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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Ventils, das
einen Ventilkörper,
eine Ventilnadel und eine Ventilfeder umfasst und das einen Faltenbalg
zum Abdichten eines Hochdruckbereichs gegenüber einem Niederdruckbereich
des Ventils aufweist.
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Ein
Ventil für
ein direktes Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines
Ottomotors weist eine Ventilnadel auf, die zum Zumessen des Kraftstoffs
axial aus ihrer Schließposition
heraus bewegbar ist. Ein Kraftstoffdurchfluss durch das Ventil ist vorgegeben
durch einen Hub der Ventilnadel, einen Durchmesser eines Sitzes
der Ventilnadel in dem Ventil und einen Kraftstoffdruck in dem Ventil.
Die Ventilnadel wird durch eine Federkraft einer Ventilfeder und
einer aus dem Kraftstoffdruck resultierenden hydraulischen Kraftkomponente
in ihrer Schließposition
gehalten, wenn die Ventilnadel nicht durch einen Hubaktor des Ventils
aus ihrer Schließposition
heraus bewegt ist. Ein Hub des Hubaktors, und somit auch der Hub
der Ventilnadel, ist abhängig
von einer axialen Kraft, die einer Auslenkung des Hubaktors entgegen
wirkt und die zum Öffnen
des Ventils durch den Hubaktor überwunden
werden muss. Ferner ist der Hub des Hubaktors abhängig von
einer Ansteuerung des Hubaktors.
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In
der
US 6,311,950 B1 ist
ein Einspritzventil offenbart, das einen Faltenbalg als Dichtungselement
aufweist. Der Faltenbalg ist an einer Ventilnadel und an einem Gehäuse des
Einspritzventils befestigt. Ein Durchmesser des Faltenbalgs ist so
bemessen, dass eine erste Kraft, die abhängig von einem Fluiddruck in
dem Einspritzventil über
den Faltenbalg auf die Ventilnadel wirkt, eine zweite Kraft kompensiert, die
abhängig
von dem Fluiddruck in einem Bereich eines Ventilsitzes auf die Ventilnadel
wirkt. Durch diese Kompensation ist eine Kraft, die durch die Ventilnadel
auf den Ventilsitz ausgeübt
wird, unabhängig von
dem Fluiddruck und ausschließlich
bestimmt durch eine Federkraft einer Rückstellfeder, die die Ventilnadel
auf den Ventilsitz drückt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum Herstellen eines Ventils
zu schaffen, bei dem eine Streuung einer axialen Kraft zum Betätigen des Ventils
gering ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren
zum Herstellen eines Ventils, das einen Ventilkörper, eine Ventilnadel und
eine Ventilfeder umfasst. Ferner weist das Ventil einen Faltenbalg
zum Abdichten eines Hochdruckbereichs gegenüber einem Niederdruckbereich
des Ventils auf. Bei dem Verfahren wird eine eine hydraulisch wirksame
Querschnittsfläche
des Faltenbalgs repräsentierende
Größe ermittelt.
Die Ventilfeder wird bezogen auf ihre Federkraft abhängig von
der die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des Faltenbalgs repräsentierenden
Größe ausgewählt. Die
Ventilnadel wird in dem Ventilkörper
angeordnet und wird so über
die Ventilfeder und den Faltenbalg mit dem Ventilkörper gekoppelt,
dass das Ventil mittels einer vorgegebenen axialen Kraft, die auf
die Ventilnadel wirkt, zu öffnen
oder zu schließen
ist, wobei die vorgegebene axiale Kraft abhängig ist von einem in dem Niederdruckbereich
oder dem Hochdruckbereich vorherrschenden Fluiddruck.
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Durch
das Auswählen
der Ventilfeder abhängig
von der hydraulisch wirksamen Querschnittsfläche des Faltenbalgs kann die
vorgegebene axiale Kraft besonders präzise und mit geringen Streuungen
erreicht werden. Dadurch kann die vorgegebene axiale Kraft für alle nach
diesem Verfahren hergestellten Ventile zuverlässig eingestellt werden. Ein zusätzlicher
Kalibrierschritt zum Einstellen der vorgegebenen axialen Kraft ist
nach einer Montage des Ventils somit nicht erforderlich. Ein gewünschter Durchfluss
durch das Ventil kann so einfach und zuverlässig erreicht werden, ohne
für das
Ansteuern des Ventils eine individuell erforderliche axiale Kraft zum Öffnen oder
Schließen
des Ventils berücksichtigen
zu müssen.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren
zum Herstellen eines Ventils, das einen Ventilkörper, eine Ventilnadel und
eine Ventilfeder umfasst. Das Ventil weist ferner einen Faltenbalg
zum Abdichten eines Hochdruckbereichs gegenüber einem Niederdruckbereich
des Ventils auf. Eine Federkraft der Ventilfeder wird ermittelt.
