DE19508822A1 - Bremsanlage für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Bremsanlage für Kraftfahrzeuge

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ITT Automotive Europe GmbH
Alfred Teves GmbH
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Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsanlage für Kraftfahrzeuge mit einer Betätigungseinheit, die aus einem pneumatischen Bremskraftverstärker sowie einem ihm nachgeschalteten Hauptbremszylinder besteht, an den Radbremsen angeschlossen sind, wobei das Steuerventil des Bremskraftverstärkers unabhängig vom Fahrerwillen mittels eines Elektromagneten betätigbar ist, dessen Anker mit einem der Steuerventil-Dichtsitze in kraftübertragender Verbindung steht, mit einem Verzögerungsregler, dem als Eingangsgröße ein die Fahrzeugverzögerung repräsentierendes Signal zugeführt wird und dessen Ausgangsgröße die Position des Steuerventils beeinflußt und in einem ersten Summierer mit einem den Ist-Zustand des Steuerventils repräsentierenden Signal verglichen wird, wobei die dem Ergebnis des Vergleichs entsprechende Regeldifferenz einem die Position des Steuerventils beeinflussenden Lageregler zugeführt wird, dessen Ausgangsgröße einem dem Elektromagneten zuzuführenden elektrischen Strom entspricht.
Eine derartige Bremsanlage ist aus der internationalen Patentanmeldung WO 95/03196 bekannt. Dem Verzögerungsregler der vorbekannten Bremsanlage wird als Eingangsgröße die Regeldifferenz aus einem Verzögerungswunschsignal sowie einem Verzögerungs-Istsignal zugeführt, die einer der Bremskraft proportionalen Größe (Bremskraftsoll- bzw. -Istwert) entspricht. Als mögliche physikalische Größen kommen insbesondere der Bremsdruck, die im pneumatischen Bremskraftverstärker wirkende Druckdifferenz oder die Drehzahl mindestens eines Fahrzeugrades in Frage. Der Verzögerungsregler ist entsprechend der gewählten physikalischen Größe als Bremsdruckregler, pneumatischer Differenzdruckregler oder Radverzögerungsregler ausgeführt. Entsprechend der Regeldifferenz sowie dem geforderten Sollwertgradienten berechnet der Verzögerungsregler die gewünschte Position für den Anker des Elektromagneten, die einen direkten Einfluß auf den Öffnungszustand des Steuerventils des Bremskraftverstärkers hat.
Die Ausgangssignale des Verzögerungsreglers werden bei Berücksichtigung von sensorisch erfaßten Istwerten für die Ankerposition und den dem Elektromagneten zugeführten Strom in einem Positions- bzw. Lageregler weiterbearbeitet, dessen Ausgangsgröße die Stellgröße zur Ansteuerung des Elektromagneten darstellt.
Während der vorbekannten Positionsregelung des Elektromagneten treten insbesondere die folgenden Probleme auf:
  • 1. Ein statisch nichtlineares Systemverhalten des Elektromagneten, bedingt durch den nichtlinearen, progressiven Zusammenhang zwischen der Magnetkraft und den Prozeßgrößen Magnetstrom sowie Ankerposition. Dadurch ergibt sich für den Elektromagneten eine strukturbedingte Instabilität.
  • 2. Im allgemeinen hohe Dynamik, sowie schwache Systemdämpfung.
