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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Zumessen eines Fluids, speziell ein Brennstoffeinspritzventil, das insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dient. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von Kraftfahrzeugen.
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Aus der
DE 10 2012 210 134 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum dient. Das bekannte Brennstoffeinspritzventil umfasst ein Gehäuse mit einer brennraumseitigen Spritzöffnung, eine im Gehäuse linear bewegliche, nach außen öffnende Ventilnadel zum Öffnen und Schließen der Spritzöffnung, einen Piezoaktor zum Bewegen der Ventilnadel, eine dem Brennraum zugewandte, erste Anschlagfläche an der Ventilnadel und eine der ersten Anschlagfläche gegenüber liegende zweite Anschlagfläche am Gehäuse. Bei einer maximal möglichen Bewegung der Ventilnadel mit dem Piezoaktor in Öffnungsrichtung ist die erste Anschlagfläche an der zweiten Anschlagfläche anschlagbar. Ferner ist eine Hülse fest auf der Ventilnadel montiert. Ein Ring ist auf der Ventilnadel entlang der Längsachse verschiebbar angeordnet. Zwischen einem Absatz an der Hülse und dem Ring ist eine Feder eingesetzt, die sich somit mit einem Ende an einem bezüglich der Ventilnadel ortsfesten Punkt abstützt. Das andere Ende der Feder stützt sich gegen den beweglichen Ring ab. Der Anschlag zwischen den beiden Anschlagflächen wird durch die Feder gedämpft. Dadurch wird der Verschleiß an den Anschlagflächen reduziert, und die Belastung des gesamten Brennstoffeinspritzventils durch den Kraftimpulswert verringert.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind. Insbesondere können eine kleine Baulänge, geringe Querkräfte auf die Ventilnadel und kleine Federsteifigkeiten realisiert werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
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Bei dem Ventil wirkt die Ventilnadel mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammen. Die Ventilsitzfläche kann hierbei beispielsweise an einem Düsenkörper des Ventils ausgestaltet sein. Der Begriff der Ventilnadel ist allgemein zu verstehen und umfasst auch mehrteilige Ausgestaltungen, bei denen die Ventilnadel beispielsweise einen Ventilschließkörper aufweisen kann. Der zum Betätigen der Ventilnadel dienende Aktuator kann direkt oder mittelbar auf die Ventilnadel einwirken.
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Die zumindest eine Federscheibe kann die Funktion einer Ventilfeder übernehmen. Hierbei ist vorzugsweise keine zusätzliche Ventilfeder mehr erforderlich. Allerdings ist es prinzipiell denkbar, dass zusätzlich eine Ventilfeder vorgesehen ist, die dann entsprechend schwächer und somit kleiner ausgebildet sein kann. Vorzugsweise sind zwei Federscheiben vorgesehen.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, dass eine zuverlässige Abstützung der Federscheibe direkt oder indirekt an der Ventilnadel erfolgen kann, wodurch bei der Betätigung der Ventilnadel eine hohe Rückstellkraft abgestützt werden kann. Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 hat den Vorteil, dass bei der Herstellung des Ventils eine Schließkraft durch axiales Verschieben des Einstellrings einstellbar ist. Dies ermöglicht die Einstellung einer definierten Vorspannung, mit der der Dichtsitz beaufschlagt wird, wenn die Ventilnadel nicht betätigt ist. Somit kann gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 4 ein geeigneter Ausgangswert für die Rückstellkraft eingestellt werden.
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Das gemäß Anspruch 5 ausgebildete Ventil hat den Vorteil, dass sowohl eine einfache Montage als auch eine kompakte Ausgestaltung mit ein oder mehreren Federscheiben ermöglicht ist, die vorzugsweise hintereinander entlang einer Längsachse der Ventilnadel auf diese aufgebracht werden. Hierbei hat die Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 den weiteren Vorteil, dass eine Elastizität beziehungsweise Federkonstante geometrisch eingestellt werden kann und dass Querkräfte auf die Ventilnadel reduziert sind.
