Steuergerät.
In diesem Steuergerät
sind auch die Funktionen Bremskraftverstärkung, Antiblockiersystem (ABS),
Antriebsschlupfregelung (ASR) und Elektronisches Stabilitätsprogramm
(ESP) mittels Software integriert. Die weiteren Sensoren von ABS,
ASR und ESP liefern dem Steuergerät Daten über den Fahrzustand wie Geschwindigkeit
oder Kurvenfahrt und über
den Bewegungszustand der einzelnen Räder. Aus diesen Daten ermittelt
die Software des Steuergerätes
Signale für
das Hydraulikaggregat, die in den Raddruckmodulatoren in die Bremsdrücke für die einzelnen Räder umgesetzt
werden. Eine elektrisch angetriebene Hydraulikpumpe mit einem Hochdruckspeicher und
Drucküberwachung
bildet die Druckversorgung.
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Aus Sicherheitsgründen wird bei eventuellen Fehlern
im System in einen Zustand geschaltet, bei dem das Fahrzeug auch
ohne die Fremdkraftbremsung abgebremst werden kann.
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An diesem Punkt setzt die Erfindung
an.
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Bei bekannten elektrohydraulischen
Bremssystemen werden im Fehlerfall die Komponenten des Hydraulikaggregates
vom rein mechanisch-hydraulischen Hilfsbremskreis getrennt. Das
Fahrzeug wird dann mit der Muskelkraft des Fahrers zum Stehen gebracht.
Dies hat zur Folge, daß mit
dem Hilfsbremskreis in der Regel wesentlich kleinere Verzögerungswerte
bei einer Bremsung erzielt werden. Auf alle Fälle ist bei Rückfall in
den Hilfsbremskreis von dem Fahrzeugführer ein erheblich erhöhter, körperlicher
Kraftaufwand gefordert, um das Fahrzeug zu bremsen.
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Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand
der Technik stellt sich die erfindungsgemäße Aufgabe, ein elektrohydraulisches
Bremssystem mit verbesserten Bremsleistungen in der Rückfallebene des
Bremssystems anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch
die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind
in den Unteransprüchen
enthalten.
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Die Lösung gelingt durch ein elektrohydraulisches
Bremssystem mit einer druckgasbetriebenen Rückfallebene. Die Rückfallebene
wird gebildet aus einem Druckgasvorratsbehälter, einer Druckleitung mit
mindestens einem ansteuerbaren Druckbeaufschlagungsventil, einer
Entlüftungsleitung
mit mindestens einem ansteuerbaren Druckentlastungsventil und mindestens
einem Arbeitszylinder mit integriertem, beweglichem Kolben, der
den Arbeitszylinder in zwei Arbeitskammern teilt. Der Druckgasvorratbehälter ist über das
Druckbeaufschlagungsventil und die Druckleitung mit der ersten Arbeitskammer des
Arbeitszylinders, auch als Druckgasseite bezeichnet, verbunden.
Weiterhin ist die. Druckgasseite des Arbeitszylinders über das
Druckentlastungsventil und die Entlüftungsleitung mit einer Niedrigdruckumgebung
verbunden.
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Der Arbeitszylinder ist entweder
als Medientrenner oder als Pneumatikzylinder ausgebildet und steht
mit seiner zweiten Arbeitskammer oder mit seiner Stangenseite in
hydraulischer oder mechanisch-hydraulischer Wirkverbindung mit den
Radbremsen bzw. den Radbremszylindern.
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Die Betätigung der Radbremsen erfolgt
in der Rückfallebene
durch Betätigung
der Druckbeaufschlagungsventile und Druckentlastungsventile in der
Druckgasleitung und in der Entlüftungsleitung druckgasunterstützt und
damit ebenfalls als Fremdkraftbremsung.
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Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden
Vorteile erzielt:
Im Notfall, wenn die rein elektrohydraulische
Komponente des Bremssystems ausfällt,
wird mit der druckgasunterstützten
Rückfallebene
ein Hilfsbremssystem zur Verfügung
gestellt, daß im
Gegensatz zu muskelkraftbedienten Hilfsbremskreisen keine Einbußen an Verzögerungsmoment
hat.
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Je nach Dimensionierung des Druckgasvorratsbehälters sind
in der Rückfallebene
des elektrohydraulischen Bremssystems eine unterschiedliche Anzahl,
jedoch auf alle Fälle
mehrere, Bremsungen möglich.
Erst wenn der Druck im Druckvorratsbehälter unter einen sicherheits kritischen
Wert abgesunken ist, muß das
Fahrzeug bis zur Reparatur des Bremssystems außer Betrieb genommen werden.
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In einer für Brennstoffzellenfahrzeuge
geeigneten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen elektrohydraulischen
Bremssystems wird der Druckgasvorratsbehälter der Rückfallebene durch den Druckgasvorratsbehälter des
Brennstoffzellenantriebs gebildet. Die Entlüftungsleitung der Rückfallebene
wird dann mit Vorteil an die Niederdruckleitung des Brennstoffzellenantriebs
angebunden. Dadurch wird verhindert, daß brennbare Antriebsgase unkontrolliert
in die Umgebung entweichen.
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In einer aufwendigeren Ausführung des
erfindungsgemäßen, elektrohydraulischen
Bremssystems ist die Rückfallebene
hinsichtlich der Druckbeaufschlagungsventile, der Druckentlastungsventile und
der Ansteuerung der zuvor besagten Ventile redundant ausgebildet.
In der redundanten Ausführung der
Rückfallebene
sind in der Druckleitung und in der Entlüftungsleitung jeweils zwei
ansteuerbare Magnetventile, vorzugsweise Proportionalventile, als Paar
hintereinander angeordnet.