  • 3. Die dem Elektromagneten beim Betätigen des Steuerventils entgegenwirkende Kraft (Steuerventilkennlinie) ist stark nichtlinear und darüber hinaus positions- und unterdruckabhängig. Nach dem Öffnen des Steuerventils vermindert sich diese Gegenkraft so stark, daß sie eine zusätzliche destabilisierende Wirkung auf den Elektromagneten ausübt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen vorzuschlagen, die eine Regelung mit folgenden Eigenschaften ermöglichen:
  • - große Robustheit
  • - hohe Dynamik (Eigenwerte der Regelstrecke < 1 msec)
  • - geringer Einstellbedarf
  • - geringe Kosten
  • - kleiner Bauraum zur Installation der Regelelektronik direkt am Bremskraftverstärker
  • - geringe Störanfälligkeit
Außerdem muß der Lageregler in der Lage sein, den Anker des Elektromagneten und somit eine den erwähnten Steuerventil-Dichtsitz tragende Hülse auch im instabilen Bereich der Bremsanlage-Charakteristik genau zu positionieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lageregler durch einen Komparator gebildet ist, dem ein zweiter Summierer vorgeschaltet ist, in dem die Ausgangsgröße des Verzögerungsreglers mit einem die Geschwindigkeit des Ankers repräsentierenden, gewichteten Signal verglichen wird, daß die Ausgangsgröße des Verzögerungsreglers der Position des Ankers relativ zum Gehäuse des Elektromagneten entspricht, und daß das dem Ist-Zustand des Steuerventils entsprechende Wegsignal die Ist-Position des Ankers relativ zum Gehäuse des Elektromagneten repräsentiert.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung hervor, in der für einander entsprechenden Einzelteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Bremsanlage in schematischer Darstellung;
Fig. 2 die Steuergruppe des pneumatischen Bremskraftverstärkers nach Fig. 1 im Axialschnitt, teilweise weggebrochen;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführung der dem Verzögerungsregler nach Fig. 1 nachgeschalteten Regelstruktur;
Fig. 4 eine diagrammatische Darstellung von während einer Regelung auftretenden Größen;
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführung der dem Verzögerungsregler nach Fig. 1 nachgeschalteten Regelstruktur, und
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführung der dem Verzögerungsregler nach Fig. 1 nachgeschalteten Regelstruktur.
Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Bremsanlage für Kraftfahrzeuge besteht im wesentlichen aus einer Betätigungseinheit 1, einem elektronischen Fahrzeugregler 6, Radbremsen 10, 11, 12, 13, einem zwischen Radbremsen 10 bis 13 und Betätigungseinheit 1 angeordneten Druckmodulator 9 sowie einem mit dem Fahrzeugregler 6 zusammenwirkenden ABS/ASR-Regler 7, der Steuersignale für den Druckmodulator 9 erzeugt. Jedem der nicht gezeigten Fahrzeugräder ist je ein Radsensor 14, 15, 16, 17, zugeordnet, dessen der Radgeschwindigkeit entsprechendes Steuersignal dem ABS/ASR-Regler 7 zugeführt wird. Die Betätigungseinheit 1 besteht ihrerseits aus einem mittels eines Betätigungspedals 4 betätigbaren pneumatischen Bremskraftverstärker, vorzugsweise einem Unterdruck- Bremskraftverstärker 2, dem ein Hauptbremszylinder 3, vorzugsweise ein Tandemhauptzylinder, nachgeschaltet ist, dessen nicht gezeigte Druckräume über hydraulische Leitungen 23, 27 mit dem Druckmodulator 9 in Verbindung stehen. An das Betätigungspedal 4 ist eine Betätigungsstange 5 angekoppelt, die eine Betätigung eines lediglich schematisch dargestellten Steuerventils 19 ermöglicht, das den Aufbau eines pneumatischen Differenzdruckes im Gehäuse des Unterdruck-Bremskraft­ verstärkers 2 steuert. Ein Elektromagnet 20 ermöglicht dabei eine Fremdbetätigung des Steuerventils 19.
