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Bremsvorrichtung
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Uie Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des 1. Patentanspruchs.
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Bremsvorrichtungen dieser Art werden bekanntlich eingesetzt wenn Fahrzeuganhänger
oder Bauteile mit eigener Laufachse it einem Zugfairzeug verbunden werden und für
den Anhänger oder das Bauteil eine zusätzliche Betriebsbremse vorgeschriben ist
Dies ist gewöhnlich eine Auflaufbremse oder die bydaulische oder pneumatische Anhängerbremse
wird mit dem Drucksystems des Zugfahrzeugs verbunden-. Da diese Systeme sehr kostenintensiv
sind, werden in den USA seit mehreren Jahren elektromagnetische Zusatzbremsenin
Fahrzeuganhängern eingesetzt. Das Problem bei dieser Art von Bremse liegt jedoch
in der Dosierung der Bremskraft des Fahrzeuganhängers durch den Fahrer des jeweiligen
Zugfahrzeuges in form eines verkehrs-und sicherheitstechnisch vertretbaren kontinuierlichen
und auf das Zugfahrzeug abgestimmten Bremsvorganges.
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Durch Us-PS 3953084, HS 3909075, US 3967863 und US 3981544 ist eine
Lösung bekannt, durch die die Dosierung des für den Betrieb einer elektromagnetischen
Bremse erforderlichen Bremssl-romes c ii c h tfl B r. cm 5 om es durch ein von der
Verzögerung abhängigem Aus chlagen eines sichelförmigen Pendels vornommen wird.
Da hierbei jedoch die beschleunigte @@@se des @endels nur trigheitsbedingt in die
Bestimmung
der Fahrzeugv<rzögerunp eingeht ist dieses System
sehr ungenau uma 1 bei Bergfahrten und länger andauernden Breasvorgängendie Bremskraft
nachläßt, einmal aufgrund der Fahrzeugneigung und weil das Zustand des Pendels wegen
seiner geringen Nasse schnell vom dynamischen zum statischen ubergeht.
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Aus der US 4099790-A, US 41748Ç9-A und GB 1371272/1371271 sind Lösungen
bekannt, bei denen ein Druckwandler in das hydraulische Bremssystems des Zugfahrzeuges
eingebracht wird, der die Drucksignale in elektrische Signale zur Bremsansteuerung
umwandelt. Der hierbei erforderliche Eingriff in das hydraulische Bremssystem bringt
jedoch zwangsläufig einen Druckverlust und somit Bremskraftverlust mit sich. Desweiteren
ist bei dieser Lösung ein Überbremsen der hinteren Achse nicht ausgeschlossen.
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Aus FR 25511711 ist eine Lösung bekannt, in der ein Spannungs-/Stromregler
mit dem Bremspedal des Zugfahrzeuges gekoppelt wird. Dieses System gewährleistet
jedoch keine gleichbleibenden Brems-(strom)werte, da Bremsenverschleiß und temperaturbedingte
Druckschwankungen auch unmittelbare Auswirkungen auf den Stellweg des Bremspedales
haben.
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Eine ähnliche Lösung wird auch in US 4380002 dargelegt.
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Die Problematik, ein lineares Ausgangssignal zu gewinnen und dieses
mit den unterschiedlichen kennlinien von hydraulischer und elektrischer Bremse zu
vereinbaren bleibt hierbei unberücksichtigt Alle vorliegenden Lösungen berücksichtigen
nur teilweise Parameter wie Bewegungsenergie des Fahrzeuges, Druckanstieg im hydraulischen
Bremssystem, Temperaturschwankungen, Premsenverschleiß, Stromabfall durch Erwärmung
des Bremsmagneten etc. Die zugfahrzeugspezifischen Größen wie mittlere und maximale
Abbremsung bleiben sogar gänze 1 ich unberücksichtigt. Das macht die beschriebenen
Systeme recht ungenau und ist der Hauptgrund für einc fehlende ECL-Zulassund in
Westeuropa. Ilesweiteren ist t bei
Rillen Lösungen die Verhinderung
des Überbremsens der clektrisch geblemstei Achse nicht gelungen.