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In der Entlüftungsleitung kann auch eine
Parallelschaltung der beiden redundanten Ventile eingesetzt werden.
Die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele
der vorteilhaften Ventilanordnungen sind im Zusammenhang mit 6 näher
erläutert.
Fällt ein Magnetventil
oder die Ansteuerung eines Magnetventils eines Paares aus, so wird
die Funktionalität des
ausgefallenen Ventils von dem zweiten Magnetventil des betreffenden
Paares übernommen.
Die redundante, paarweise Ausführung
der Druckbeaufschlagungsventile und der Druckentlastungsventile in
der Rückfallebene
erhöht
die Verfügbarkeit
der Rückfallebene.
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In einer weiteren Ausführung der
Erfindung erfolgt die Ansteuerung der Magnetventile in der Rückfallebene
von einem speziell für
die Rückfallebene
vorgesehenen Steuergerät.
In dieser Ausführung
enthält
das erfindungsgemäße, elektrohydraulische
Bremssystem zwei Steuergeräte.
Ein Steuergerät
zur Ansteuerung der Magnetventile im Hydraulikaggregat und ein Steuergerät für die Ansteuerung
der Magnetventile in der Rückfallebene.
Beim Ausfall oder bei einer Störung
des zentralen Steuergeräts
für das
Hydraulikaggregat bleibt bei dieser Ausfüh rung die Störung auf
das Hydraulikaggregat beschränkt. Die
Störung
hat keine störenden
Auswirkungen auf das Steuergerät
der Rückfallebene.
Die Funktion der Rückfallebene
bleibt bei Störung
des zentralen Steuergerätes
für das
Hydraulikaggregat erhalten. Die Bremsbetätigungseinheit ist bei einer
Ausführung des
elektrohydraulischen Bremssystems mit zwei Steuergeräten mit
beiden Steuergeräten über Signalleitungen
verbunden.
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In einer für Fahrzeuge mit zwei elektrischen Bordnetzen
geeigneten Ausführung
des erfindungsgemäßen elektrohydraulischen
Bremssystems mit zwei Steuergeräten
ist auch die Energieversorgung der beiden Steuergeräte und der
jeweils zueinander redundanten Magnetventile in der Rückfallebene
auf die beiden getrennten Bordnetze aufgeteilt. In dieser Ausführung werden
das Steuergerät,
die Magnetventile für
das Hydraulikaggregat und jeweils ein Magnetventil eines redundanten
Paares von Magnetventilen in der Rückfallebene von dem ersten
Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt.
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Das zweite Steuergerät und das
jeweilige zweite Magnetventil der redundanten Paare von Magnetventilen
in der Rückfallebene
werden vorn zweiten elektrischen Bordnetz mit Energie versorgt.
Die Bremsbetätigungseinheit,
die auf keinen Fall ausfallen darf, wird in redundanter Weise von
beiden Bordnetzen mit elektrischer Energie versorgt. Bei Ausfall nur
eines Bordnetzes bleibt damit die Bremsbetätigungseinheit durch Energieversorgung
aus dem zweiten Bordnetz betriebsbereit. Auch. die Rückfallebene
bleibt durch die getrennte Energieversorgung der redundanten Magnetventilpaare
bei Ausfall nur eines Bordnetzes weiterhin betriebsbereit.
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Eine weitere Ausführung des zuvor genannten Ausführungsbeispiels
der Erfindung mit zwei Bordnetzen ist geeignet für Brennstoffzellenfahrzeuge
mit zwei Bordnetzen. Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb haben
in der Regel ein Bordnetz für
den Antrieb und die Leistungselektronik und ein Bordnetz für die Signal-
und Informationselektronik, die mit unterschiedlichen Spannungspegeln
arbeiten. Die Aufteilung der Energieversorgung aus den beiden Bordnetzen
und die Zuordnung der Steuergeräte
für die Ansteuerung
der Magnetventile bleibt dieselbe wie in dem zuvor genannten Ausführungsbeispiel
für Kraftfahrzeuge
mit zwei getrennten Bordnetzen.
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Zusätzlich wird bei Brennstoffzellenfahrzeugen
die Entlüftungsleitung
der Rückfallebene
mit der Niederdruckseite der Treibgasversorgung des Brennstoffzellenantriebs verbunden,
damit bei einer Hilfsbremsung keine brennbaren Gase unkontrolliert
in die Umgebung entweichen können.
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Vorzugsweise ist in den zuvor genannten Ausführungsbeispielen
der Arbeitszylinder der Rückfallebene
als Medientrenner ausgebildet, der gleichzeitig der Hauptbremszylinder
oder der Tandemhauptbremszylinder ist. In diesem Fall ist die erste
Arbeitskammer des Medientrenners mit dem Druckvorratsbehälter der
Rückfallebene
verbunden und die zweite Arbeitskammer des Medientrenners ist mit dem
Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter und
mit den Radbremsen verbunden, wie man es von Hauptbremszylindern
oder Tandemhauptbremszylindern kennt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Arbeitszylinder als Pneumatikzylinder ausgebildet,
dessen Kolbenstange auf einen an sich bekannten Hauptbremszylinder
oder Tandhauptbremszylinder wirkt. dies fordert zwar daß im Unterschied
zu den Ausführungsformen,
bei denen der Medientrenner zugleich der Hauptbremszylinder oder
der Tandemhauptbremszylinder ist, ein zusätzliches Bauteil, nämlich der
Pneumatikzylinder, benötigt
wird, eröffnet
aber die Möglichkeit,
bestehende, elektrohydraulische Bremssysteme mit mit Muskelkraft
betätigten
Hauptbremszylindern um die beschriebene Rückfallebene nachzurüsten.