Wie der Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, ist dem Fahrzeugregler 6 ein zweiter elektronischer Regler (Verzögerungsregler) 8 nachgeschaltet, dem ein aufgrund eines beispielsweise von einem Abstandssensor gelieferten Eingangssignals E vom Fahrzeugregler 6 erzeugtes Verzögerungswunschsignal VW zugeführt wird, das in einem (ersten) Summierer 24 mit einem Verzögerungs- Istwert Vist verglichen wird, der von der Betätigungseinheit 1 geliefert wird. Die so entstehende Regeldifferenz wird dem Verzögerungsregler 8 zugeführt, dessen Ausgangssignal SAW der gewünschten einzustellenden Lage bzw. Position des Ankers des das Steuerventil 19 betätigenden Elektromagneten 20 entspricht. Der Ankerposition-Sollwert SAW wird in einem zweiten Summierer 25 mit einem am Steuerventil 19, beispielsweise mittels eines nicht gezeigten Wegsensors, ermittelbaren Steuerventilposition-Istwert SAist verglichen und die so entstehende Regeldifferenz W wird einem unterlagerten dritten Regler (Steuerventil-Lage­ regler (18)) zugeführt, dessen Stellgröße Y der Ansteuerung des Elektromagneten 20 dient. Dabei ist es sinnvoll, wenn das Verzögerungswunschsignal VW einem der Bremskraft entsprechenden Sollwert, beispielsweise einem Bremsdruckwert, entspricht. In diesem Fall entspricht der Verzögerungs-Istwert Vist einem Druckwert, der im Hauptbremszylinder 3 mittels eines Drucksensors 26 erfaßt wird. Der dem dritten Regler 18 übergeordnete zweite Regler bzw. Verzögerungsregler 8 ist dann als Bremsdruckregler ausgebildet.
Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, ist das Steuerventil 19 in einer im Gehäuse des Bremskraftverstärkers 2 abgedichtet geführten Steuergehäuse 40 untergebracht und besteht aus einem am Steuergehäuse 40 ausgebildeten ersten Dichtsitz 41, einem an einem mit der Betätigungsstange 5 verbundenen Ventilkolben 42 ausgebildeten zweiten Dichtsitz 43 sowie einem mit beiden Dichtsitzen 41, 43 zusammenwirkenden Ventilkörper 44.
Um eine von der Betätigungsstange 5 unabhängige Fremdbetätigung des Bremskraftverstärkers 2 einzuleiten, ist radial zwischen dem ersten (41) und dem zweiten Dichtsitz 43 ein dritter Dichtsitz 28 vorgesehen, der mittels des Elektromagneten 20 betätigbar ist, der vorzugsweise in einem durch eine axiale topfförmige Verlängerung des Ventilkolbens 42 gebildeten Gehäuse 37 angeordnet und demnach zusammen mit dem Ventilkolben 42 im Steuergehäuse 40 verschiebbar ist.
Der Elektromagnet 20 besteht aus einer auf einem innerhalb des Gehäuses 37 befestigten Führungsteil 38 aufgesteckten Spule 46 sowie einem darin verschiebbar angeordneten zylindrischen Anker 39, der mit einem Stift 45 unlösbar verbunden ist, der einerseits im Führungsteil 38 und andererseits in einem das Gehäuse 37 verschließenden Verschlußteil 47 geführt wird. Eine dem Anker 39 am Führungsteil 38 axial gegenüberliegend ausgebildete Polfläche kann dabei vorzugsweise als Außenkonus ausgeführt sein, um eine Linearisierung der Kraft-Weg-Charakteristik des Elektromagneten 20 zu erreichen. An seinem der Betätigungsstange 5 zugewandten Ende trägt der Stift 45 eine Kraftübertragungsplatte 48, die vorzugsweise rechteckig ausgebildet und in einer Radialnut 49 des Ventilkolbens 42 angeordnet ist und die eine Übertagung der vom Elektromagneten 20 aufgebrachten Fremdbetätigungskraft auf den dritten Dichtsitz 28 ermöglicht. Der dritte Dichtsitz 28 ist zu diesem Zweck an einer im Steuergehäuse 40 abgedichtet geführten Hülse 29 ausgebildet, die mit der Kraftübertragungsplatte 48 verbunden ist. Zwischen dem teilweise in das Verschlußteil 47 hineinragenden Anker 39 und dem Führungsteil 38 ist eine Druckfeder 51 angeordnet, die den Anker 39 in seiner Ausgangslage hält, in der der dritte Dichtsitz 28 gegenüber dem am Ventilkolben 42 ausgebildeten zweiten Dichtsitz 43 axial versetzt (s. Abstand b) angeordnet ist.