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Hier greift die Erfindung ein, der zur Vermeidung aller dieser Nachteile
das Ziel zugrunde liegt, einen zusätzlichen Bremskreis zuschaffen, welcher proportional
zur vom Fahrer gewünschten Fahrzeugverzögerung und vom Bremssystem her möglichen
Bremskraft unter Verzicht auf hydraulische oder pneumatische Komponenten arbeitet
und zugleich ein Überbremsen/Blockieren der elektrisch gebremsten Achse verhindert.
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Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung und Anwendung der Erfindung
ist somit auch die Verwendung in Kraftfahrzeigen, bei denen ein hydraulischer Bremskreis
(1 d je Vorderachse (erster Bremskreis) abbremst und die Hinterachse elektrisch
gebremst wird. Die Lösung dieser Aufgabe mit der in Oberbegriff des Anspruch 1 genannten
Bremsvorrichtung erfolgt Dadurch, daß die Signale vom Impulsgeber des Vorderrades
rechts ( 2) und links ( 3) als geschwindigkeitsproportionales Signal bzw Impulsfolge
in den Torzeitdifferentiator ( 4) eingehen. Dieser Torzeitdifferentiator ( 4) formt
die Signale mit Hilfe des Torzeitgenerators ( 5) in ein Vorderachsgeschwindigkeitssignal
pro vom Torzeitgenerator ( 5) gelieferter Zeiteinheit um. Die Torzeit steht in dem
Verhältnis zur Anzahl der Impulse pro Radumdrehung ,bei dem eine möglichst hohe
Auflösung erreicht wird, das heißt, möglichst viele Impulse pro möglichst kleiner
Zeiteinheit/Torzeit. Dieses Signal gelangt dann in den Signalumformer ( 6).
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Der Signalumformer ( 6) gewinnt aus mindestens zwei Signalen des Torzeitdifferentiators
( 4) eine Impulsfolge die der Verzögerung der Vorderachse und somit auch des Fahrzeuges
proportional ist. Die Gewinnung dieses Signales erfolgt durch zwischenspeichern
mindestens eines vorangegangenen Signales und dessen Vergleich mit dem aktuellen
Signal.
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Aus der daraus abgeleiteten Impulsdifferenz kann proportional die
Fahrzeugverzögerung abgeleitet werden. Dieses Verzögerungssignal gelangt dann in
den Rechner ( 7). Dieser Rechner hat auf fahrzeugspezifische Daten die in dem Festspeicher
(
8) abgelegt sind Zugriff. Dieser Festspeicher ( 8) enthält die Werte über die theoretisch
maximale Verzögerung des Fahrzeuges amax in der Form der maximalen fahrzeugspezifischen
Impulsfolgedifferenz, sowie den Radius r des Fahrzeugrades. Da das Rad eine kreisförmige
Bewegung ausführt, gilt der direkte Zusmmenhang: a = r y , wobei proportional ist
zu der Anzahl der Impulse pro Torzeit aus dem Signalumformer( 6), sodaß der Rechner
( 7) mit diesen Signalen in der Lage ist, mit diesen Werten die Verzögerung des
Fahrzeuges während der letzten Torzeit zu errechnen. Mit diesem Verzögerungssignal
und dem im Festspeicher ( 8) abgespeicherten maximalen Fahrzeugverzögerungswert
kann der Rechner durch Verhältnisbildung das optimale Impuls- Pausenverhältnis für
den Impulspausengenerator ( 9) einstellen. Zur Erklärung der Funktionsweise des
Impulspausenerators seien folgende physikalischen Grundlagen für die Ansteuerung
der Elektromagnetbremse (10) vorausgeschickt.
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Die Elektromagnetbremse arbeitet auf der Grundlage des Elektromagnetismus.
Mittels einer Spule wird eine elektrische Feldstärke H erzeugt.
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Es gilt je größer H dessogrößer auch dei Bremswirkung. Verantwortlich
für die Erzeugung von Ii ist der Strom I, nach der Beziehung I.n=fH.ds.