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Die Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden im folgenden anhand einer Zeichnung dargestellt und näher erläutert. Es
zeigt:
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1 Ein
Blockschaltbild eines elektrohydraulischen Bremssystems mit einem
Hydraulikaggregat, einer Betätigungseinheit,
Steuergeräten
und einer druckgasbetriebenen Rückfallebene,
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2 Ein
elektrohydraulisches Bremssystem der 1 adaptiert
auf Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb,
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3 Ein
elektrohydraulisches Bremssystem der 1 in
redundanter Auslegung und adaptiert auf Fahrzeuge mit mindestens
zwei elektrischen Bordnetzen,
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4 Ein
elektrohydraulisches Bremssystem der 2 in
redundanter Auslegung und adaptiert auf Brennstoffzellenfahrzeuge
mit zwei elektrischen Bordnetzen,
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5 Ein
elektrohydraulisches Bremssystem mit nachrüstbarer, druckgasberiebener
Rückfallebene;
hierzu ist in der Rückfallebene
ein Pneumatikzylinder enthalten, der mit seiner Kolbenseite in mechanischer
Wirkverbindung mit dem Tandemhauptbremszylinder des elektrohydraulischen Bremssystems
steht,
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6a Die
in den 1 bis 5 bereits gezeigte Anordnung
der Druckbeaufschlagungsventile und der Druckentlastungsventile
in der Entlüftungsleitung,
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6b Eine
alternative Anordnung der Druckentlastungsventile in Parallelschaltung
zueinander.
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Ein elektrohydraulisches Bremssystem
nach 1 besteht typischerweise
aus den für
sich genommen bekannten Komponenten einer Druckversorgung, eines
ersten Steuergerätes
ECU 1 (ECU für Electronic
Control Unit), eines strichpunktiert zusammengefaßten Hydraulikaggregates
HCU (HCU für Hydraulic
Control Unit) und einer ebenfalls strichpunktiert zusammengefaßten Betätigungseinheit,
bestehend aus einem Bremspedal 1, Pedalkraftsensoren und
Pedalwegsensoren 2, die als Druckspannungswandler oder
als Wegspannungswandler ausgebildet sind, und über Signalleitungen mit einer
Pedalauswerteeinheit PAE verbunden sind. In der Pedalauswerteeinheit
wird aus den Spannungssignalen der Pedalkraftsensoren und Pedalwegsensoren
mittels eines Softwareprogramms ein Bremswunsch ermittelt, der über Datenleitungen
als Steuerbefehl an mindestens ein weiteres, angeschlossenes Steuergerät ECU 1,
ECU 2 weitergeleitet wird. In dem nachgeschalteten Steuergerät wird der
ermittelte Bremswunsch in Stellsignale zu Ansteuerung der elektrisch betätigbaren
Magnetventile des Hydraulikaggregates und der strichpunktiert zusammengefaßten Rückfallebene
RFE umgesetzt.
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In einer nicht dargestellten Ausführung der Erfindung
ist die Pedalauswerteeinheit mit lediglich einem nachgeordneten,
weiteren, gemeinsamen Steuergerät
für das
Hydraulikaggregat als auch fiir die Rückfallebene verbunden. In diesem
Fall wird der in der Pedalauswerteeinheit ermittelte Bremswunsch sowohl
für die
Magnetventile des Hydraulikaggregates als auch für die Magnetventile der Rückfallebene von
dem einen gemeinsamen Steuergerät
in Stellsignale zur Betätigung
der Magnetventile umgesetzt. Diese Ausführungsform hat allerdings gegebenenfalls
den Nachteil, daß bei
einem Ausfall des gemeinsamen Steuergerätes nicht nur das Hydraulikaggregat
sondern auch die Rückfallebene
ausfällt.
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Vorzuziehen ist deshalb eine Ausführungsform
der Erfindung mit zwei getrennten Steuergeräten ECU 1 und ECU 2,
mit einem ersten Steuergerät ECU 1 für das Hydraulikaggregat
und einem zweiten Steuergerät
ECU 2 für
die Magnetventile der Rückfallebene,
wie sie in 1 bis 5 jeweils dargestellt sind. Die
Pedalauswerteeinheit PAE ist dann mit beiden Steuergeräten verbunden
und übermittelt
den Bremswunsch an beide Steuergeräte. Auch die Steuergeräte untereinander
sind mit einer Datenleitung verbunden. Über die Verbindung der beiden
Steuergeräte
untereinander werden Informationen über den störungsfreien Betrieb der beiden
Steuergeräte
ausgetauscht. Solange das erste Steuergerät ECU 1 für die Ansteuerung
des Hydraulikaggregates einwandfrei arbeitet, wird ein Bremswunsch
lediglich von diesem ersten Steuergerät durch Betätigung der Magnetventile des
Hydraulikaggregates in ein Bremsmanöver umgesetzt. Das zweite Steuergerät ECU 2 der Rückfallebene
bleibt auf Stand-by und die Magnetventile der Rückfallebene bleiben in ihrer
Stand-by Stellung. Tritt im ersten Steuergerät eine Störung ein, die die Funktion
des Steuergerätes
beeinträchtigt oder
gar zum Ausfall des ersten Steuergerätes führt, so wird das erste Steuergerät von einer
Steuergerät-internen Überwachungsroutine
in einen sogenannten fail-silent Modus geschaltet und das zweite Steuergerät ECU 2 der
Rückfallebene
aktiviert. Im einfachsten Fall kann der fail-silent Zustand des
ersten Steuergerätes
durch einen vordefinierten Spannungspegel eines festgelegten Anschlußpins an
das zweite Steuergerät
signalisiert werden. Vorzugsweise wählt man einen Spannungspegel,
der sich auch bei Totalausfall des ersten Steuergerätes an dem festgelegten
Anschlußpin
des ersten Steuergeräts einstellt.