Bei einer durch Bestromen der Spule 46 eingeleiteten Fremdbremsung wird der Anker 39 entgegen der Kraft der Druckfeder 51 in der Zeichnung nach rechts verschoben, wodurch der dritte Dichtsitz 28 zunächst nach Überbrückung des Abstandes "b" an der Dichtfläche des Ventilkörpers 44 zur Anlage kommt. Durch diese Anlage wird der am Steuergehäuse 40 ausgebildete erste Dichtsitz 41 wirkungsmäßig überbrückt, so daß keine Verbindung zwischen den nicht gezeigten pneumatischen Kammern des Bremskraftverstärkers 2 mehr besteht. Anschließend bewegen sich der dritte Dichtsitz 28 und der Ventilkörper 44 zusammen weiter, wobei der zweite Dichtsitz 43 geöffnet und die belüftbare Kammer des Bremskraftverstärkers 2 belüftet wird. Die Bewegung des dritten Dichtsitzes 28 dauert so lange, bis der Anker 39 am Führungsteil 38 anschlägt und der Spalt "s" zwischen den beiden Teilen zu Null wird. Bei fehlender Betätigungskraft an der Betätigungsstange 5 läuft das Steuergehäuse 40 relativ zum Ventilkolben 42 um einen Weg vor, der dem Abstand "a" zwischen einem die Bewegung des Ventilkolbens 42 begrenzenden Querglied 52 und einer am Steuergehäuse 40 ausgebildeten Anschlagfläche 53 entspricht. Ursache hierfür ist eine Kolbenstangenrück­ holfeder 54, die über die Betätigungsstange 5 den Ventilkolben 42 nach rechts bewegt und versucht, den zweiten Dichtsitz 43 wieder zu schließen. Da sich aber der dritte Dichtsitz 28 aufgrund der festen Verbindung von Elektromagnet 20 und Ventilkolben 42 synchron mitbewegt, wird der Spalt zwischen dem Ventilkörper 44 und dem zweiten Dichtsitz 43 offengehalten, und zwar um das Maß s-b. Hierdurch wird die belüftbare Kammer des Bremskraftverstärkers 2 mit der Atmosphäre verbunden und es wird eine Bremskraft erzeugt.
Nach einem Ausschalten des Elektromagneten 20 bewegt sich der Anker 39 mit dem dritten Dichtsitz 28 unter der Wirkung der Feder 51 nach links, wodurch der dritte Dichtsitz 28 geöffnet wird, während der Ventilkörper 44 den zweiten Dichtsitz 43 schließt. Da der erste Dichtsitz 41 - wie oben erwähnt - weiterhin offenbleibt, wird über die offene Verbindung zwischen den pneumatischen Kammern aus der belüftbaren Kammer die Atmosphäre abgesaugt, so daß der im Hauptbremszylinder 3 herrschende Druck abgebaut wird.
Über den offenen ersten Dichtsitz 41 wird die belüftbare Kammer solange entlüftet, bis die Steuergruppe in ihre Ausgangslage zurückkehrt und das Querglied 52 am Gehäuse des Bremskraftverstärkers 2 anschlägt. Das Steuergehäuse 40 kann sich solange bewegen, bis es auf der in der Zeichnung linken Seite des Querglieds 52 zur Anlage kommt und der erste Dichtsitz 41 geschlossen wird. Das Gerät ist dann in Lösestellung.