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Die Anzahl der Windungen n der Spule ist durch die Elektromagnetbremse
vorgegeben, sodaß klar ersichtlich wird, daß die Bremswirkung in direkter Abhängigkeit
zum fließenden Strom I steht. Will man die Bremskraft variieren, so ist es notwendig
den Strom I oder die Spannung U zu variieren, wofür es mehrere möglichkeiten gibt.
So z.B. die Strom-oder Spannungsregelung -wie bei den vorgenannten anderen Patentenwobei
dabei in jedem Fall der Nachteil einer hohen Verlustleistung und damit Wirkungsgradverminderung
in Kauf genommen werden muß. Daher ist es sinnvoll, wie es die Erfindung vorsieht,
die gewünschte Bremswirkung mit minimalen Verlusten durch Impulsbreitenvariation
zu erzielen, wie rs im Impuls- Pausengenerator ( 9) realisiert ist.
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Dabei wird die Elektromagnetbremse (10) mit einem Rechtecksignal gepulst,
welches in seinem Impuls-Pausenverhältnis variabel ist. Es gilt dabei, jegrößer
das Impuls- Pausenverhältnis ist, je größer ist die Bremswirkung (s.Fig. 3). Während
hier beim ersten Signalverlauf die Breite der Impulspause doppelt so groß/lange
ist wie der Impuls selbst, ergibt sich eine geringere Strom- Spannungs- und Magnetfeldwirkung
über die Zeit t als beim zweiten Signalverlaufsbeispiel, wo Impulsbreite und Impulspause
gleichgroß sind. Die Variation der Bremswirkung ergibt sich also erfindungsgemäß
aus derVariation der Impulspausen.breite' wobei selbstverständlich
die
Impulspausenbreite/Impulspausenlänge kein vielfaches der Impulsbreite sein muß,
sondern kontinuierlich variiert werden kann.
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Der Vorteil dieser Anordnung liegt im Vermeiden unerwünschter Verlustleistungen
und darin, daß die Elektromagnetbremse (10) immer im linearen Bereich betrieben
wird, was bei einer reinen Strom- bzw Spannungsregelung aufgrund der spezifischen
Wirkungsgradkennlinie der Elektromagnetbremse nicht möglich ist. Das im Rechner
( 7 ) errechnete und in den Impulspausengenerator ( 9) eingegebene Impuls- Pausenverhältnis,
welches in direktem Zusammenhang zur an der Hinterachse notwendigen Verzögerung
steht, wird nun an die Leistungsendstufe (11 ) weitergegeben, welche die Elektromagnetbremse(n)
(10 ) ansteuert. Beim erstmaligen Betätigen der Fahrzeugbremse wird, bevor der erste
errechnete Verzögerungswert zur Verfügung steht, ein Mittelwert von 10 bis 20 %
der maximal möglichen Hinterachsbremswirkung am Impulspausengenerator ( 9 ) eingestellt.
Somit wird erfindungsgemäß gewährleistet, daß das hydraulisch/pneumatische Hauptbremssystem
vom ersten Betätigen an optimal durch die elektromagnetisch gebremste Hinterachse
unterstützt wird. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt
in der zweistufigen Ausführung des mit dem Bremspedal (12) verbundenen Schwellwertdruckschalters(13
) welcher maximal zwei bremspedaldruckabhängige Signale abgibt. Dabei entspricht
Druckstufe 1 einem schwachen bis mittleren Bremspedaldruck, das heißt keiner starken
oder sog. Vollbremsung.Der dadurch eingeleitete Steuerungsablauf entspricht dem
bereits dargelegten, jedoch mit der Bedingung, daß ein Blockieren der Vorderräder
noch nicht erfolgt ist.
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Sollte dennoch ein Blockieren der Vorderräder stattfinden,so wird
das noch geschilderte System zur Verhinderung des Radblockierens an der elektromagnetisch
gebremsten Hinterachse aktiviert, wie unter Druckstufe 2 beschrieben Die Druckstufe
2 des Schwellwertdruckschalters (13) entspricht einer starken bzw Vollbremsung.