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Die mögliche Weiterbildung gemäß Anspruch 7 hat den Vorteil, dass eine kleinere Federsteifigkeit und/oder ein größerer Maximalhub im Vergleich zu einer einzelnen Federscheibe realisiert werden kann. Über die Anzahl der zwei oder mehr Federscheiben ist hierbei eine einfache Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall möglich, wobei die Federscheiben insbesondere hintereinander auf der Ventilnadel angeordnet sein können.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch 8 hat den Vorteil, dass zusätzliche Einflussgrößen bezüglich der Elastizität zumindest weitgehend reduziert sind. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, wenn die bezüglich der Ventilsitzfläche ortsfeste Auflagefläche direkt an einem gegebenenfalls vorgesehenen Düsenkörper oder einem mit diesem verbundenen Bauteil ausgestaltet ist.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch 9 hat unter anderem den Vorteil, dass sich reduzierte Querkräfte auf die Ventilnadel ergeben und geometrisch eine kleinere Federsteifigkeit eingestellt werden kann, wodurch eine reduzierte Reibung auf Lagerungen der Ventilnadel, kleinere Verformungen der Ventilnadel, ein geringerer Verschleiß am Ventilsitz und reduzierte Schaltkräfte erreichbar sind.
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Die Weiterbildung gemäß Anspruch 10 hat den Vorteil, dass zwei benachbarte Federscheiben in vorteilhafter Weise miteinander gekoppelt werden können. Hierbei können auch mehrere Paare von Federscheiben entsprechend der Weiterbildung gemäß Anspruch 10 paarweise mit ihren äußeren Randbereichen aneinander anliegen und innerhalb des äußeren Randbereichs voneinander beabstandet sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein als Brennstoffeinspritzventil ausgebildetes Ventil zum Zumessen eines Fluids in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 einen schematischen Schnitt durch das in 1 dargestellte Brennstoffeinspritzventil entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie;
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3 den in 1 mit III bezeichneten Ausschnitt in einer detaillierten Darstellung und
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4 eine Federscheibe des in 1 dargestellten Brennstoffeinspritzventils des Ausführungsbeispiels in einer schematischen Darstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein als Brennstoffeinspritzventil 1 ausgebildetes Ventil 1 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil dient insbesondere zum direkten Einspritzen und/oder Einblasen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Speziell kann das Brennstoffeinspritzventil 1 bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen. Als flüssiger oder gasförmiger Brennstoff kann hierbei ein brennbares Fluid, beispielsweise ein Benzin- oder Dieselbrennstoff oder ein brennbares Gas, insbesondere Erdgas, zum Einsatz kommen. Ein anderer bevorzugter Anwendungsfall stellt die Einspritzung von Fluiden in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine dar, um beispielsweise eine Abgasnachbehandlung durchzuführen. Das Ventil kann hierfür beispielsweise zum Einspritzen einer Harnstoff enthaltenden wässrigen Lösung dienen.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein mehrteiliges Gehäuse 2 auf, das einen Düsenkörper 3 und Gehäuseteile 4, 5, 6 umfasst. Innerhalb des rohrförmigen Gehäuseteils 5 ist ein Aktuator 6 angeordnet, der insbesondere als piezoelektrischer oder elektromagnetischer Aktuator 6 und/oder in Form eines Stellmoduls 6 ausgebildet sein kann. Ferner ist ein Brennstoffzulauf 7 vorgesehen, an den auf geeignete Weise eine Verbindung mit einem Common-Rail oder dergleichen möglich ist. Im Betrieb wird Brennstoff von dem Brennstoffzulauf 7 über ein Brennstoffrohr 8 in einen Brennstoffraum 9 innerhalb des Düsenkörpers 3 geführt. Das Brennstoffrohr 8 dient hierbei zum Transport des Brennstoffs durch das rohrförmige Gehäuseteil 5.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist außerdem eine innerhalb des Düsenkörpers 3 entlang einer Längsachse (Achse) 10 geführte Ventilnadel 11 auf. Die Ventilnadel 11 kann hierbei ein- oder mehrteilig ausgestaltet sein. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Ventilnadel 11 einen Ventilschließkörper 12 auf, der mit einer an dem Düsenkörper 3 ausgebildeten Ventilsitzfläche 13 zu einem Dichtsitz zusammen wirkt.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als außenöffnendes Einspritzventil 1 ausgeführt. Bei einer Betätigung der Ventilnadel 11 in einer Öffnungsrichtung 14, was durch den Aktuator 6 erfolgt, wird der Dichtsitz geöffnet, so dass Brennstoff aus dem Brennstoffraum 9 über den geöffneten Dichtsitz in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die Öffnungsrichtung 14 ist entlang der Längsachse 10 orientiert. Ferner ist das Brennstoffeinspritzventil 1 so ausgestaltet, dass die Ventilnadel 11 und der Aktuator 6 an der Längsachse 10 ausgerichtet sind.