Der Fig. 3, die die dem vorhin erwähnten Verzögerungs- bzw. Bremsdruckregler 8 nachgeschaltete Regelstruktur darstellt, ist zu entnehmen, daß die in dem zweiten Summierer 25 gebildete Regeldifferenz ΔS in einem dritten Summierer 30 mit einem gewichteten Signal Aistg verglichen wird, daß die Ist-Geschwindigkeit des Ankers 39 des Elektromagneten 20 repräsentiert. Das gewichtete Signal Aistg wird im gezeigten Beispiel durch eine zeitlich differenzierende Verarbeitung des den Anker-Istweg repräsentierenden Signals SAist in einem Differenzierer 31 gewonnen, dem ein P-Glied 32 nachgeschaltet ist, das für eine Abschwächung des Ausgangsignals Aistg des Differenzierers 31 sorgt. Die das Ergebnis des Vergleichs der beiden Signale ΔS und SAist bildende Regeldifferenz W wird einem den vorhin erwähnten Lageregler 18 bildenden Komparator 33 zugeführt, der die dem Elektromagneten 20 zuzuführende, in einer Endstufe 34 verstärkte Spannung UEM ein- und ausschaltet.
Die Verläufe der in einem Regelprozeß auftretenden, vorhin erwähnten Größen sind der in Fig. 4 gezeigten diagrammatischen Darstellung entnehmbar.
Bei der in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform der dem Verzögerungsregler 8 nachgeschalteten Regelstruktur ist dem im Zusammenhang mit Fig. 3 erwähnten Differenzierer 31 ein zweiter Differenzierer 35 parallelgeschaltet, in dem das den gewünschten Weg des Ankers 29 repräsentierende Signal SAW einer zeitlich differenzierenden Verarbeitung unterworfen wird, um anschließend, nach einer Abschwächung in einem zweiten P-Glied 36, zusammen mit dem Ausgangssignal Aistg des ersten Differenzierers 31 einem vierten Summierer 50 zugeführt zu werden. Das Ergebnis des darin durchgeführten Vergleichs wird nach einer Abschwächung in einem dritten P-Glied 55 dem zweiten Summierer 30 zugeführt.
Bei der in Fig. 6 gezeigten dritten Ausführung der dem Verzögerungsregler 8 nachgeschalteten Regelstruktur wird in die Regelung noch ein anderes Zusatzsignal Aist mit einbezogen, daß die Ist-Beschleunigung des Ankers 39 des Elektromagneten 20 repräsentiert. Dieses Zusatzsignal Aist wird zusammen mit dem vorhin erwähnten, die Ist-Geschwindigkeit des Ankers 39 repräsentierenden Signal Aist aus einem Beobachtungsmodell 56 gewonnen. Beide Signale werden dann nach einer Abschwächung in je einem P-Glied 57 bzw. 58 wieder dem zweiten Summierer 30 zugeführt.
Bezugszeichenliste
 1 Betätigungseinheit
 2 Bremskraftregler
 3 Hauptbremszylinder
 4 Betätigungspedal
 5 Betätigungsstange
 6 Fahrzeugregler
 7 ABS/ASR-Regler
 8 Verzögerungsregler
 9 Druckmodulator
10 Radbremse
11 Radbremse
12 Radbremse
13 Radbremse
14 Radsensor
15 Radsensor
16 Radsensor
17 Radsensor
18 Lagergeler
19 Steuerventil
20 Elektromagnet
21
22
23 Leitung
24 Summierer
25 Summierer
26 Drucksensor
27 Leitung
28 Dichtsitz
29 Hülse
30 Summierer
31 Differenzierer
32 P-Glied
33 Komparator
34 Endstufe
35 Differenzierer
36 P-Glied
37 Gehäuse
38 Führungsteil
39 Anker
40 Steuergehäuse
41 Dichtsitz
42 Ventilkolben
43 Dichtsitz
44 Ventilkörper
45 Stift
46 Spule
47 Verschlußteil
48 Kraftübertragungsplatte
49 Radialnut
50 Summierer
51 Feder
52 Querglied
53 Anschlagfläche
54 Kolbenstangenrückholfeder
55 P-Glied
56 Beobachtungsmodell
57 P-Glied
58 P-Glied

Claims (10)