In einem solchen Fall umgeht der Rechner ( 7) den unter Druckstufe 1 genannten Ablauf
vollständig und veranlaßt immer die maximal mögliche Bremswirkung auf der elektromagnetisch
gebremsten Hinterachse, jedoch ohne das deren Räder blokkieren können. Dies wird
erfindungsgemäß wie folgt erreicht. Der Rechner erhält von den gleichzeitig aktivierten
Zeitintervalltoren (14/15 ) hinterachsgeschwindigkeitsproportionale Signale.Jedes
einzelne Zeitintervalltor teilt die Signale der Impulsgeber der Hinteräder ( 16
) rechts und links auf Zeitintervalle auf, um so das für die Rechnerverarbeitung
notwendige geschwindigkeitsproportionale SignaL zu erhalten.
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Der Rechner ( 7 ) speichert nun jeweils das vorhergehende Signal aus
den Zeitintervalltoren (14/15 ) um mit dem aktuellen Signal eine Differenz zu bilden,
Durch Vergleich mit einem Differenzmaximalwert ist der Rechner jetzt in der Lageein
beginnendes Blockieren eines oder die beider Hinterräder zu erkennen. Sollte aus
den Signalen der Zeitintervalltore (14/15 ) berechnete Differenz gößer sein als
der im Rechner ( 7) abgespeicherte Differenzmaximalwert, sodaß der Rechner von einem
beginnenden Blockieren der Hinterräder ausgehen kann,sovariiert der Rechner das
Impuls- Pausenverhältnis durch den Impulspausengenerator in der Art, daß die Bremswirkung
an der Hinterachse um jeweils 30%-5O herabgesetzt wird bis ein Blockieren der Hinteräder/Eiektromagnetbremse
nicht mehr erfolgt. Dabei kann ein Mindestwcrt von 5% Bremswirkung bezogen auf die
maximale Bremswirkung der Hinterachse/Elektromagnetbremse nicht unterschritten werden,
um einen entgültigen Stillstand des Fahrzeuges sicherzustellen. Hierananschließend
variiert der Rechner (7 ) das Impuls- Pausenverhältnis durch den Impulspausengenerator
( 9) in kleinen Abstufungen dahingehend, daß die Bremswirkung an der Hinterachse
wieder stetig heraufgesetzt wird, bis sich der Zyklus ggf.
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wiederholt. Durch diese Vorgehensweise ergibt sich in jeder Situation
eine maximale Bremswirkung auf der Hinterachse, ohne daß ein vollständiges und anhaltendes
Blockieren eines oder beider Hinterräder möglich ist. Der sog. Differenzmaximalwert,
welcher im Rechner ( 7) gespeichert ist, stellt die maximal zulässige Differenz
von zwei aufeinanderfolgenden Signalen der Zeitintervalltore rechts (14) und links
(15) dar.Dieser Wert ist jedoch variabel. Wäre der Differenzmaximalwert ein Festwert,
so wäre dies nachteilig bezüglich der unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten.Da
im Geschwindigkeitsbereich von unter 30 km/h die Zeitintervalltore (14/15 ) nur
geringe Impulsanzahlen liefern, muß hier der Differenzmaximalwert klein sein, da
in diesem Arbeitbereich auch die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitintervalltorsignalen
nur gering sein kann. Dagegen ist im höheren Geschwindigkeitsbe -reich diese Forderung
nicht gegeben. In den höheren Geschwindigkeitsbereichen liefern die Zeitintervalltore
(14/15 ) erheblich mehr Impulse pro Zeiteinheit, so daß der Differenzmaximalwert
größer sein muß, um die zulässige Abweichung der Impulsfolgen aus den Zeitintervalltoren
sicher erkennen zu können, d.h. der Rechner darf eine hohe Differenz nicht als ein
beginnendes Blockieren werten. Das bedeutet also, daß es
keinen
festen Dif£erenmaximalwert gibt, welcher einheitlich in allen GeschwindigkeitsbereIchen
das optimale Ergebnis zum Erkennen des beginnenden Hinterradblockierens gibt. Deshalb
liegt einer vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, daß der jeweils optimale
Differenzmaximalwert in Abhängigkeit von der Fahrzeug bzw. Radumdrehungsgeschwindigkeit
vom Rechner ( 7) errechnet wird. Die Vorgehensweise ist dabei ähnlich wie bei der
Erfassung des beginnenden Radblockierens, d.h.