Der Faltenbalg wird bezogen auf eine seine hydraulisch wirksame
Querschnittsfläche
repräsentierende
Größe abhängig von
der Federkraft der Ventilfeder ausgewählt. Die Ventilnadel wird in
dem Ventilkörper
angeordnet. Ferner wird die Ventilnadel so über die Ventilfeder und den
Faltenbalg mit dem Ventilkörper
gekoppelt, dass das Ventil mittels einer vorgegebenen axialen Kraft,
die auf die Ventilnadel wirkt, zu öffnen oder zu schließen ist,
wobei die vorgegebene axiale Kraft abhängig ist von einem in dem Niederdruckbereich
oder dem Hochdruckbereich vorherrschenden Fluiddruck.
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Durch
das Auswählen
des Faltenbalgs abhängig
von der Federkraft der Ventilfeder kann die vorgegebene axiale Kraft
besonders präzise
und mit geringen Streuungen erreicht werden. Dadurch kann die vorgegebene
axiale Kraft für
alle nach diesem Verfahren hergestellten Ventile zuverlässig eingestellt
werden. Ein zusätzlicher
Kalibrierschritt zum Einstellen der vorgegebenen axialen Kraft ist
nach der Montage des Ventils somit nicht erforderlich. Der gewünschter
Durchfluss durch das Ventil kann so einfach und zuverlässig erreicht
werden, ohne für
das Ansteuern des Ventils die individuell erforderliche axiale Kraft
zum Öffnen
oder Schließen
des Ventils berücksichtigen
zu müssen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist die die hydraulisch
wirksame Querschnittsfläche
des Faltenbalgs repräsentierende
Größe ein Außendurchmesser
des Faltenbalgs. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bedingt
durch das Fertigungsverfahren des Faltenbalgs im Wesentlichen nur
der Außendurchmesser
des Faltenbalgs eine relevante Abweichung von einem Sollwert des Außendurchmessers
aufweist und andere Größen des
Faltenbalgs, z. B. ein Innendurchmesser oder eine Dicke oder Steifigkeit
des Materials des Faltenbalgs, im Wesentlichen ihrem jeweiligen
Sollwert entsprechen. Somit ist die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des
Faltenbalgs im Wesentlichen abhängig
von dessen Außendurchmesser.
Dadurch ist das Ermitteln der die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des
Faltenbalgs repräsentierenden Größe besonders
einfach möglich,
da der Außendurchmesser
des Faltenbalgs sehr einfach ermittelbar ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Teil eines Ventils mit einem Ventilkörper,
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2 ein
erster Ausschnitt aus dem Teil des Ventils,
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3 ein
zweiter Ausschnitt aus dem Teil des Ventils,
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4 ein
Ablaufdiagramm eines ersten Verfahrens zum Herstellen des Ventils
und
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5 ein
Ablaufdiagramm eines zweiten Verfahrens zum Herstellen des Ventils.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Ein
Ventil, z. B. ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine,
umfasst einen Ventilkörper 1,
in dem eine Ventilnadel 2 angeordnet ist (1).
An dem Ventilkörper 1 ist
ein Ventildeckel 3 dicht befestigt, z. B. durch Anschweißen, der einen
Fluidzulauf 4 aufweist und der einen Hochdruckbereich des
Ventils innerhalb des Ventilkörpers 1 von
einem Niederdruckbereich des Ventils außerhalb des Ventilkörpers 1 trennt. Über den
Fluidzulauf 4 kann dem Ventil ein Fluid, beispielsweise
Kraftstoff, zugeführt
werden. Vorzugsweise wird das Fluid mit einem hohen Fluiddruck,
z. B. 200 bar, zugeführt.
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An
dem Ventildeckel 3 ist ein erster Befestigungsring 5 dicht
befestigt, z. B. durch Anschweißen. Die
Ventilnadel 2 ist in dem ersten Befestigungsring 5 axial
bewegbar angeordnet. An der Ventilnadel 2 ist ein zweiter
Befestigungsring 6 befestigt, z. B. durch Aufpressen. Ein
Faltenbalg 7, der vorzugsweise als ein Metallfaltenbalg
ausgebildet ist, ist mit einem ersten axialen Ende an dem ersten
Befestigungsring 5 und mit einem zweiten axialen Ende an
dem zweiten Befestigungsring 6 dicht befestigt, z. B. durch
Anschweißen.
