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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil, das beispielsweise in einem Kraftstoffversorgungssystem eines Fahrzeugs zum Einsatz kommt.
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Hintergrund der Erfindung
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In Fahrzeugen werden Druckregelventile beispielsweise dazu verwendet, einen Druck in einem Hochdruckbereich eines Common-Rail-Einspritzsystems auf einem bestimmten Niveau zu regeln. Ein derartiges Druckregelventil weist in der Regel einen Aktuator in der Form eines Elektromagneten auf, der einen Ventilstift bzw. Druckstift in einer Ventilstiftbohrung bewegen kann und der ein Dichtelement, wie etwa eine Ventilkugel, durch die Magnetkraft in einem Ventilsitz hält, um das Druckregelventil zu schließen.
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Bei bekannten Druckregelventilen wird der Ventilstift in einer axialen Führung gehalten, die in einem vom Ventilsitz getrennten Bauteil ausgeführt ist, wodurch zwischen der Führung des Ventilstifts und dem Ventilsitz ein Achsenversatz vorhanden sein kann. In den meisten Fällen wird die Schnittstelle zwischen dem Ventilstift und dem Dichtelement daher so ausgeführt, dass die seitliche Bewegung des Dichtelementes zugunsten eines leisen Betriebes verhindert wird (beispielsweise mittels einer tiefen Kalotte, in welche eine Ventilkugel teilweise versenkt ist).
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Diese radiale Bindung des Dichtelementes mit dem Ventilstift kann in Kombination mit dem oben genannten Achsenversatz zwischen der Führung des Ventilstifts und dem Ventilsitz dazu führen, dass das Ventil nicht dicht ist oder eine Schließverzögerung bzw. -hysterese aufweist.
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Um diese zu umgehen, wird beispielsweise die Kalotte am Ventilstift im montierten Zustand zur Kompensation des Achsenversatzes geprägt. Auch werden Toleranzen bezüglich Koaxialität für einen Ventilkörper, ein Ventilgehäuse und dem Ventilstift eingeengt. Diese Maßnahmen sind in der Regel aber mit erhöhten Kosten und/oder mit verschlechterter Ausbringung verbunden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges, leicht herzustellendes und dicht schließendes Druckregelventil bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil, das beispielsweise in das Gehäuse einer Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems verbaubar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Druckregelventil ein Gehäuse mit einer Eingangsöffnung und einer Abströmöffnung; einen im Gehäuse geführten Ventilstift mit einem Betätigungselement; ein Dichtelement an einem Ende des Betätigungselements, das dazu ausgeführt ist, einen Ventilsitz bei Bewegung des Ventilstifts zu verschließen, so dass ein Fluidstrom zwischen der Eingangsöffnung und der Abströmöffnung unterbrochen wird. Der Ventilsitz und eine axiale Führung des Betätigungselements werden von einem einstückigen Ventilkörper bereitgestellt.
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Auf diese Weise kann das Betätigungselement im selben Bauteil geführt werden, in dem auch der Ventilsitz enthalten ist. So kann ein Achsenversatz zwischen der Führung des Betätigungselementes und dem Ventilsitz vermieden werden, was durch einen vereinfachten Herstellungsprozess zu einer Kostenreduzierung führen kann. Eine bessere axiale Ausrichtung führt außerdem in der Regel zu einer zentrischen Krafteinleitung auf das Betätigungselement und/oder das Dichtelement und somit zu einer Reduzierung von Verschleiß und Hysterese. Weiter kann die Dichtheit des Ventils verbessert werden. Auch können teure, nicht robuste Verfahren, wie das interne Prägen des Betätigungselementes auf dem Dichtelement, bei der Herstellung des Druckregelventils entfallen.
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Eine stark verbesserte Koaxialität zwischen der Führung des Betätigungselementes und dem Ventilsitz kann durch Bearbeitung von Führung und Ventilsitz mit einem einzigen Werkzeug (beispielsweise einem Stufenwerkzeug) erreicht werden.
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Der Ventilkörper kann dabei ein Teil des Gehäuses sein, in dem das Dichtelement (beispielsweise eine Kugel) und der Ventilsitz (beispielsweise eine Kegelfläche) bereitgestellt sind.