Tritt dieser Spannungspegel an der Datenleitung zwischen den beiden
Steuergeräten
auf, aktiviert eine Überwachungsroutine
im zweiten Steuergerät
die Funktionen dieses zweiten Steuergerätes. Nunmehr auftretende Bremswünsche werden
vom zweiten Steuergerät
ECU 2 durch Betätigung
der Magnetventile in der Rückfallebene
in ein Bremsmanöver
umgesetzt. Das elektrohydraulische Bremssystem befindet sich nun
sozusagen in seiner Rückfallebene.
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Das Hydraulikaggregat HCU ist bei
der Normalbremsung durch Trennventile CVVA (für Cut Valve Vorderachse) und
CVHA (für
Cut Valve Hinterachse} vom Arbeitszylinder 6 getrennt.
Typischer Weise enthält
das Hydraulikaggregat mehrere 2/2 Hydraulikmagnetventile mit jeweils
zwei Stellmöglichkeiten und
zwei Hydraulikanschlüssen.
Aus Sicherheitsgründen
und entsprechend gesetzlicher Zulassungsbestimmungen müssen in
einem Kraftfahrzeug mindestens zwei getrennte Bremskreise für die Betriebsbremse
vorhanden sein. Im gezeigten vereinfachten Ausführungsbeispiel sind das die
beiden Bremskreise für
die Vorderachse und für
die Hinterachse des Fahrzeugs. Der Bremskreis für die Vorderachse wird gebildet
aus einem Einlassventil vorne links EVvl und einem Auslassventil
vorne links AVv1 und der Radbremse vorne links VL sowie einem Einlassventil
vorne rechts EVvr, einem Auslassventil vorne rechts AVvr und der
Radbremse vorne rechts VR. Ein Ausgleichsventil BV (Balance Valve)
zwischen den beiden Einlassventilen sorgt für einen Druckausgleich zwischen
linker und rechter Radbremse. Dieselbe Anordnung an Magnetventilen
findet sich im Hydraulikaggregat nochmals für die Hinterachse. Der Bremskreis
für die
Hinterachse besteht aus einem Einlassventil hinten links EVhl, einem
Auslassventil hinten links AVhl und der Radbremse hinten links HL sowie
einem Einlassventil Evhr hinten rechts, einem Auslassventil Avhr
hinten rechts und der Radbremse hinten rechts HR. Zwischen linkem
und rechtem Einlassventil ist auch wieder ein Ausgleichsventil BV
für den
Druckausgleich zwischen linker und rechter Fahrzeugseite geschaltet.
Sämtliche
Ventile sind als elektrisch betätigbare,
ansteuerbare Magnetventile mit selbsttätiger Rückstellung ausgebildet und
werden von dem Steuergerät
ECU1 des elektrohydraulischen Bremssystems angesteuert. Die Einlassventile und
Auslassventile des Hydraulikaggregates sind als Proportionalventile
ausgebildet, da sich mit Proportionalventilen der Bremsdruck in
den Radbremsen besser einsteuern läßt. Die Ausgleichsven tile,
die sich jeweils zwischen linker Radbremse und rechter Radbremse
befinden, erlauben je nach Bedarfslage der Fahrsituation entweder
einen Druckausgleich zwischen linken und rechten Radbremsen oder
bei ABS, ASR, ESP Anwendungen durch Trennung von linker und rechter
Radbremse eine Einzelbremsung der Fahrzeugräder.
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Die Druckversorgung des Hydraulikaggregates
besteht aus einer angetriebenen Hydraulipumpe 3, z.B. einer
Dreikolbenpumpe, die mit einer Saugleitung S mit dem Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter 31 verbunden
ist und deren Druckleitung mit einem Druckspeicher 4 und
dem Hydraulikaggregat verbunden ist. Von der Druckversorgung werden
die Einlassventile des Hydraulikaggregates mit Bremsflüssigkeit
und mit Bremsdruck versorgt. Die Auslassventile des Hydraulikaggregates
bauen bei deren Öffnen den
Bremsdruck wieder ab. Die Auslassventile sind deshalb über eine
Rückleitung
R mit dem Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter 31 verbunden,
in den die aus den Auslassventilen abfließende Bremsflüssigkeit zurückgefördert wird.
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Bei einer Normalbremsung des elektrohydraulischen
Bremssystems sind die beiden Bremskreise für Vorderachse und Hinterachse
durch zwei Trennventile CVVA, CVHA von der Rückfallebene getrennt. Im Fehlerfall
oder bei Ausfall des Hydraulikaggregates HCU oder des ersten Steuergerätes ECU1
geht das Bremssystem in seine Rückfallebene mit
druckgasbetriebener Hilfsbremsung über. Hierzu trennen die Einlassventile
des Hydraulikaggregates die Druckversorgung von den Bremsleitungen
der Radbremsen und die beiden Trennventile CVVA, CVHA verbinden
die Rückfallebene
mit den beiden Bremskreisen des Kraftfahrzeuges. Das zweite Steuergerät ECU2 wird
aktiviert und die Magnetventile V1,V2, V3, V4 der Rückfallebne
gehen angesteuert von dem zweiten Steuergerät ECU2 der Rückfallebene
in ihren Betriebszustand. Bei Betätigung des Bremspedals, wenn
sich nun das Bremssystem in seiner Rückfallebene befindet, wird
der Bremswunsch, der von der Pedalauswerteeinheit PAE errechnet
wurde, nun von dem zweiten Steuergerät ECU? durch Ansteuerung und
Betätigung
der Ventile V1, V2, V3, V4 in ein Bremsmanöver umgesetzt. Hierdurch bleibt
das Fahrzeug weiterhin bremsfähig, wenn
auch die volle Funktionalität
des Hydraulikaggregates, was ESP-, ASR- oder ABS-Funktionen angeht,
nicht mehr aktiv ist.