Dadurch ist der Hochdruckbereich des Ventils, dem das unter hohem
Fluiddruck stehende Fluid über
den Fluidzulauf 4 zuführbar
ist, gegenüber dem
Niederdruckbereich des Ventils, der sich auf einem der Ventilnadel 2 zugewandten
Innenbereich des Faltenbalgs 7 befindet, auch bezüglich einer Durchführung der
Ventilnadel 2 durch den Ventildeckel 3 zuverlässig abgedichtet.
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In
dem Ventilkörper 1 ist
ferner eine Ventilfeder 8 zwischen dem Ventilkörper 1 und
einem Federteller 9 angeordnet. Der Federteller 9 ist
mit dem zweiten Befestigungsring 6 gekoppelt. Dadurch wirkt eine
Federkraft F3 der Ventilfeder 8 derart auf die Ventilnadel 2,
dass diese in einen Ventilsitz 10 des Ventilkörpers 1 gezogen
wird und das Ventil somit verschließt. In einem dem Ventilsitz 10 abgewandten Ende
der Ventilnadel 2 ist in dem Niederdruckbereich des Ventils
ein Hubaktor 11 angeordnet. Der Hubaktor 11 ist
beispielsweise als ein Piezoaktor ausgebildet und ist so ausgebildet,
dass die Ventilnadel 2 abhängig von einer elektrischen
Ansteuerung des Hubaktors 11 entgegen der Federkraft F3
axial aus ihrer Schließposition
heraus bewegbar ist. Ein Hub des Hubaktors 11, und somit
auch ein Hub der Ventilnadel 2, ist abhängig von der Ansteuerung des
Hubaktors 11 und von einer axialen Kraft, die einer Auslenkung
des Hubaktors 11 entgegen wirkt und die so gerichtet ist,
dass die Ventilnadel 2 in ihre Schließposition gezogen wird.
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Auf
die Ventilnadel 2 wirken verschiedene axiale Kräfte. In
Schließrichtung
wirkt die Federkraft F3 der Ventilfeder 8 und eine Federkraft
des Faltenbalgs 7, die abhängig ist von dessen Steifigkeit.
Ferner wirkt in Schließrichtung
eine hydraulisch schließende
Kraft F1, die abhängig
ist von einem hydraulisch wirksamen Durchmesser D1 des Faltenbalgs 7 (2).
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Eine
hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des Faltenbalgs 7 ist
abhängig
von dem hydraulisch wirksamen Durchmesser D1 des Faltenbalgs 7. Der
hydraulisch wirksame Durchmesser D1 des Faltenbalgs 7 bzw.
die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des Faltenbalgs 7 sind
insbesondere abhängig
von einem Außendurchmesser
des Faltenbalgs 7, können
jedoch auch von einer anderen Größe des Faltenbalgs 7 abhängig sein.
Bedingt durch das Fertigungsverfahren des Faltenbalgs 7 kann
die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des Faltenbalgs 7 im
Wesentlichen nur abhängig
sein z. B. von dessen Außendurchmesser.
Der Außendurchmesser des
Faltenbalgs 7 ist dann eine die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des
Faltenbalgs 7 repräsentierende
Größe. Die
die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des Faltenbalgs 7 repräsentierende
Größe kann
jedoch ebenso z. B. die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des
Faltenbalgs 7 oder der hydraulisch wirksame Durchmesser
D1 des Faltenbalgs 7 sein. Vorzugsweise wird die die hyd raulisch
wirksame Querschnittsfläche
repräsentierende Größe und ein
Zusammenhang mit der hydraulisch wirksamen Querschnittsfläche für einen
Typ oder eine Bauform des Faltenbalgs 7 experimentell ermittelt,
so dass mittels der die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche repräsentierenden
Größe einfach auf
die hydraulisch wirksame Querschittsfläche des jeweiligen Faltenbalgs 7 dieses
Typs bzw. dieser Bauform geschlossen werden kann. Eine mathematische
Herleitung des Zusammenhangs ist gegebenenfalls für den Typ
oder die Bauform des Faltenbalgs 7 ebenfalls möglich.
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In
einem der Ventilnadel 2 abgewandten Außenbereich des Faltenbalgs 7,
also in dem Hochdruckbereich des Ventils, herrscht der hohe Fluiddruck,
z. B. mehrere zehn oder hundert bar. In dem Innenbereich des Faltenbalgs 7,
also in dem Niederdruckbereich des Ventils, herrscht der niedrige
Fluiddruck, z. B. weniger als zehn bar. Eine solche Druckdifferenz
zischen dem Außenbereich
und dem Innenbereich des Faltenbalgs 7 kann zu einem Zusammenpressen
des Faltenbalgs 7 führen,
wodurch die hydraulisch schließende
Kraft F1 abhängig
von einem Betrag der Druckdifferenz ist.