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Eine Führung für das Betätigungselement oder ganz allgemein eine Führung für den Ventilstift kann eine axiale Bohrung/Öffnung im Ventilkörper bzw. Gehäuse sein. Diese Bohrung bzw. Öffnung kann die gleiche Querschnittsfläche wie das Betätigungselement bzw. der Ventilstift aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Ventilkörper die Abströmöffnung auf, die in axialer Richtung vor der Führung für das Betätigungselement angeordnet ist. Das Fluid kann beispielsweise bei offenem Zustand des Druckregelventils von der Eingangsöffnung in einen Raum vor dem Betätigungselement fließen und von dort das Druckregelventil durch die Abströmöffnung wieder verlassen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Druckregelventil weiter eine Feder im Ventilkörper, die dazu ausgeführt ist, das Betätigungselement in axialer Richtung von dem Ventilsitz wegzudrücken. Diese Feder kann sicherstellen, dass bei einem mehrteiligen Ventilstift die einzelnen Teile, wie etwa das Betätigungselement und ein Ankerstift, auch bei offenem Ventil kontaktieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Ventilstift einen Ankerstift, der auf dem Betätigungselement abgestützt. Mit anderen Worten kann der Ventilstift mehrere Teile umfassen. Das Druckregelventil kann einen Aktuator zum Bewegen des Ankerstifts umfassen, der beispielsweise eine Spule bzw. ein Elektromagnet sein kann. Das vom Ankerstift getrennte Betätigungselement kann (beispielsweise über ein Zwischenelement oder eine Kappe auf dem Ankerstift) auf dem Ankerstift abgestützt sein und von diesem mit bewegt werden. Ist das Ventil offen, d.h., sitzt das Dichtelement nicht auf dem Ventilsitz, kann Fluid, wie etwa Kraftstoff, zwischen der Eingangsöffnung und der Abströmöffnung strömen und ein Druck vor der Eingangsöffnung kann abgebaut werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gehäuse einen vom Ventilkörper getrennten weiteren Gehäuseteil mit einer Führung für den Ankerstift. Das Gehäuse kann auch mehrteilig aufgebaut sein. Auf diese Weise können die beiden Gehäuseteile aus unterschiedlichem Material hergestellt werden. Die Führung für das Betätigungselement ist in den Ventilkörper integriert, der normalerweise aus einem harten Material hergestellt ist, um einen Verschleiß des Ventilsitzes zu vermeiden. Das weitere Gehäuseteil kann aus einem weicheren Material hergestellt sein.
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Auch ist es möglich, das Gehäuse des Druckregelventils hinsichtlich magnetischer Eigenschaften zu optimieren, da beispielsweise der weitere Gehäuseteil weicher sein darf. Somit kann die Magnetkraft erhöht und Material und Kosten im Bereich des Magnets eingespart werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilkörper hülsenartig über das weitere Gehäuseteil geschoben und mit diesem verbunden. Der Ventilkörper kann beispielsweise becherartig aufgebaut sein, wobei in seinem Boden die Eingangsöffnung angeordnet ist. Mit einem Teil seiner Wandung kann der Ventilkörper auf das weitere Gehäuseteil geschraubt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Druckregelventil weiter eine Abstandsscheibe zwischen dem Ventilkörper und dem weiteren Gehäuseteil. Mit dieser Scheibe kann der Abstand zwischen dem Dichtelement und dem Ventilsatz eingestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Druckregelventil weiter eine Ankerstiftkappe zwischen dem Ankerstift und dem Betätigungselement, die auf einem Ende des Betätigungselements abgesetzt ist. Die Ankerstiftkappe kann als mechanisches Kraftübertragungselement zwischen dem Ankerstift und dem Betätigungselement fungieren. Wenn der Ankerstift hohl ist und zum Leiten von Fluid ausgeführt ist, kann die Ankerstiftkappe zusätzlich eine Durchgangsöffnung aufweisen, durch die Fluid in den Ankerstift eingeleitet werden kann. Es ist aber auch möglich, dass ein hohler Ankerstift seitliche Öffnungen aufweist, in die das Fluid einströmen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Betätigungselement wenigstens einen Seitenkanal auf, so dass Fluid am Betätigungselement vorbei durch die Führung für das Betätigungselement strömen kann. Auf diese Weise kann Fluid in Richtung des Ankerstifts strömen und von dort in Richtung der Abströmöffnung.