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Zum Schließen der Ventilnadel 11 wird über zumindest eine Federscheibe 15, 16 eine Schließkraft aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Federscheiben 15, 16, nämlich eine erste Federscheibe 15 und eine zweite Federscheibe 16, vorgesehen. Die Federscheiben 15, 16 können in diesem Ausführungsbeispiel zusammen mit dem Druck im Brennraum den Ventilschließkörper 12 gegen die Ventilsitzfläche 13 beaufschlagen, wenn die Ventilnadel 11 geschlossen ist. Somit kann über die Federscheiben 15, 16 auch eine Vorspannung bei geschlossener Ventilnadel 11 aufgebracht werden. Die Federscheiben 15, 16 ermöglichen hierdurch eine Nadelabdichtung für die Ventilnadel 11. Eine Schraubendruckfeder oder dergleichen kann hierdurch vorzugsweise entfallen.
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Die Erzeugung der Schließkraft mit den Federscheiben 15, 16 hat gegenüber Schraubendruckfedern oder dergleichen mehrere Vorteile. Ein erster Gesichtspunkt ist, dass eine kleinere Baulänge 17, die sich hier entlang der Längsachse 10 ergibt, ausreicht. Da die Federscheiben 15, 16 auf der Ventilnadel 11 zwischen einem mit dem Düsenkörper 3 verbundenen Auflageteil 18 und einem mit der Ventilnadel 11 verbundenen Einstellring 19 angeordnet sind, ergibt sich dadurch auch die Möglichkeit, die Ventilnadel 11 kürzer auszugestalten. Dadurch ergeben sich geringere Hubverluste an der Ventilnadel 11 und somit reduzierte Anforderungen an das Stellvermögen des Aktuators 6, was insgesamt geringere Kosten bedeutet. Auch ergibt sich hierdurch die Möglichkeit, das Gehäuse 2 kürzer zu bauen.
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Ein zweiter Gesichtspunkt besteht darin, dass auf die Ventilnadel 11 wirkende Querkräfte reduziert sind. Hierdurch kann eine reduzierte Reibung auf Lagerungen der Ventilnadel 11 erzielt werden, was ein schnelleres Schließen und Öffnen der Ventilnadel 11 ermöglicht und einen reduzierten Verschleiß zur Folge hat. Ferner ergeben sich kleinere Verformungen der Ventilnadel 11, was das Abstrahlbild beim Einspritzen von Brennstoff verbessert. Des weiteren ergibt sich ein geringerer Verschleiß am Dichtsitz, was die Ventilsitzfläche 13 und/oder den Ventilschließkörper 12 betrifft.
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Ein dritter Gesichtspunkt stellt die Möglichkeit dar, kleinere Federsteifigkeiten zu realisieren. Dies ermöglicht reduzierte Schaltkräfte, die von dem Aktuator 6 aufzubringen sind, was unter anderem den Vorteil eines reduzierten Verschleißes hat.
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2 zeigt einen schematischen Schnitt durch das in 1 dargestellte Brennstoffeinspritzventil 1 entsprechend dem Ausführungsbeispiel entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie. Die Federscheiben 15, 16 sind hierbei vorzugsweise baugleich ausgeführt. Die Federscheibe 16 weist eine Aussparung 25 auf. Die Aussparung 25 und das Brennstoffrohr 8 sind hierbei aneinander angepasst ausgestaltet, damit das Brennstoffrohr 8 koaxial zu der Längsachse 10 durch die Aussparung 25 geführt werden kann. Vorzugsweise weist die Federscheibe 16 eine weitere Aussparung 26 auf. Die Aussparung 26 ist hierbei vorzugsweise entsprechend der Aussparung 25 ausgestaltet. Ferner ist die Aussparung 26 bezüglich der Längsachse 10 symmetrisch zu der Aussparung 25 ausgestaltet, um eine symmetrische Krafteinleitung in die Ventilnadel 11 zu ermöglichen. Die Federscheibe 16 weist einen äußeren Randbereich 27 auf, der bis auf Unterbrechungen an den Aussparungen 25, 26 als umlaufender Ring ausgebildet ist. Am äußeren Randbereich 27 wirkt die Federscheibe 16 mit der Federscheibe 15 zusammen.
