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Die Erfindung geht aus von einem gebauten Ventil für
Hubkolbenmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es
beispielsweise aus der US-PS 2 136 690 als bekannt
hervorgeht.
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Die US-PS 2 136 690 zeigt u. a. ein mehrteilig
zusammengesetztes Vollschaftventil, bei dem der Ventilsitz mit einem
verschleißfesten Werkstoff gepanzert ist. Die Panzerung
besteht aus einer vorgefertigten, zentrisch gelochten und am
Außenrand konisch abgeschrägten Scheibe aus einem
widerstandsfähigen und gut wärmeleitenden Verbundwerkstoff, wobei
diese Panzerungsscheibe bis zum Rand des Ventiltellers ragt
und die tellerseitige Dichtfläche bildet. Der
Verbundwerkstoff ist durch eine Matrix aus einem zähen und leitfähigen,
vorzugsweise Kupfer enthaltenden Metall gebildet, in die
fein verteilt Partikel eines harten und widerstandsfähigen
Werkstoffs wie z. B. Wolfram fest haftend eingelagert sind.
Diese Hartpartikel sollen nicht nur die Matrix schützen,
sondern auch eine Zerstörung der Ventil-Dichtflächen
verhindern oder zumindest verzögern. Bei dem vorbekannten Ventil
ist die der Panzerung dienende Scheibe gemeinsam mit einer
brennraumseitig aufgelegten Stützscheibe aus herkömmlichen
Ventilwerkstoff an das tellerseitige Ende des Ventilschaftes
angenietet, wobei der Schaftwerkstoff als Niet dient. Der
Ventilteller ist hier also für sich mehrteilig, nämlich aus
zwei Scheiben ausgebildet. Zur verkantungssicheren, axialen
Abstützung des aus Panzerungsscheibe und Stützscheibe
bestehenden Ventiltellers ist am Ventilschaft eine relativ breite
Schulter angeschmiedet. Das tellerseitige Ende des
Ventilschaftes ragt mit einem als Nietschaft dienenden Zapfen
durch die zentrische Öffnung der beiden Scheiben hindurch,
wobei das äußerste Ende dieses Zapfens zu einem in einer
Ansenkung der Stützscheibenöffnung sich erstreckenden
Nietsenkkopf umgeformt ist. Zwar ist der Ventilteller in beiden
Wirkrichtungen der Axialkraft - Druck und Zug -
formschlüssig mit dem Ventilschaft verbunden. Nachteilig an dem
vorbekannten Ventil ist jedoch, daß zur kippsicheren Führung des
Scheibenverbundes des mehrteiligen Ventiltellers an den
Ventilschaft eine radial relativ breite Schulter angeformt
werden muß, deren radiale Breite bei dem im Stand der Technik
dargestellten Ausführungsbeispiel etwa ein drittel des
Schaftdurchmessers entspricht. Die angestauchte Schulter
übernimmt nicht nur die Funktion einer verkantungssicheren,
axialen Abstützung des mehrlagigen Ventiltellers, sondern
aufgrund des fließenden Überganges vom Schaftquerschnitt auf
den Schulterumfang auch die Funktion eines
Strömungsleitkörpers auf der umströmten Oberseite des Ventiltellers.
Nachteilig ist ferner, daß es aufgrund der hochfrequenten
Stoßbelastungen zu mikrofeinen Relativverschiebungen zwischen
den verbundenen Teilen in Drehrichtung kommen kann, was an
den Kontaktflächen zu Verschleiß und somit zu einer
Lockerung der Verbindung führen kann.
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In der älteren Patentanmeldung der Anmelderin gemäß der
nicht vorveröffentlichten DE 100 29 299 A1 werden nicht nur
verschiedene bauliche Gestaltungen von gebauten Ventilen der
hier angesprochenen Art beschrieben, sondern diese Schrift
geht auch auf die Herstellungsverfahren der vorgestellten
Ventilbauarten ein. Allerdings sind die daraus bekannten
Ventile herstellungsbedingt alle mit einem Hohlschaft
versehen, was bei der vorliegenden Erfindung zwar vorteilhaft,
aber keineswegs eine zwingende Voraussetzung ist.
Vorteilhaft an dem bekannten Ventil ist das geringe Gewicht und/
oder die hohe Lebensdauer des Ventils, welche dadurch
bedingt sind, daß thermisch und/oder tribologisch hoch
belastbare Leichtbauwerkstoffe, insbesondere Keramik oder
Titanaluminid, für den Ventilteller verwendet werden können.