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daß aus mindestens zwei aufeinanderfolgenden Impulsfolgen aus den
Zeitintervalltoren rechts (14) und links(15) durch Differenzbildung ein Hinterradgeschwindigkeitsproportionales
Signal vom Rechner ( 7) gewonnen wird, das daran anschließend auf die Impulsanzahl
hin ausgezählt wird.
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Dieser so ermittelte Wert N wird dann vom Rechner mit der Konstante
c multipliziert und das Ergebnis zum im Festspeicher (8 ) vorhandenem maximalen
fahrzeugspezifischen Impuls- Verzögerungswert amax ins N # c Verhältnis gesetzt.
= Differenzmaximalwert. Dieser aktuelle amax Differenzmaximalwert wird nun vom Rechner
( 7 ) gespeichert und rer wertet. Dieser Ermittlungs-/Xechenvorgang geschieht in
Form einer immer ablaufenden Schleife, welche mit dem Einschalten der Zündung beginnt.
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Da dieser Prozeß also auch abläuft wenn das Fahrzeug nicht abgebremst
wird, aber durch Zündung plus (17) betrieben wird, ist somit gewährleistet, daß
immer der optimale und für die Geschwindigkeit notwendige Differenzmaximalwert für
das Bremssystem/den Rechner zur Verfügung steht.
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Um auch während der Bremsphase , in welcher ja die Geschwindigkeit
stetig abnimmt einen optimalen Differenzmaximalwert zur Verfügung zu haben, erfolgt
seine Berechnung erneut jedes n-te Mal nach der Blockierabfrage. Das heißt wenn
der Rechner (7 ) festgestellt hat, das keines der Hinterräder zu blockieren beginnt,
wird ein neuer Differenzmaximalwert unter Hinzuziehung der letzten Werte der Zeitintervalltore
( 14/15) berechnet. Sollte der Rechner ( 7) jedoch ein beginnendes Blockieren eines
oder beider Hinterräder feststellen, so bleibt der letzte berechnete Differenz maximalwert
gültig, bis keine Blockiersituation mehr vorliegt. Da bei stehendem aber eingeschalteten/Zündung
plus (17) Fahrzeug der dargelegte Ermittlungsvorgang naturgemäß kein Ergebnis liefert,
da nun keine Impulse aus den Impulsgebern hinten rechts (riß) und links (ins) vorliegen,
gilt für den Differenzmaximalwert , daß ein minimaler Wert v6n 3 bis 5 nicht unterschritten
werden kann und somit bei stehendem Fahrzeug automatisch festgelegt wird. Diese
Funktionen gewährleisten eine optimale Abbremsung der Hinterräder, zumal es auch
möglich ist, die schon ge-.-trenntvorhandene Abtastung der Hinterräder rechts und
links durch eine
getrennte , mit jeweils eigenem Impulspausengenerator(<)
)ausgerüsteteund dadurch getrennt aussteuerbare Elektromagnetbremse zu versehen.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist der Bremskraftausfallschalter
(20) welcher unmittelbar mit dem Rechner (7 ) verbunden ist.
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Dieser Bremskraftausfallschalter signalisiert einen Druckausfall im
hydraulischen/pneumatischen Hauptbremssystem des Fahrzeuges, was die Möglichkeit
des kompletten Durchtretens des Bremspedales (12) zu Folge hat, wobei danm der Bremskraftausfallschalter
aktiviert wird. In einem solchen Fall wird auf der Hinterachse die maximal mögliche
Bremswirkung entsprechend dem bereits geschilderten Ablauf durch den Impulspausengenerator
( 9 ) freigesetzt, jedoch auch mit den Steuervorgängen wie bei dem Erreichen der
sog. Druckstufe 2, d.h-. mit dem Verhindern eines vollständigen Blockierens der
Hinterräder. Dadurch ist es möglich, das Fahrzeug auch in kritischen Situationen
vollständig und sicher abzubremsen, da das erfindungsgemäße Bremssystem einen echten
und unabhängigen zusätzlichen Bremskreis realisiert.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dient zur Erfassung des Blokkierens
der Vorderachse. Hierbei werden nach feststellen des Nicitblockierens der Hinterachse
die geschwindigkeitsproportionalen Signale aus dem Torzeitdifferentiator ( 4) der
Vorderachse und den Torzeitdifferentiator der ( 21) der Hinterachse miteinander
durch den Rechner verglichen.Stellt der Rechner ( 7) fest, daß die Beziehung Signal
Torzeitdifferentiator hinten (21) größer Signal Torzeitdiffentiator vorne ( 4) erfüllt
ist, so geht er von einem Blockieren der Vorderräder aus und leitet in jedem Fall
den bereits beschriebenen Zyklus der maximalen Hinterradabbremsung ein. Dadurch
ist gewährleistet, daß beim Blockieren der Vorderachse die Hinterachs maximal abgebremst
wird, ohne das sie selbst vollständig Blockieren kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung stellt die mit
dem Rechner (7 ) verbundene Schnittstelle22er Bremsvorrichtung dar.