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Die Federscheibe 16 weist mehrere Stege 28, 29, 30 auf, wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur die Stege 28 bis 30 gekennzeichnet sind. Die Stege 28 bis 30 erstrecken sich von dem äußeren Randbereich 27 radial nach innen. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Federscheibe 16 acht Stege 28 bis 30 auf. Zwischen den Stegen weist die Federscheibe 16 Aussparungen 31 auf. Zur Vereinfachung der Darstellung ist hierbei exemplarisch eine Aussparung 31 gekennzeichnet, die die Stege 28, 29 voneinander trennt.
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3 zeigt den in 1 mit III bezeichneten Ausschnitt des Brennstoffeinspritzventils 1 in einer detaillierten Darstellung. Die Federscheiben 15, 16 weisen jeweils eine mittige Durchgangsöffnung 35, 35' auf, durch die sich die Ventilnadel 11 entlang ihrer Längsachse 10 erstreckt. Hierdurch können die Federscheiben 15, 16 auf die Ventilnadel 11 gefügt werden. Die zweite Federscheibe 16 liegt mit ihrem äußeren Randbereich 27 an einem äußeren Randbereich 27' der Federscheibe 15 an. Aus Festigkeitsgründen liegen die Federscheiben 15, 16 hierbei nur aneinander an, wobei keine formschlüssige Verbindung, wie zum Beispiel Schweißen, vorgesehen ist, was aber bei einer abgewandelten Ausgestaltung prinzipiell denkbar ist. Zur Federkrafteinstellung, insbesondere zur Einstellung der Schließkraft, kann der Einstellring 19 bei der Montage axial verschoben werden, was insbesondere in einer Einstellrichtung 36 möglich ist, bis der gewünschte Einstellwert erreicht ist. Somit kann die entgegen der Öffnungsrichtung 14 wirkende Schließkraft 37 eingestellt werden. Nach der Einstellung wird der Einstellring 19 vorzugsweise durch eine Schweißnaht 38 mit der Ventilnadel 11 verbunden.
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In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Einstellung der Schließkraft 37 durch Verschieben des Einstellrings 19 gegenüber dem Auflageteil 18, das wiederum an dem Düsenkörper 3 abgestützt und auf geeignete Weise mit diesem verbunden ist. An dem Auflageteil 18 ist hierfür eine Auflagefläche 39 ausgebildet, die aufgrund der vorgegebenen Konstruktion ortsfest bezüglich der Ventilsitzfläche 13 ist. An dem mit der Ventilnadel 11 stoffschlüssig verbundenen Einstellring 19 ist ebenfalls eine Auflagefläche 40 ausgebildet, die aufgrund der vorgegebenen Konstruktion ortsfest bezüglich dem Ventilschließkörper 12 der Ventilnadel 11 ist. Wenn die Ventilnadel 11 von dem Aktuator 6 betätigt wird, dann erfolgt eine Verstellung der bezüglich der Ventilnadel 11 ortsfesten Auflagefläche 40 relativ zu der bezüglich der Ventilsitzfläche 13 ortsfesten Auflagefläche 39. Die Auflageflächen 39, 40 werden hierbei aufeinander zu bewegt. Dadurch kommt es zu einer Spannung der Federscheiben 15, 16. Hierdurch steigt die Schließkraft 37 an.