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Die Rückfallebene RFE des elektrohydraulischen
Bremssystems wird gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 1 gebildet aus dem
zweiten Steuergerät
ECU2, einem Druckgasvorratsbehälter 5,
den Magnetventilen V1, V2, V3, V4, den beiden alternativen Druckminderern
D2 und D3 und dem Arbeitszylinder 6. Die Elemente der Rückfallebene
sind in 1 mit einer
strichpunktierten Linie zusammengefaßt, die mit RFE bezeichnet
ist. Der Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter 31 gehört zwar
eigentlich nicht zur Rückfallebene,
er ist jedoch für
die Funktion der Rückfallebene
notwendig. Die Wirkungsweise und das Zusammenspiel der Rückfallebene
mit den übrigen
Komponenten des elektrohydraulischen Bremssystems ergibt sich nun
wie folgt:
Bei Auftreten einer ernsthaften Störung des
Primärsystems
aus Hydraulikaggregat HCU, erstem Steuergerät ECU1 und Bremswunscherfassung öffnen die beiden
Trennventile CVVA und CVHA für
den Vorderachsbremskreis und den Hinterachsbremskreis. Alle Magnetventile
des Hydraulikaggregates gehen nach Deaktivierung des ersten Steuergerätes ECU1
in ihren stromlosen Zustand über.
Standard gemäß sind alle
Ventile in allen Darstellungen in ihrer stromlosen Stellung gezeichnet.
Hierdurch wird die Druckversorgung des Hydraulikaggregates von den
Radbremsen getrennt, während
die Rückfallebene
durch Öffnen der
Trennventile nun mit den Radbremsen in Wirkverbindung ist. Das zweite
Steuergerät
ECU2 wird aktiviert und übernimmt
die Kontrolle über
die Magnetventile der Rückfallebene
und über
die Umsetzung eines eventuellen Bremswunsches, der von der Pedalauswerteeinheit
an das zweite Steuergerät ECU2
via Datentransfer übermittelt
wurde. Liegt ein solcher Bremswunsch durch Betätigung des Bremspedals vor,
so wird der Bremswunsch hinsichtlich Dauer und Stärke ausgewertet
und durch Ansteuerung der Magnetventile V1, V2, V3, V4 in ein, dem Bremswunsch
entsprechendes, Bremsmanöver
umgesetzt. Die Umsetzung des Bremswunsches im zweiten Steuergerät ECU2 in
Stellsignale für
die Magnetventile erfolgt in für
sich genommen bekannter Weise z.B. über Pedalweg-Pedalkraft-Kennlinien, denen
ein einzustellender Bremsdruck zugeordnet ist. Die Kennlinien sind
in einem nichtflüchtigen
Speicher im zweiten Steuergerät
abgelegt und werden mit Softwarealgorithmen in Steuerbefehle für die Magnetventile
umgesetzt. Ein geschlossener Regelkreis ergibt sich durch die Erfassung
des Bremsdruckes und dessen Rückkopplung
als Regelgröße in die Steuerlogik
des zweiten Steuergerätes.
Der Bremsdruck wird deshalb mit einem Druckspannungswandler 7 auf
der Hyd raulikseite des Arbeitszylinders 6 gemessen und
an das zweite Steuergerät
ECU2 zurückgekoppelt.
Ein zweiter Druckspannungswandler 8 am Druckgasvorratsbehälter 5 überwacht
den Restdruck im Druckgasvorratsbehälter. Bei Unterschreiten eines
sicherheitskritischen Mindestdruckes können je nach Auslegung der
Steuerlogik für
die Rückfallebene,
die Radbremsen des Fahrzeuges dauerhaft blockiert werden, so daß sichergestellt
ist, daß das
Fahrzeug in diesem dann nicht mehr betriebssicheren Zustand festgebremst
werden kann. Solche Sicherheitsbremssysteme kennt man in ähnlicher
Weise aus dem Nutzfahrzeugbereich, bei denen bei Unterschreiten
eines Mindestdruckes im Druckgasvorratbehälter, die Radbremsen aus Sicherheitsgründen blockiert
werden. Allerdings wird bei Nutzfahrzeugen die Energie zur Blockade
der Radbremse von einem Federspeicherbremszylinder aufgebracht,
während
hier bei der Erfindung ein Federspeicherbremszylinder nicht notwendig
ist, da die Energie zur Blockade der Radbremsen von dem Restdruck
im Druckgasvorratsbehälter
aufgebracht werden kann, sobald ein kritischer Mindestdruck für den ordnungsgemäßen Betrieb
der Bremsanlage unterschritten ist.