Nachteilig an dem bekannten Ventil ist jedoch, daß aufgrund
möglicher Unterschiede der
Temperaturausdehnungskoeffizienten, die je nach Werkstoffpaarung u. U. erheblich sein
können, es bei Betriebstemperatur des gebauten Ventils zu einem
Nachlassen der Vorspannung in der Verbindung zwischen Schaft
und Teller kommen kann. Dies könnte unter den im Betrieb
auftretenden Beanspruchungen ebenfalls zu einer
Relativverschiebung der Kontaktflächen, infolge dessen zu einem
Kontaktverschleiß und zu einer Lockerung der Verbindung führen.
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Der Vollständigkeit halber sei auch noch auf die EP 296 619 A1
verwiesen, die ebenfalls ein gebautes Ventil zeigt,
dessen bauliche Komponenten aus unterschiedlichen Werkstoffen
bestehen. Der rohrförmige Ventilschaft besteht vorzugsweise
aus Chrom-Molybdän-Stahl. Der Ventilteller, der bevorzugt
aus der intermetallischen Phase Titanaluminid bestehen soll,
kann durch Präzisionsgießen hergestellt werden. Der fertige
Ventilteller ist oberseitig mit einer Sacklochbohrung zur
Aufnahme des tellerseitigen Schaftendes versehen. Durch
Aufschrumpfen, kalt Einpressen, Löten oder durch eine
Kombinationen dieser Verbindungstechniken kann der Ventilschaft in
der Sacklochbohrung befestigt sein. In einem dort
zeichnerisch dargestellten Fall ist die Leibung der Sacklochbohrung
außerdem axial gewellt ausgebildet, wobei die endseitige
Wandung des Schaftrohres unter dem Einfluß von Druck und
örtlicher Erwärmung aufgeweitet werden und sich dabei
formschlüssig in die bohrungsseitigen Wellen einlegen soll. Bei
dem gebauten Hohlschaftventil nach der EP 296 619 A1 muß
allerdings angezweifelt werden, daß die Verbindung zwischen
Ventilschaft und Ventilteller unter den sowohl in
thermischer als auch in mechanischer Hinsicht erheblichen
statischen und dynamischen Belastungen ausreichend haltbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß
zugrundegelegte Ventil dahingehend zu verbessern, daß die Verbindung
zwischen Ventilteller und Ventilschaft in ihrer
Dauerhaltbarkeit erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen
Ventils erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst.
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Aufgrund der verdrehgesicherten Ausgestaltung der Verbindung
zwischen Ventilteller und Ventilschaft ist eine
Relativbewegung der verbundenen Teile wirksam verhindert.
Kriechbewegungen und dadurch bedingter Verschleiß in der Fügestelle
werden somit vermieden. Aufgrund dessen vermag die
Fügestelle die im Motorbetrieb dauerhaft auftretenden thermischen
und mechanischen Belastungen besser zu ertragen.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den
Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung
anhand verschiedener, in den Zeichnungen dargestellter
Ausführungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
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Fig. 1 eine perspektivische Einzeldarstellung eines
Ventiltellers mit Sicht auf dessen Brennraumseite und die
unrunde Erweiterung der Mittenöffnung,
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Fig. 2 ein fertig montiertes Ventil unter Verwendung eines
Ventiltellers nach Fig. 1,
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Fig. 3 und 4 zwei weitere Ausführungsbeispiele von
Ventiltellern bzw. von unrunden Erweiterungen der
Mittenöffnung, und
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Fig. 5 ein in zwei unterschiedlichen Varianten angedeutetes,
weiteres Ausführungsbeispiel eines gebauten Ventils
mit Hohlschaft und gesonderter Dehnstrecke in der
Verbindung zwischen Ventilteller und Schaft.