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Eine
hydraulisch öffnende
Kraft F2 wirkt abhängig
von dem Fluiddruck in dem Hochdruckbereich des Ventils und abhängig von
einem Dichtkreisdurchmesser D2 des Ventilsitzes 10 auf
die Ventilnadel 2 der hydraulisch schließenden Kraft
F1 entgegen (3). Die hydraulisch schließende Kraft
F1 und die hydraulisch öffnende
Kraft F2 sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass die hydraulisch
schließende
Kraft F1 mindestens so groß ist
wie die hydraulisch öffnende
Kraft F2. Dadurch ist sichergestellt, dass auch mit zunehmendem
Fluiddruck in dem Hochdruckbereich des Ventils die Ventilnadel 2 in
ihre Schließposition
in den Ventilsitz 10 gedrückt wird und das Ventil somit
zuverlässig
und dicht schließt.
Die Ven tilfeder 8 stellt sicher, dass das Ventil auch dann
geschlossen bleibt, wenn der Fluiddruck in dem Hochdruckbereich
des Ventils sehr gering ist, z. B. während einer Betriebspause des.
Ventils.
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Aufgrund
von fertigungstechnisch unvermeidbaren Toleranzen kann die hydraulisch
wirksame Querschnittsfläche
des Faltenbalgs 7 oder die Federkraft F3 der Ventilfeder 8 für jeden
hergestellten Faltenbalg 7 oder für jede hergestellte Ventilfeder 8 unterschiedlich
sein. Dies hat zur Folge, dass eine Bilanz der Federkraft F3, der
hydraulisch schließenden Kraft
F1 und der hydraulisch öffnenden
Kraft F2 von Ventil zu Ventil variieren kann. Dadurch kann jedoch entsprechend
auch die axiale Kraft variieren, die der Hubaktor 11 aufbringen
muss, um die Ventilnadel 2 aus ihrer Schließposition
heraus bewegen zu können.
Da der Hub des Hubaktors 11 ebenfalls abhängig von
der auf den Hubaktor 11 wirkenden axialen Kraft ist, kann
somit bei einer vorgegebenen Ansteuerung des Hubaktors 11 auch
ein Öffnungsgrad
des Ventils variieren. Eine Einspritzmenge des Fluids ist jedoch
abhängig
von dem Dichtkreisdurchmesser D2 und von dem Öffnungsgrad des Ventils. Bei
der vorgegebenen Ansteuerung des Hubaktors 11 kann somit
auch die Einspritzmenge des Fluids entsprechend variieren. Beispielsweise
kann der Außendurchmesser
des Faltenbalgs 7 um etwa 0,2 Millimeter von seinem Sollwert
abweichen. Dies kann zu einer Abweichung der axialen Kraft um z.
B. etwa 20 bis 30 Newton führen.
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Um
bei der vorgegebenen Ansteuerung des Hubaktors 11 mit jedem
Injektor eine gleich große Menge
Fluid zumessen zu können,
muss die auf den Hubaktor 11 wirkende axiale Kraft für jedes
Einspritzventil etwa gleich groß sein.
Dies kann erreicht werden durch Auswählen einer geeigneten Kombination der
Ventilfeder 8 bezüglich
ihrer Federkraft F3 und dem Faltenbalg 7 bezüglich seiner
hydraulisch wirksamen Quer schnittsfläche während der Montage des Ventils
bzw. seiner die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche repräsentierenden
Größe.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines ersten Verfahrens zum des Ventils Das Verfahren
beginnt in einem Schritt S1. In einem Schritt S2 wird die die hydraulisch
wirksame Querschnittsfläche
des Faltenbalgs 7 repräsentierende
Größe ermittelt,
z. B. der Außendurchmesser
des Faltenbalgs 7 oder der hydraulisch wirksame Durchmesser
D1 des Faltenbalgs 7. In einem Schritt S3 wird abhängig von
der die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des Faltenbalgs 7 repräsentierenden
Größe die Ventilfeder 8 bezogen
auf ihre Federkraft F3 ausgewählt.
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Das
Auswählen
erfolgt z. B. für
das in 1 dargestellte Ventil derart, dass die Federkraft
F3 der Ventilfeder 8 umso größer gewählt wird, je kleiner die hydraulisch
wirksame Querschnittsfläche
des Faltenbalgs 7 ist Entsprechend wird die Federkraft
F3 der Ventilfeder 8 umso kleiner gewählt, je größer die hydraulisch wirksame
Querschnittsfläche
des Faltenbalgs 7 ist.