1. Bremsanlage für Kraftfahrzeuge mit einer Betätigungseinheit, die aus einem pneumatischen Bremskraftverstärker sowie einem ihm nachgeschalteten Hauptbremszylinder besteht, an den Radbremsen angeschlossen sind, wobei das Steuerventil des Bremskraftverstärkers unabhängig vom Fahrerwillen mittel eines Elektromagneten betätigbar ist, dessen Anker mit einem der Steuerventil Dichtsitze in kraftübertragender Verbindung steht, mit einem Verzögerungsregler, dem als Eingangsgröße ein die Fahrzeugverzögerung repräsentierendes Signal zugeführt und dessen Ausgangsgröße die Position des Steuerventils beeinflußt und in einer ersten Subtraktionsstelle mit einem den Ist- Zustand des Steuerventils repräsentierenden Signal verglichen wird, wobei die dem Ergebnis des Vergleichs entsprechende Regeldifferenz einem die Position des Steuerventils beeinflussenden Lageregler zugeführt wird, dessen Ausgangsgröße einem dem Elektromagneten zuzuführenden elektrischen Strom entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageregler (18) durch einen Komparator (33) gebildet ist, dem ein zweiter Summierer (30) vorgeschaltet ist, in dem die Ausgangsgröße des Verzögerungsreglers (8) mit einem die Geschwindigkeit des Ankers (29) repräsentierenden gewichteten Signal (Aistg) verglichen wird, daß die Ausgangsgröße (SAW) des Verzögerungsreglers (8) der Position des Ankers (39) relativ zum Gehäuse (37) des Elektramagneten (20) entspricht, und daß das dem Ist-Zustand des Steuerventils (19) entsprechende Wegsignal (SAist) die Istposition des Ankers (39) relativ zum Gehäuse (37) des Elektromagneten (20) repräsentiert.
2. Bremsanlage für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Geschwindigkeit des Ankers (39) repräsentierende Signal (Aist) durch zeitlich differenzierende Verarbeitung des dem Ist-Zustand des Steuerventils (19) entsprechenden Wegsignals (SAist) in einem Differenzierer (31) gewonnen wird.
3. Bremsanlage für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzierer (31) ein Proportional-Glied (32) nachgeschaltet ist.
4. Bremsanlage für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Differenzierer (35) vorgesehen ist, in dem die Ausgangsgröße (SAW) des Verzögerungsreglers (8) einer zeitlich differenzierenden Verarbeitung unterworfen wird und dessen Ausgangssignal zusammen mit dem die Geschwindigkeit des Ankers (39) repräsentierenden Signal (Aist) einem Summierer (50) zugeführt wird, dem ein Proportional-Glied (55) nachgeschaltet ist, dessen Ausgangsgröße dem zweiten Summierer (30) zugeführt wird.
5. Bremsanlage für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Ankers (39) repräsentierende Signal (Aistg) aus einem Beobachtungsmodell (56) gewonnen wird.
6. Bremsanlage für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Beobachtungsmodell (56) ein Proportional-Glied (57) nachgeschaltet ist.
7. Bremsanlage nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Beobachtungsmodell (56) ein die Beschleunigung des Ankers (39) repräsentierendes Signal (Aist) gewonnen wird, das einem zweiten Proportional-Glied (58) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal zusätzlich in dem zweiten Summierer (30) mit der Ausgangsgröße des Verzögerungsreglers (8) verglichen wird.
8. Bremsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageregler (18) als eine schnelle digitale Schaltung ausgeführt ist.
9. Bremsanlage für Kraftfahrzeuge nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle digitale Schaltung mit fester Logik (ASIC) ausgestattet ist.
10. Bremsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle digitale Schaltung mit frei programmierbaren Elementen (Signalprozessoren, Transputer) ausgestattet ist.
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