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Die nachfolgend im Zusammenhang mit verschiedenen
Ausführungsbeispielen zunächst gemeinsam erläuterte Erfindung geht
aus von einem gebauten Ventil 1, 1', 1" für
Hubkolbenmaschinen, welches aus einem Ventilschaft 2, 2', 2" und aus einem
baulich gesonderten Ventilteller 3, 3', 3", 3''' besteht, der
sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung formschlüssig mit
dem Ventilschaft 2 verbunden ist. Zu diesem Zweck ist der
monolitische Ventilteller 3, 3', 3", 3''' mit einer
durchgehenden Mittenöffnung 4, 4' zur Aufnahme des tellerseitigen
Endes des Ventilschaftes versehen, deren auf der
Brennraumseite 10 des Ventiltellers 3 liegender Rand konisch erweitert
ist und so eine Erweiterung 6, 6', 6" bildet. Der
Ventilschaft 2 seinerseits weist am Außenumfang einen die
Einstecktiefe des Ventilschaftes in die Mittenöffnung
begrenzenden, achssenkrechten Bund 7, 7' auf, wogegen im Bereich
der Mittenöffnung 4 des Ventiltellers 3 eine ringförmige
Anlagefläche 5, 5' zur Anlage des schaftseitigen Bundes 7
vorgesehen ist. Das brennraumseitige oder tellerseitige Ende
13, 13' des Ventilschaftes ist - nach dem Zusammenstecken
von Teller und Schaft - im Bereich der brennraumseitigen
Erweiterung 6 der Mittenöffnung in einer diese formschlüssig
ausfüllenden Weise plastisch aufgeweitet, so daß eine
Anstauchung 8, 8' entsteht, die gemeinsam mit dem Paar von
Anlageflächen eine in Zug- und Druckrichtung formschlüssige
Verbindung zwischen Teller und Schaft bildet. Mit Rücksicht
darauf, daß der Ventilteller auf seiner Oberseite
strömungsgünstig gewölbt und somit mit einer gewissen Bauhöhe
ausgestattet ist, so daß er die Funktion eines
Strömungsleitkörpers übernehmen kann, braucht das Paar von axialen
Anlageflächen 5 und 7 in Radialrichtung nur schmal zu sein. Eine
kippsichere Führung des Ventiltellers gegenüber dem
Ventilschaft kommt durch die Bauhöhe des Ventiltellers und die
dementsprechend große Einstecktiefe des Schaftes im
Ventilteller zustande.
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Um die Verbindung zwischen Ventilteller und Ventilschaft in
ihrer Dauerhaltbarkeit erhöhen zu können, ist die
brennraumseitige Erweiterung 6, 6', 6", 6''' der Mittenöffnung 4, 4' und
demgemäß auch die formangepaßte, endseitige Aufweitung 8, 8'
des Ventilschaftes 2, 2', 2" erfindungsgemäß von einer
rotationssymmetrischen Form derart abweichend ausgebildet, daß
dadurch eine formschlüssige Verdrehsicherung zwischen
Ventilschaft 2, 2', 2" und monolitisch aus einem einzigen Teil
bestehenden Ventilteller 3, 3', 3", 3''' gebildet ist.
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Durch die Verdrehsicherung zwischen Ventilteller und
Ventilschaft ist eine Relativbewegung der verbundenen Teile
während des Motorbetriebes wirksam verhindert und ein durch
Kriechbewegungen bedingter Verschleiß in der Fügestelle
somit vermieden. Aufgrund dessen vermag die Fügestelle die im
Motorbetrieb dauerhaft auftretenden thermischen und
mechanischen Belastungen besser zu ertragen. Die Verdrehsicherung
kann ohne fertigungsmäßigen Mehraufwand hergestellt werden.
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Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die brennraumseitige Erweiterung 6 der Mittenöffnung 4
konisch nach Art eines Pyramidenstumpfes mit gerundeten
Kanten zwischen den Flachseiten ausgebildet. Beim Ventilteller
3''' nach Fig. 5 sei eine gleiche Form der Erweiterung 6
unterstellt, wie sie in Fig. 1 zu erkennen ist, allerdings
unterscheidet sich der Ventilteller 3''' nach Fig. 5 bezüglich
anderer Merkmale von dem Ventilteller 3 nach den Fig. 1
und 2, worauf weiter unten näher eingegangen werden soll.
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Bei dem Ventilteller 3' nach Fig. 3 ist die
brennraumseitige Erweiterung 6' im wesentliche auch konisch ausgebildet,
und zwar ist einem koaxial zur Mittenöffnung liegenden
Rundkonus ein stark oval ausgebildeter Konus überlagert, wobei
die beiden sich überschneidenden Konusarten im Bereich der
gegenseitigen Überschneidungen stark verrundet ineinander
übergehen. Der in Fig. 4 gezeigte Ventilteller 3" weist
lediglich eine stark oval ausgebildete, konische Erweiterung
6" auf.
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Alle drei gezeigten Ausführungsbeispiele von Erweiterungen
6, 6', 6" sind zum einen stark unrund ausgebildet, lassen
sich aber aufgrund sanfter Übergänge bzw. Abweichungen von
einer Rotationsform durch eine plastisch in die Erweiterung
eingeformte Anstauchung 8, 8' vollständig und formgetreu
ausfüllen. Beide Charakterisierungen sind für einen
wirksamen Formschluß gegen gegenseitiges Verdrehen wichtig. Die
sanften Übergänge bzw. Abweichungen von einer Rotationsform
sind auch im Hinblich auf eine Fertigung derartiger
Erweiterungen 6, 6', 6" vorteilhaft, sei es, daß diese durch ein
Formwerkzeug - Schmieden, Gießen, Formsintern - oder durch
einen spangebenden Unrund-Drehvorgang hergestellt werden.