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Die Auflagefläche 39 an dem Auflageteil 18 ist vorzugsweise kegelförmig ausgestaltet. Entsprechend ist auch die Auflagefläche 40 an dem Einstellring 19 vorzugsweise kegelförmig ausgestaltet. Die Abstützung der Federscheiben 15, 16 an den Auflageflächen 39, 40 erfolgt vorzugsweise an inneren Stützbereichen 41, 41', die sich in der Nähe der mittigen Durchgangsöffnungen 35, 35' der Federscheiben 15, 16 befinden. Die Abstützung der Federscheiben 15, 16 aneinander erfolgt hingegen an ihren äußeren Randbereichen 27, 27', die sich in der Nähe eines Außendurchmessers 42 der Federscheiben 15, 16 befinden. Bei dieser Ausgestaltung kann über die kegelförmig ausgestalteten Auflageflächen 39, 40 unter der Vorspannung eine radiale Fixierung der Federscheiben 15, 16 und somit eine Ausrichtung an der Längsachse 10 erreicht werden.
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4 zeigt die Federscheibe 16 des in 1 dargestellten Brennstoffeinspritzventils 1 des Ausführungsbeispiels in einer schematischen Darstellung. Die Federscheibe 15 ist vorzugsweise baugleich ausgeführt. Der äußere Randbereich 27 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch die Aussparungen 25, 26 unterbrochen. Entsprechend ist auch der äußere Randbereich 27' durch Aussparungen 26' (3), von denen nur die Aussparung 26' gekennzeichnet ist, unterbrochen. Bei einer abgewandelten Ausgestaltung können die Federscheiben 15, 16 allerdings auch mit umlaufend durchgehenden äußeren Randbereichen 27, 27' ausgebildet sein. Die Aussparung 25' ermöglicht allerdings die Ausführung des Brennstoffeinspritzventils 1 mit einer Brennstoffzuführung mit exzentrisch angeordnetem Brennstoffrohr 8. Dadurch kann der Außendurchmesser 42 der Federscheiben 15, 16 optimal groß vorgegeben werden, was das Federungsverhalten deutlich verbessert. Das Federverhalten der Federscheiben 15, 16 wird hierbei aufgrund der zusätzlichen Aussparungen 26, 26', die eine symmetrische Ausgestaltung der Federscheiben 15, 16 ermöglichen, optimiert.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist für die Aussparung 25 ein Radius 43 vorgegeben. Zur Ausgestaltung des Stegs 30 ist ein weiterer Radius 44 vorgegeben, der größer als der Radius 43 ist. Zwischen den Radien 43, 44 erstreckt sich ein bogenförmiger Teil 45 des Stegs 30, der die Anbindung an den äußeren Randbereich 27 ermöglicht. Der eigentlich Steg 30 erstreckt sich von dem bogenförmigen Teil 45 in radialer Richtung zu der Achse 10, die im montierten Zustand mit der Längsachse 10 der Ventilnadel 11 übereinstimmt. Für den Steg 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Winkel 46 vorgegeben, der eine Verjüngung des Steges 30 in Richtung auf die Längsachse 10 beschreibt. Der Steg 30 endet natürlich an der mittigen Durchgangsöffnung 35, um die Montage auf die Ventilnadel 11 zu ermöglichen. Hierbei grenzt der Steg 30 am inneren Stützbereich 41 an die mittige Durchgangsöffnung 35 an. Der innere Stützbereich 41 ist hierbei über die einzelnen Stege 28 bis 30 segmentiert. Die Ausgestaltung des Stegs 28 entspricht der Ausgestaltung des Stegs 30.
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Im Unterschied zu den Stegen 28, 30 ergibt sich für die übrigen Stege 29 in diesem Ausführungsbeispiel eine abweichende Ausgestaltung. Der exemplarisch gekennzeichnete Steg 29 erstreckt sich nämlich direkt von dem äußeren Randbereich 27 zu der Achse 10, wobei ein Winkel 47 vorgegeben ist, der eine Verjüngung des Stegs 29 zu der Achse 10 hin charakterisiert. Konstruktiv sind außerdem Abrundungen 48, 49 vorgegeben, die außerdem einen überproportionalen Anstieg der Steifigkeit in radialer Richtung zum äußeren Randbereich 27 hin gewährleisten.
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Die Federscheiben 15, 16 können aus einem hochfesten Federstahl hergestellt werden, wobei eine Wärmebehandlung möglich ist.
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Die entsprechend der Federscheibe 16 ausgestaltete Federscheibe 15 weist geometrisch gleich oder entsprechend ausgebildete Stege 28' auf, von denen in der 3 exemplarisch der Steg 28' gekennzeichnet ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012210134 A1 [0002]