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Eine Bremsung in oder mit der Rückfallebene
des elektrohydraulischen Bremssystems wird durch Öffnen der
beiden, in redundanter Weise hintereinandergeschalteten Druckbeaufschlagungsventile
V3 und V4 und durch Schließen
der beiden, ebenfalls in redundanter Weise hintereinandergeschalteten
Entlüftungsventile
V1 und V2 eingeleitet. Durch diese Schaltmaßnahme wird die erste, druckseitige Arbeitskammer
des Arbeitszylinders 6 mit Druck beaufschlagt. Die zweite,
hydraulikseitige Arbeitskammer des Arbeitszylinders steht in hydraulischer
Wirkverbindung mit dem Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter 3 und
mit den Radbremsen VL, VR, HL, HR. Natürlich müssen Vorkehrungen getroffen
sein, daß der Bremsflüssigkeitvorratsbehälter bei
Betätigung
des Arbeitskolbens im Arbeitszylinder von der Hydraulikkammer des
Arbeitszylinders 6 getrennt wird, so daß bei Druckbeaufschlagung der
ersten, druckgasseitigen Arbeitskammer des Arbeitszylinders die
Bremsflüssigkeit
in die Radbremszylinder gefördert
wird. Der Arbeitszylinder ist deshalb vorzugsweise als an sich bekannter
Hauptbremszylinder ausgebildet, der anstatt einer mechanischen Betätigung eine
Druckgasbetätigung
hat. Ein geeigneter, an sich bekannter Tandemhauptbremszylinder
mit Zentralventilen, der mittels Druckgasbetätigung erfindungsgemäß verwendet
werden könnte,
ist bei spielsweise beschrieben in Bosch, Kraftfahrttechnisches Handbuch, – 23. Aktualisierte
Auflage- Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1999, Seite 655.
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Die Radbremsen werden in der Rückfallebene
gelöst,
indem die Druckbeaufschlagungsventile V3 und V4 geschlossen werden
und die Entlüftungsventile
V1 und V2 geöffnet
werden.
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Vorzugsweise sind sowohl die Druckbeaufschlagungsventile
als auch die Druckentlastungsventile in der Rückfallebene als Proportionalventile
ausgebildet. Dann läßt sich
entsprechend dem Bremswunsch der gewünschte Bremsdruck an den Radbremsen
besser einstellen. Der Regelkreis hierzu wurde bereits im Zusammenhang
mit der Bremsdrucküberwachung
durch den Druckspannungswandler 7 beschrieben.
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Sowohl die Druckbeaufschlagungsventile
als auch die Entlüftungsventile
sind in dem Ausführungsbeispiel
der 1 paarweise, redundant
ausgebildet. Grundsätzlich
genügt
in der Rückfallebene
jeweils ein Druckbeaufschlagungsventil und ein Entlüftungsventil,
um den Bremswunsch in ein Bremsmanöver umsetzen zu können. Die
paarweise Redundanz der Magnetventile in der Rückfallebene erhöht mithin
die Betriebssicherheit der Rückfallebene.
Falls jeweils eines der Magnetventile aus einem der beiden Ventilpaare
ausfallen sollte bleibt durch das jeweils zweite Ventil die Funktionalität der Rückfallebene
trotzdem vollständig
erhalten.
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Paarweise, redundant sind in dem
Ausführungsbeispiel
der 1 auch jeweils die
Pedalwegsensoren 2 und die Pedalkraftsensoren 2 der
Betätigungseinheit
ausgebildet. Auch hier dient die paarweise Ausbildung der Sensoren
der Erhöhung der
Verfügbarkeit
der Betätigungseinheit.
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Alternativ können in den Druckleitungen
und in der Entlüftungsleitung
der Rückfallebene
noch Drosseln D3, D2 als Druckminderer eingesetzt sein. Mit dem
Druckminderer zwischen Druckgasvorratsbehälter 5 und Druckbeaufschlagungsventil
V3, V4 wird der Druck aus dem Druckgasvorratbehälter auf einen Druck zwischen
50–150
bar, anliegend bei einer Bremsung am Arbeitszylinder, gemindert.
Eine Drossel in der Entlüftungsleitung
nach den beiden Entlüftungsventilen
V1, V2 hin zur Fahrzeugumgebung verhindert ein schlagartiges Entlüften am
Ende eines Bremsvorganges.
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2 zeigt
eine Anwendung des erfindungsgemäßen, elektrohydraulischen
Bremssystems mit druckgasbetätigter
Rückfallebene
in Brennstoffzellenfahrzeugen. Brennstoffzellenfahrzeuge mit Druckgasbehälter für das Antriebsgas
des eigentlichen Brennstoffzellenantriebs sind für die Anwendung des in 1 beschriebenen Bremssystem
gewissermaßen
schon vorgerüstet.
Das erfindungsgemäße Bremssystem,
wie es in 1 erläutert wurde,
wird für
den Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen wie folgt adaptiert:
Die
Funktion des Druckgasvorratsbehälters
wird zweckmäßiger Weise
von dem Treibgasvorratsbehälter
H2 des Brennstoffzellenfahrzeugs übernommen. Eine Treibgasversorgungsleitung 9 verbindet den
Treibgasvorratsbehälter
H2 mit dem Brennstoffzellenantrieb 10. In der Versorgungsleitung
zwischen Treibgasvorratbehälter
und Brennstoffzellenantrieb ist eine Drossel D1 als Druckminderer
integriert, die den Druck des Treibgasvorratsbehälters auf einen Druck von 2
bis 4 bar mindert. Der Brennstoffzellenantrieb ist mit der Niederdruckseite
der Drossel D1 verbunden. Die in 1 erwähnte Entlüftungsleitung mit
den beiden Druckentlastungsventilen V1, V2 und der Drossel D2 wird
bei einer Anwendung in Brennstoffzellenfahrzeugen nicht mehr direkt
in die Umgebung geführt,
sondern mit der Niederdruckseite der Drossel D1 beziehungsweise
mit der Treibgasversorgungsleitung des Brennstoffzellenantriebs
verbunden. Da bei einem Ausführungsbeispiel
entsprechend der 2 die
Druckversorgung der Rückfallebene
durch einen Treibgasvorratsbehälter
gebildet ist, der in der Regel brennbare Gase oder Flüssigkeiten
wie Wasserstoff, Methanol oder Äthanol
enthält, wird
die gesamte Rückfallebene
mit brennbaren Gasen betrieben. Um ein unkontrolliertes Entweichen brennbarer
Gase über
die Entlüftungsleitung
in die Fahrzeugumgebung zu unterbinden, ist die Entlüftungsleitung
mit der Treibgasversorgungsleitung des Brennstoffzellenantriebes
verbunden. Die übrigen Elemente
des in 1 beschriebenen,
elektrohydraulischen Bremssystems bleiben in Ihrer Funktion und
Wirkungsweise im Ausführungsbeispiel
der 2 erhalten.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen, elektrohydraulischen
Bremssystems aus 1 in
einem Fahrzeug mit zwei getrennten, elektrischen Bordnetzen I und
II, deren Ausdehnung im Fall des Bordnetz I strichpunktiert, und
im Fall des Bordnetz II mit unterbrochener Linie dargestellt ist.