Die Herstellung der genannten, unrunden Erweiterungen 6
erfordert keinen Mehraufwand im Vergleich zur Herstellung von
rotationssymmetrischen Ansenkungen, insbesondere dann nicht,
wenn die Erweiterungen durch ein den Ventilteller formendes
Formwerkzeug erzeugt werden.
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Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel
eines Ventiles 1 weist einen massiven Ventilschaft 1 auf, bei
dem der schaftseitige Bund 7 beispielsweise durch einen
spangebenden Drehvorgang herausgearbeitet ist. Der Bund 7
ist radial relativ schmal und braucht lediglich die axiale
Vorspannung der Verbindung aufzunehmen. Die radiale Breite b
des schaftseitigen Bundes 7 bzw. der tellerseitigen
Anlagefläche 5 entspricht maximal etwa 25%, vorzugsweise etwa 15
bis 20% des Schaftdurchmessers D. Die Verkantungssicherheit
des Ventiltellers 3 gegenüber dem Schaft 2 ist durch die
relativ große Bauhöhe des Tellers und die dementsprechend
große Einstecktiefe des Schaftes darin gewährleistet. Die
Einstecktiefe ist deutlich größer als der Durchmesser des
Schaftes in diesem Bereich.
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Auch ein massiver Ventilschaft, d. h. ein solcher mit
Vollquerschnitt, kann unter Gewichtsaspekten durchaus in einem
mehrteiligen Ventil in Frage kommen, und zwar dann, wenn für
den Ventilteller ein Leichtbau-Werkstoff verwendet wird. Die
Gewichtsersparnis gegenüber einem herkömmlichen Ventil liegt
dann ausschließlich in dem geringeren Gewicht des
Ventiltellers. In diesem Zusammenhang seien als in Frage kommende
Tellerwerkstoffe folgende Materialien als
Leichtbauwerkstoffe erwähnt:
- - eine Keramik, insbesondere Siliziumcarbid (SiC),
- - eine intermetallische Phase, insbesondere Titanaluminid,
- - eine Titan/Aluminium-Legierung.
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Über den Gewichtsvorteil hinaus besitzen diese Werkstoff
auch hervorragende thermische und mechanische Eigenschaften,
die sie als Ventil-Werkstoff besonders erstrebenswert
machen. Ein verbreiteter Einsatz dieser Werkstoffe scheiterte
aber bisher stets an einer unter Kostengesichtspunkten
vertretbaren Verarbeitbarkeit und/oder an einer sicheren und
dauerhaften Verbindungstechnik zwischen Schaft und
Ventilteller.
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Zur weiteren Gewichtsreduzierung des Ventils kann der aus
einem Ventilstahl bestehende Schaft hohl ausgebildet sein,
wie dies am Beispiel des Ventils 1' bzw. 1" gemäß Fig. 5
dargestellt ist. Die endseitigen Wandungen des Hohlschaftes
sind gasdicht verschlossen, was z. B. durch ein
Rollfließverfahren auf hochrationelle Weise erfolgen kann. Ein solcher
Hohlschaft kann auch mit einem Kühlmittel, z. B. mit Natrium,
partiell gefüllt werden, so daß das Niveau der
Betriebstemperatur des Ventils abgesenkt werden kann. Nach dem
Einstecken des tellerseitigen, zunächst noch nicht angestauchten
Schaftendes 13 in die Mittenöffnung 4' bis zur gegenseitigen
Berührung der ringförmigen Anlageflächen 5' bzw. 7' wird das
Überstehende Ende des Ventilschaftes in die unrunde
Erweiterung 6 angestaucht, so daß eine senkkopf-förmige Anstauchung
8' entsteht. Dieses Anstauchen kann im Warmzustand, z. B.
ebenfalls mittels des bereits erwähnten Rollfließverfahrens,
durchgeführt werden. Auch dabei wird die brennraumseitige
Erweiterung 6 der Mittenöffnung 4' formschlüssig durch die
Anstauchung 8' ausgefüllt, so daß eine wirksame
Verdrehsicherung zwischen Teller 3''' und Schaft 2' bzw. 2" entsteht.