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Das
Auswählen
wird vorzugsweise automatisch ausgeführt, z. B. mittels eines Steuerprogramms.
Das Steuerprogramm hat beispielsweise Zugriff auf die jeweilige
Federkraft F3 der für
die Montage des Ventils verfügbaren
Ventilfedern 8. Das Steuerprogramm ermittelt z. B. aus
der die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des Faltenbalgs 7 repräsentierenden
Größe diejenige
Ventilfeder 8, deren Federkraft F3 im Zusammenwirken mit
der die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des Faltenbalgs 7 repräsentierenden
Größe zu der
axialen Kraft führt,
die von der vorgegebenen axialen Kraft möglichst wenig abweicht.
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Der
Faltenbalg 7 und die Ventilfeder 8 entsprechen
zwei parallel angeordneten Federn, deren Federkräfte sich addieren. Somit kann
durch geeignetes Kombinieren des Faltenbalgs 7 bezüglich seiner
die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche repräsentierenden Größe und der
Ventilfeder 8 bezüglich
ihrer Federkraft F3 eine axiale Kraft vorgegeben werden, die auf
die Ventilnadel 2 wirken soll.
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In
einem Schritt S4 wird die Ventilnadel 2 in dem Ventilkörper 1 angeordnet
und über
die Ventilfeder 8 und den Faltenbalg 7 so mit
dem Ventilkörper 1 gekoppelt,
dass das Ventil mittels der vorgegebenen axialen Kraft abhängig von
dem in dem Niederdruckbereich oder dem Hochdruckbereich vorherrschenden
Fluiddruck zu öffnen
oder zu schließen
ist. Das Verfahren endet in dem Schritt S5.
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5 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines zweiten Verfahrens zum Herstellen des Ventils,
das in einem Schritt S6 beginnt. In einem Schritt S7 wird die Federkraft
F3 der Ventilfeder 8 ermittelt. In einem Schritt S8 wird
abhängig
von der Federkraft F3 der Ventilfeder 8 der Faltenbalg 7 bezogen
auf die seine hydraulisch wirksame Querschnittsfläche repräsentierende
Größe ausgewählt.
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Die
Auswahl erfolgt dabei derart, dass die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des
Faltenbalgs 7 umso größer gewählt wird,
je kleiner die Federkraft F3 der Ventilfeder 8 ist, und
umso kleiner gewählt
wird, je größer die
Federkraft F3 der Ventilfeder 8 ist.
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Das
Auswählen
wird vorzugsweise automatisch ausgeführt, z. B. mittels des Steuerprogramms. Das
Steuerprogramm hat beispielsweise Zugriff auf die jeweilige die
hydraulisch wirksa me Querschnittsfläche repräsentierende Größe der für die Montage des
Ventils verfügbaren
Faltenbälge 7.
Das Steuerprogramm ermittelt z. B. aus der Federkraft F3 denjenigen
Faltenbalg 7, dessen die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche repräsentierende
Größe im Zusammenwirken
mit der Federkraft F3 zu der axialen Kraft führt, die von der vorgegebenen
axialen Kraft möglichst
wenig abweicht.
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In
einem Schritt S9 wird die Ventilnadel 2 in dem Ventilkörper 1 angeordnet
und über
die Ventilfeder 8 in dem Faltenbalg 7 so mit dem
Ventilkörper 1 gekoppelt,
dass das Ventil mittels der vorgegebenen axialen Kraft, die auf
die Ventilnadel 2 wirkt, abhängig von dem in dem Niederdruckbereich
oder dem Hochdruckbereich vorherrschenden Fluiddruck zu öffnen oder
zu schließen
ist. Das Verfahren endet in einem Schritt S10.
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Die
beiden Verfahren zum Herstellen des Ventils ermöglichen das Herstellen einer
Vielzahl von Ventilen, die mit der gleichen vorgegebenen axialen Kraft
betätigt
werden können,
ohne dass nach der Montage des jeweiligen Ventils ein individuelles
Kalibrieren bezüglich
der vorgegebenen axialen Kraft durchgeführt werden muss. Ferner kann
das Ermitteln der Federkraft F3 der Ventilfeder 8 oder
der die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des Faltenbalgs 7 repräsentierenden
Größe und das
Auswählen
der geeigneten Kombination der Ventilfeder 8 und des Faltenbalgs 7 zum
Einstellen der vorgegebenen axialen Kraft einfach automatisiert
werden.