An das Bordnetz I sind angeschlossen: das erste Steuergerät ECU1,
die Betätigungseinheit
zur Bremswunscherfassung, das Druckbeaufschlagungsventil V4 der
Rückfallebene,
das Druckentlastungsventil V2 der Rückfallebene sowie das komplette
Hydraulikaggregat mit allen Magnetventilen und der Druckversorgung.
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An das Bordnetz II sind angeschlossen:
das zweite Steuergerät
ECU2 der Rückfallebene,
das Druckbeaufschlagungsventil V3 der Rückfallebene, das Druckentlastungsventil
V1 der Rückfallebene und
die Betätigungseinheit
zur Bremswunscherfassung.
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Die Betätigungseinheit wird somit von
beiden Bordnetzen mit Energie versorgt. Die redundanten Magnetventilpaare
V3 und V4 einerseits sowie V1 und V2 andererseits werden als Paar
jeweils auch von beiden Bordnetzen I und II mit Energie versorgt. In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
der 3 wird pro Magnetventilpaar
jeweils ein Magnetventil von dem ersten Bordnetz I und ein Magnetventil
von dem zweiten Bordnetz II mit Energie versorgt. Angesteuert
werden beide Magnetventilpaare in der Rückfallebene von dem zweiten
Steuergerät
ECU2. Sollte eines der Bordnetze ausfallen, so bleibt die Betätigungseinheit
und mindestens ein Steuergerät
mit den jeweils zugeordneten Magnetventilen versorgt aus dem nicht-ausgefallenen Bordnetz
weiterhin betriebsbereit. Damit bleibt bei Ausfall eines Bordnetzes
das Fahrzeug immer entweder über
das erste Steuergerät
und das Hydraulikaggregat HCU oder über das zweite Steuergerät und die
Rückfallebene RFE
bremsfähig
und betriebsbereit. Die ausgefallenen Magnetventile der Rückfallebene
gehen bei Ausfall eines Bordnetzes in die stromlose Position, die
in dem Fall der Erfindung die geöffnete
Stellung des Ventils ist. Hierdurch kann die Funktion des ausgefallenen
Ventils durch das zweite, redundante Magnetventil, das an das nicht
ausgefallene Bordnetz angeschlossen ist und von dem nicht ausgefallenen
Steuergerät
angesteuert wird, übernommen
werden.
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In einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung können
die Magnetventile V1, V2, V3, V4 nicht wie soeben beschrieben alle
dem zweiten Steuergerät
zugeordnet sein, sondern wie in 3 durch die
Wirkungslinien der Bordnetze angedeutet auf das erste Steuergerät ECU1 und
das zweite Steuergerät ECU2
aufgeteilt sein. Zweckmäßigerweise
wird dann jeweils ein Magnetventil aus einem redundanten Magnetventilpaar
in der Druckversorgungs- leitung oder in der Entlüftungsleitung
von dem ersten Steuergerät ECU1
angesteuert und das jeweils zweite verbleibende Magnetventil des
redundanten Magnetventilpaares wird von zweiten Steuergerät ECU2 angesteuert.
In dem Ausführungsbeispiel
der 3 ist exemplarisch
eine Ansteuerung der Ventile V2 und V4 durch das erste Bordnetz
und das erste Steuergerät ECU1
gezeigt, während
die Ventile V1 und V3 vom zweiten Bordnetz und dem zweiten Steuergerät ECU2 angesteuert
werden. In diesem Fall können
die Magnetventile V2 und V4 sogar in die HCU integriert sein. Die
Rückfallebene
wird, wenn jeweils ein Magnetventil eines redundanten Magnetventilpaares
V1, V2 oder V3, V4 in das Hydraulikaggregat HCU integriert ist,
lediglich noch durch ein Magnetventil V1 in der Entlüftungsleitung
und ein Magnetventil in der Druckversorgungsleitung sowie zugehörigem Steuergerät; Druckversorgungseinrichtungen
und Energieversorgungseinrichtungen gebildet.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
ein Brennstoffzellenfahrzeug mit zwei getrennten Bordnetzen. Dieses
Ausfühungsbeispiel vereinigt
die Vorzüge
der beiden Ausführungsbeispiele
aus 2 und 3. Die Zuordnung der Elemente
des Bremssystems zu den Bordnetzen bleibt die gleiche wie im Ausführungsbeispiel
der 3. Das Ausführungsbeispiel
der 3 wird ergänzt um einen
Brennstoffzellenantrieb 10 und um eine Verbindung der Entlüftleitungsleitung
der Rückfallebene
mit den beiden Druckentlastungsventilen V1 und V2 mit der Treibgasversorgungsleitung
des Brennstoffzellenantriebs. Der Druckgasvorratsbehälter wird
gebildet aus dem Treibgasvorratsbehälter des Brennstoffzellenantriebes;
in völlig
analoger Weise wie im Zusammenhang mit der 2 beschrieben.