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Sie ist ein Element welches die Verbindung zu anderen Vorrichtungen
innerhalb und außerhalb des Fahrzeuges möglich macht. An die Schnittstelle können
so u.a. Test-, Diagnose- und zusätzliche Bedienungselement(e23tie beispielsweise
ein elktronischer Tachometer(24} angeschlossen werden, da die Bremsvorrichtung ohnehin
digitale geschwindigkeitsproportionale Signale liefert. Auch läßt sich mit der Schnittstelle
(22) eine Diebstahlsicherung (25) des Fahrzeuges verbinden, welche dem Rechner einen
Versuch der mißbräuchlichen Benutzung anzeigt, woraufhin
dieser
die Hinterachse dauernd maximåiabbremstv und so eS Entfernen des Fahrzeuges verhindert.
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Ferner ist die chnittstplle (22) mit der Feststellbremse (26) des
Fahrzeuges verbunden, sodaß bei deren Betätigung automatisch die Leistungsendstufe
(11) abgeschaltet wird. Diese Funktion ist auch abschaltbar.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist die sog. Standerhaltungsfunktion.
Sollte das Fahrzeug abgestellt sein ohne das die Feststellbremse (26) und Zündung
plus (17) betätigt sind, so reagiert der Rechner ( 7) auf ein zubeginnendes Rollen
des Fahrzeuges durch einstellen von 5% der maximalen Bremsleistung der Hinterachse
am Impulspausengenerator (9 ). Dies wird erfindungsgemäß dadurch gewährleistet,
daß der Rechner bei ausgeschalteter Fahrzeugzündung keine Impulse von den Impulsgebern
(18/19 ) über die Zeitintervalltore (14/15 ) erhält wenn das Fahrzeug steht. Erhält
er dennoch Impulse schließt er auf ein Rollen des Fahrzeuges. Dieses Rollen wird
dann in der geschilderten Weise unterbunden. Sollte der Rechner ( 7) nun dennoch
weiterelmpulse erhalten , d.h. daß- die 5% Bremskraft beispielsweise aufgrund des
Straßengefälles nicht ausreicht um das Fahrzeug entgültig zu stoppen, so steigert
der Rechner durch Variation des Impuls- Pausenverhältnisses die Bremsleistung an
der Hinterachse solange, bis keine Impulse mehr empfangen werden, also das Fahrzeug
steht. Diese Funktion kann selbstverständlich durch entsprechende Bedienungselemente/
Schalter optional gehandhabt werden.
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Einzelheiten der erfindungsgemäß dargelegten Bremsvorrichtung, insbesondere
über deren Anordnung zeigen die Zeichnungen.
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Fig.l zeigt eine schematisierte Darstellung eines kombinierten Hydraulisch/pneumatischen
un Elektromagnetbremssystem mit der zusätzlichen Möglichkeit einer dritten, beispielsweise
Anhängerachse.
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Fig.2 zeigt den schematisierten schaltungstechnischen Aufbau der Bremsvorrichtung
sowie die Ablaufverbindung der einzelnen Funktionskomponenten untereinander.
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Fig.3 zeigt ein Beispiel für die Variation des Impuls- Pausenverhältnisses.
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L e e r s e i t e -