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Das Betätigungselement kann ein Körper mit zylinderförmiger Grundform sein, der an dem Ende mit dem Dichtelement eine Spitze aufweisen kann. In dieser Spitze kann sich eine Kalotte befinden, die das Dichtelement aufnehmen kann. Das Betätigungselement kann mittels MIM (metal injection moulding) geformt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilstift zumindest abschnittsweise hohl und stellt eine Verbindung für das Fluid zur Abströmöffnung bereit. Beispielsweise kann der Ventilstift als Rohr ausgeführt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Dichtelement eine vom Betätigungselement getrennte Ventilkugel. Diese kann sich in einer Kalotte an der Spitze des Betätigungselements befinden. Es ist aber auch möglich, dass das Dichtelement Teil des Betätigungselements ist bzw. mit diesem integral/einstückig gefertigt ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Druckregelventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Druckregelventil gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines Druckregelventils gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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4A zeigt eine Seitenansicht eines Betätigungselements für ein Druckregelventil gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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4B zeigt eine Schnittansicht des Betätigungselements der 4A.
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4C zeigt eine Frontansicht des Betätigungselements der 4A.
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4D zeigt eine perspektivische Ansicht des Betätigungselements der 4A. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Druckregelventil 10, das einen mehrteiligen Druckstift bzw. Ventilstift 12 umfasst, der mittels Magnetkraft gegen einen Ventilsitz 14 gedrückt werden kann, um ein Fließen eines Fluids (wie etwa Kraftstoff für ein Fahrzeug) von einer Eingangsöffnung 16 in eine Abströmöffnung 18 zu verhindern.
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Der Ventilstift 12 weist einen Ankerstift 12a und ein Betätigungselement 12b auf, die hintereinander in einem mehrteiligen Gehäuse 20 angeordnet sind, von diesem in einer axialen Richtung A geführt werden und in axialer Richtung A axial fluchten. Der Ankerstift 12a hat dabei einen geringeren Durchmesser als das Betätigungselement 12b.
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Der Ankerstift 12a ist in einem ersten Gehäuseteil 20a und das Betätigungselement 12b in einem zweiten Gehäuseteil 20b bzw. Ventilkörper 20b geführt, wobei der Ventilkörper 20a mit dem ersten Gehäuseteil 20a über eine Schraubverbindung 22 verbunden ist. Zwischen dem Gehäuseteil 20a und dem Ventilkörper 20b ist ein Dichtring 23 angeordnet.
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Im ersten Gehäuseteil 20a befindet sich eine axiale Führungsöffnung 24 zur Führung des Ankerstifts 12a. Im zweiten Gehäuseteil 20b befindet sich eine axiale Führungsöffnung 26 zur Führung des Betätigungselements 12b. Die beiden Führungsöffnungen weisen jeweils den gleichen Innendurchmesser wie der entsprechende Außendurchmesser des Ankerstifts 12a bzw. des Betätigungselements 12b auf.
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In dem Gehäuseteil 20a ist ein Aktuator 28 in Form einer den Ankerstift 12a umschließenden Spule 28 angeordnet, die bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugt, das auf eine Ankerplatte 30 wirkt, die an einem Ende des Ankerstifts 12a befestigt ist.
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Die Ankerplatte 30 ist in einer Öffnung 32 im Gehäuse 20 angeordnet, die zwischen einem Ventildeckel 34 und dem Gehäuseteil 20a gebildet ist. Der Ventildeckel 34 ist dabei auf das Gehäuseteil 20a gesteckt. Zwischen dem Gehäuseteil 20a und dem Ventildeckel 34 ist ein weiterer Dichtring 36 angeordnet.