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5 zeigt
eine Ausführungsform
des elektrohydraulischen Bremssystems mit druckgasbetriebener Rückfallebene,
die an Stelle eines einheitlichen Arbeitszylinders, der mit dem
Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter in
Verbindung ist, einen Pneumatikzylinder 11 aufweist, der
mit seiner Stangenseite auf einen herkömmlichen Tandemhauptbremszylinder 12 wirkt.
Die Rückfallebene
wird in diesem Ausführungsbeispiel
mindestens gebildet aus dem Pneumatikzylinder 11, einer
Druckleitung mit den beiden Druckbeaufschlagungsventilen V3 und
V4, einer Entlüftungsleitung
mit den beiden Druckentlastungsventilen V1 und V2, dem zweiten Steuergerät ECU2 und
dem Druckgasvorratsbehälter 5.
Alternativ können
auch in diesem Ausführungsbeispiel
in der Druckleitung und der Entlüftungsleitung
Drosseln D2, D3 eingebaut sein. Der Pneumatikzylinder 11 steht mit
seiner Kolbenseite in Verbindung mit der Druckversorgung der Rückfallebene.
Diese soeben aufgezeigte Rückfallebene
eignet sich zur Nachrüstung von
bereits bekannten elektrohydraulischen Bremssystemen, wie sie z.B.,
wie eingangs erwähnt,
beschrieben sind in Bosch, Kraftfahrttechnisches Handbuch, – 23. Aktualisierte
Auflage- Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1999, Seite 673. Die Nachrüstfähigkeit
ergibt sich durch eine hydraulische, pneumatische oder mechanische
Wirkverbindung des Pneumatikzylinders 11 der Rückfallebene
mit dem Tandemhauptbremszylinders 12 eines herkömmlichen
elektrohydraulischen Bremssystems ohne druckgasbetriebene Rückfallebene.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben
sich durch Kombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Insbesondere kann die nachrüstbare
Rückfallebene
grundsätzlich auch
mit den Ausführungsbeispielen
der 1 bis 4, also bei Brennstoffzellenfahrzeugen,
bei Fahrzeugen mit zwei getrennten elektrischen Bordnetzes und bei Brennstoffzellenfahrzeugen
mit zwei getrennten elektrischen Bordnetzen eingesetzt werden.
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6 zeigt
in zwei verschiedene Anordnungsmöglichkeiten
für die
Ventile in der Rückfallebene.
Beide Anordnungsmöglichkeiten
sind mit allen zuvor genannten Ausführungsformen der Erfindung kombinierbar. 6a wiederholt nochmals die
in den 1 bis 5 bereits zuvor gezeigte
Anordnung der Druckbeaufschlagungsventile V3, V4 und der Druckentlastungsventile
V1, V2 in der Entlüftungsleitung. 6b zeigt eine alternative
Anordnung der Druckentlastungsventile V1, V2, nämlich in Parallelschaltung
zueinander. Bei beiden Anordnungen der 6 müssen die
Druckbeaufschlagungsventile V3, V4 in Reihe angeordnet sein und
im stromlosen Zustand geöffnet
sein. Bei einwandfreier Funktion des Bremssystems sind beide Ventile
zumindest abwechselnd dauerbestromt, so daß der Durchgang vom Druckvorratsbehälter zur
Druckseite des Arbeitszylinders gesperrt ist. Die redundante Ausführung der
Druckbeaufschlagungsventile hat auch bei einwandfreiem Betrieb des
Bremssystems den zusätzlichen
Vorteil, daß auch
dann keine unerwünschte
Abbremsung des Fahrzeuges erfolgt, wenn eines der Druckbeaufschlagungsventile
V3 oder V4 durch eine Fehlfunktion geöffnet sein sollte.
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Für
die Verschaltung der beiden Druckentlastungsventile V1 und V2 sind
zwei verschiedene Ausführungen
möglich.
In 6a sind die beiden Druckentlastungsventile
V1 und V2 in Reihe geschaltet. Beide Druckentlastungsventile sind
stromlos im geöffneten
Zustand. Bei Betätigung
der Rückfallebene
wird dann mindestens eines der Druckentlastungsventile V1 oder V2
bestromt und in den geschlossenen Zustand überführt. Dadurch ist sichergestellt,
daß auch
bei Ausfall eines Bordnetzes noch gebremst und der Druck auch wieder
abgebaut werden kann, so daß keine
Funktionseinschränkungen entstehen.
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Eine alternative Verschaltungsmöglichkeit der
Druckentlastungsventile ist in 6b dargestellt. Hier
sind die Druckentlastungsventile parallel geschaltet. Beide Ventile
sind stromlos im geschlossenen Zustand. Bei Betätigung der Rückfallebene
des Bremssystems bleiben beide Ventile unbestromt. Erst beim Lösen der
Bremse muss mindestens eines der beiden Druckentlastungsventile
V1 oder V2 bestromt und damit geöffnet
werden. Die Parallelschaltung der beiden Druckentlastungsventile
und die Ausführung
der Ventile, derart, daß sie
im stromlosen Zustand geschlossen sind, ist gegenüber der
Ausführung
in 6a vorteilhaft für den Fall
dass beide Bordnetze ausfallen sollten. Durch die geschlossen Stellung
der Druckentlastungsventile im stromlosen Zustand kann das Fahrzeug
dann auch bei Ausfall beider Bordnetze noch abgebremst und festgebremst
werden.