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Einige der in Frage kommenden Leichtbauwerkstoffe,
insbesondere Keramiken, unterscheiden sich gegenüber Stahl sehr
deutlich in ihrem thermischen Dehnungsverhalten, d. h. sie
dehnen sich bei Temperaturerhöhung wesentlich weniger als
Stahl. Um auch bei einer solchen Werkstoffpaarung gleichwohl
ein thermisch bedingtes Lockern der verbundenen Teile zu
verhindern, ist bei dem in Fig. 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel der außenseitig am Ventilschaft 2', 2"
angebrachte, die Einstecktiefe begrenzende achssenkrechte Bund
7' durch eine aufgesteckte, paßgenaue Rohrmanschette 11
bestimmter Länge L gebildet. Die Rohrmanschette ist mit ihrem
tellerfernen Ende in einer vorbestimmten Axialposition am
Ventilschaft 2', 2" unverrückbar festgesetzt. In der in
Fig. 5 links gezeigten Variante stützt sich die
Rohrmanschette an einem Bund 12' des Schaftes 2' ab, wogegen in der
rechts dargestellten Variante das tellerferne Ende der
Rohrmanschette mittels einer Ringschweißnaht 12 mit dem Schaft
2" verbunden ist. Die dem Ventilteller 3''' zugewandte
Stirnseite der Rohrmanschette 11 bildet in beiden Fällen den
schaftseitigen Bund 7'. Aufgrund der einseitig tellerfernen
Fixierung 12, 12' der Manschette 11 an dem Ventilschaftrohr
kann sich der axial gegenüberliegende Bund 7' relativ zum
Ventilschaftrohr im Rahmen der Werkstoff-Elastizität axial
verlagern, wobei diese elastisch bedingte
Verlagerungsstrecke um so größer ist, je größer die Länge L der Manschette
ist.
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Ferner ist bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
die im Bereich der Mittenöffnung 4' des Ventiltellers 3'''
angebrachte, zum schaftseitigen Bund 7' korrespondierende
Anlagefläche 5' axial in das Innere der Mittenöffnung 4'
verlagert. Dadurch ergibt sich eine deutlich geringere
Klemmlänge L, als der axialen Höhe des Ventiltellers 3''' oder als
der Länge L der Manschette 11 entspricht.
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Nach dem strammen Aufstecken des Ventiltellers 3''' auf das
Ende des Ventilschafts 2', 2" wird die Anstauchung 8' in die
Erweiterung 6 eingeformt und die formschlüssige Verbindung
zwischen Schaft und Ventilteller hergestellt. Wichtig bei
dem Fügevorgang von Teller und Schaft ist, daß im Falle der
Ausbildung des Ventiltellers aus einem Werkstoff mit einem
deutlich geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als
Stahl die Formschlußverbindung bei Raumtemperatur des
fertigen Ventils unter einer möglichst hohen axialen Vorspannung
steht. Nur aufgrund einer hohen axialen Vorspannung der
Fügestelle und aufgrund der besonderen Ausgestaltung des
elastisch verlagerbaren Bundes 7' mit Vorspannkraft-Reserve
kann sichergestellt werden, daß auch bei Betriebstemperatur
des Ventils der beispielsweise aus Keramik bestehende
Ventilteller 3''' noch mit einer gewissen Rest-Vorspannung am
Ventilschaft festgeklemmt bleibt. Je größer das Verhältnis von
Manschettenlänge L zu Klemmlänge L ist, um so größer ist die
Vorspannkraft-Reserve der Verbindung. Es kann daher durchaus
zweckmäßig sein, die Manschette 11 über nahezu die gesamte
Länge des Ventilschaftes zu erstrecken.
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Um eine möglichst hohe axiale Vorspannung der
Formschlußverbindung gewährleisten zu können, sollte die Manschette 11
und der Ventilteller während des Herstellens der Anstauchung
8' möglichst kalt und der innerhalb der Manschette steckende
Teil des Ventilschaftrohres möglichst warm sein. Ein
Temperaturausgleich zwischen den genannten Teilen sollte erst
stattfinden können, nachdem die Anstauchung 8' erkaltet ist
und sich nicht mehr plastisch verformen kann. Durch den
verzögerten Ausgleich einer solchen erzwungenen
Temperaturdifferenz baut sich eine axiale Vorspannung auf. Mit Rücksicht
auf die hohen Betriebstemperaturen insbesondere von
Auslaßventilen sollte die mit zunehmender Betriebstemperatur
nachlassende Vorspannung bei Raumtemperatur so hoch wie möglich
gewählt bzw. angestrebt werden. Optimaler Weise sollte die
Füge-Vorspannung bei Raumtemperatur nahe bei der
Elastizitätsgrenze des Stahlwerkstoffes liegen.