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Der Ventildeckel 34 stellt dabei die axiale Abströmöffnung 18 bereit, die der axialen Eingangsöffnung 16 gegenüberliegt. Weiter weist der Ventildeckel 34 eine elektrische Schnittstelle 38 auf, in der elektrische Kontakte, wie etwa Steckerpins, zur Bestromung der Spule 28 angeordnet sind.
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Der Ventilsitz 14 ist im Ventilkörper 20b beispielsweise in Form eines Kegelsitzes gebildet. Der Ventilsitz 14 befindet sich dabei in axialer Richtung A gegenüberliegend einer Spitze 40 des Betätigungselements 12b, auf der sich eine Ventilkugel 42 befindet. Die Eingangsöffnung 16, die in den Ventilsitz 14 mündet und durch den Ventilkörper 20b in axialer Richtung A verläuft, ist mit einem becherförmigen Filter 44 überdeckt, der an dem Ventilkörper 20b befestigt ist.
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Das Druckregelventil 10 kann mittels des Ventilkörpers 20b in einem Railrohr 46 eines Common-Rail-Systems befestigt werden, beispielsweise über eine Verschraubung 48.
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Zwischen dem Gehäuseteil 20a und dem Ventilkörper 20b ist eine Einstellscheibe 50 angeordnet, mit der der Abstand zwischen der Ventilspitze 40 und dem Ventilsitz 14 in axialer Richtung eingestellt werden kann.
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Auf den Ankerstift 12a ist eine Ankerstiftkappe 52 aufgesteckt, die an einem Ende 54 des Betätigungselements 12b abgesetzt ist.
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Ist das Druckregelventil 10 nicht bestromt, drückt eine Ventilfeder 56 die Ankerplatte 30 zusammen mit dem Ankerstift 12a in axialer Richtung A vom Ventilsitz 14 weg. Durch den Druck des Fluids in der Eingangsöffnung 16 wird auch das Betätigungselement 12b mit der Ventilkugel 42 in diese Richtung bewegt.
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In der 1 dienen der Ventilstift 12 wie seine Komponenten, der Ankerstift 12a, die Ankerstiftkappe 46 und das Betätigungselement 12b, nicht nur zur Kraftübertragung, sondern auch zur Fluidleitung. Dazu ist der Ankerstift 12a hohl bzw. rohrförmig gebildet und weist in seinem Inneren einen Hohlkanal 58 auf. Das Betätigungselement 12b weist seitliche, axiale Kanäle 60 bzw. Rillen 60 auf. Die Ankerstiftkappe 46 ist dazu ausgeführt, einen Fluidstrom aus den Seitenkanälen 48 in den Hohlkanal 47 des Ankerstifts 12a umzuleiten und weist dazu eine Durchströmöffnung 62 auf.
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Bei geöffnetem Druckregelventil 10 kann nun Fluid in einem im wesentlichen axialen Fluidstrom aus der Eingangsöffnung 16 an der Ventilkugel 42 vorbei durch die Seitenkanäle 60 strömen, wird dann von der Ankerstiftkappe 46 in den Hohlkanal 58 des Ankerstifts 12a umgelenkt, um dort in Richtung der Abströmöffnung 18 zu strömen.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Druckregelventils 10, bei dem das Betätigungselement 12b ein integral geformtes Dichtelement 42' aufweist. Da die Führungsöffnung 26 und der Ventilsitz 14 im selben Bauteil 20b angeordnet sind, ermöglicht dies eine viel präzisere Lage dieser beiden Bauteile 12b, 14 zueinander. Auf diese Weise kann das Dichtelement 42' bereits beim Herstellen des Betätigungselements 12b genau zentriert werden.
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Weiter ist beim Druckregelventil 10 der 2 eine Feder 64 in der Führungsöffnung 26 zwischen dem Ventilsitz 14 und dem Betätigungselement 12b angeordnet, die das Betätigungselement 12b in Richtung Ankerstift 12 schieben kann.
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Die Ankerstiftplatte 52' der 2 weist keine Öffnungen auf, sondern verschließt das Ende des Ankerstifts 12a. Stattdessen weist der Ankerstift 12a seitliche Öffnungen 66 auf, durch die Fluid, das am Betätigungselement 12b vorbeigeströmt ist, in den Hohlraum 58 im Ankerstift 12a strömen kann.
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Bei der 2 ist der Außendurchmesser des Ankerstifts 12a größer als der Außendurchmesser des Betätigungselements.
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Ansonsten kann das Druckregelventil der 2 genauso wie das der 1 aufgebaut sein.
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Die 3 zeigt einen vorderen Abschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Druckregelventils 10, bei dem das Betätigungselement 12b keine Seitenkanäle aufweist, sondern das Fluid direkt aus einem Absteuerraum 68 zwischen dem Betätigungselement 12b und dem Ventilsitz 14 in die Abströmöffnungen 18 strömt, die seitlich und in radialer Richtung im Ventilkörper 20b vorgesehen sind.
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In der 3 ist zu erkennen, dass das Dichtelement 42 in der Form einer Ventilkugel in einer Kalotte 70 in der Spitze 40 des Betätigungselements 12b angeordnet sein kann. Aufgrund der guten Zentrierbarkeit durch die Führung 26 kann die Kalotte 70 im Betätigungselement 12b vorgefertigt sein. Ein aufwendiger Prägeprozess im montierten Zustand ist nicht mehr erforderlich. Da die Herstellung der Kalotte 70 nicht mehr unbedingt durch Prägung erfolgen muss, ist eine Erhöhung der Kalottentiefe möglich. Eine seitliche Schwingungsbewegung der Ventilkugel 42 bedingt durch die Instabilität der Strömung im Absteuerraum 68 wird somit effektiver vermieden. Folglich ist die Robustheit gegen die Entstehung störender Geräusche größer.
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Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die Härte des Betätigungselementes 12b unabhängig von der Tiefe der Kalotte 68 auszulegen. Das Betätigungselement 12b kann härter ausgelegt werden und somit robuster gegen Transport- und Handling-Beschädigungen sein.
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Das Betätigungselement 12b weist an seinem Ende 54 in Richtung Ankerstift 12a eine kugelförmige Oberfläche mit Radius R auf. Der Radius R ist so ausgelegt, dass das Zentrum der theoretischen Kugel identisch mit dem Zentrum der Kalotte 70 ist. Somit wird gewährleistet, dass die Krafteinleitung vom Aktor 22 auf das Betätigungselement 12b und vom Betätigungselement 12b auf das Dichtelement 42 immer zentrisch ist, auch wenn das Betätigungselement 12b innerhalb des Spieles der Führung 26 leicht kippt.
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Beim Öffnen und Schließen des Ventils 10 wird das Dichtelement 42 über die Kalotte 70 vom Betätigungselement 12b mitgenommen. Speziell beim Schließen wird dank der guten Koaxialität zwischen der Führung 23 und dem Ventilsitz 14 gewährleistet, dass das Dichtelement 42 den Ventilsitz 14 zentrisch trifft. Somit wird vermieden, dass die Ventilkugel 42 mit deutlichen Reibungsverlusten entlang einer Seite des Ventilsitzes 14 rutschen muss und dass das Betätigungselement 12b sich aufgrund der seitlichen Reaktionskräfte verkantet. Folglich steigt die Robustheit gegenüber einer Schließhysterese.
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Ansonsten kann das Druckregelventil der 3 genauso wie das der 1 oder 2 aufgebaut sein.
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Die 4A bis 4D zeigen das Betätigungselement 12b aus verschiedenen Ansichten. Das Betätigungselement weist einen zylindrischen Grundkörper auf, der an einem Ende in eine Spitze 40 mit der Kalotte 70 übergeht. An einem gegenüberliegenden Ende weist es eine abgerundete Oberfläche 54 auf.
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Die Betätigungselement 12b weist drei Seitenkanäle 60 auf, die in axialer Richtung A verlaufen. Jeder der Seitenkanäle 60 weist einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf. Im Bereich der Spitze 40 des Betätigungselements 12b weitet sich der Querschnitt der Seitenkanäle 60 derart auf, dass sie die Kalotte 70 berühren.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
