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Die Erfindung betrifft ein Ventilgehäuse mit einer Ventilbohrung, ein Ventil mit einem solchen Ventilgehäuse und ein Herstellungsverfahren für eine Ventilbohrung in einem Ventilgehäuse sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer Herstellungsform für eine Ventilbohrung in einem Ventilgehäuse.
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Ventilgehäuse mit Ventilbohrungen sind weitläufig bekannt. Eine solche Ventilbohrung nimmt einen Ventilstößel auf, der innerhalb der Ventilbohrung axial und/oder rotatorisch bewegbar ist. Durch diese Bewegung kann das zugehörige Ventil betätigt werden, also geöffnet oder geschlossen werden. Der Ventilstößel wird normalerweise durch die Ventilbohrung geführt. Die Ventilbohrung dient dann also als Axial- und/oder Radialführung des Ventilstößels. Der Ventilstößel kann als Ventilkolben bzw. Längsschieber ausgeführt sein. Ein Ventilgehäuse kann auch mehrere Ventilbohrungen beinhalten. Eine Ventilbohrung kann auch mehrere Ventilkolben führen. Ein Ventilgehäuse mit einem einzigen Ventilkolben in einer Ventilbohrung ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 111 737 A1 bekannt.
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Üblich sind Ventilbohrungen mit geradliniger Symmetrielinie, beispielsweise zylindrische Bohrungen. Auch sind Ventilbohrungen bekannt, bei denen der Durchmesser in diskreten Stufen variiert. Dies dient beispielsweise zur Führung gestufter Ventilkolben oder zur Führung mehrerer Ventilkolben mit unterschiedlichen Außendurchmessern oder zur Führung von Rückstellfedern für die Ventilkolben. Hierbei werden die Durchmesser in Vorschubrichtung des zur Herstellung der Ventilbohrung verwendeten Bearbeitungswerkzeuges normalerweise kleiner.
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Üblicherweise wird das Ventilgehäuse losgelöst von der Baugruppe, an die es später befestigt werden soll, fertig bearbeitet. Insbesondere wird das Ventilgehäuse separat eingespannt und zur Herstellung der Ventilbohrung(en) beispielsweise mit spanenden Fertigungsmethoden bearbeitet. Wird das fertige Ventilgehäuse nun bei der Montage an einer anderen Baugruppe befestigt, kann es infolge mechanischer Spannungen deformiert werden. Dies ist beispielsweise häufig der Fall, wenn das Ventilgehäuse auf oder mit anderen Baugruppen verschraubt wird.
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Diese Deformation des Ventilgehäuses bewirkt eine Deformation der darin befindlichen Ventilbohrung(en). Diese kann dazu führen, dass zwischen dem in die Ventilbohrung eingeführten Ventilkolben, der normalerweise geradlinig gefertigt und radialsymmetrisch ist, einerseits und der deformierten Ventilbohrung andererseits eine erhöhte Reibung herrscht. Hierdurch kann ein schlechtes Regelverhalten des Ventils hervorgerufen werden oder der Ventilkolben kann sogar klemmen.
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Es ist daher bekannt, die nominale Deformation der Ventilbohrung entweder dadurch zu berücksichtigen, dass der Durchmesser der Ventilbohrung pauschal vergrößert wird, oder dadurch, dass der Durchmesser des Ventilkolbens pauschal verringert wird. In beiden Fällen erhöht sich die ungewollte Spaltleckage des Ventils, was wiederum die Effizienz des Ventils verringert.
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Aufgabe ist es daher, die Energieeffizienz und Regelbarkeit eines Ventils zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hautpansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.
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Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass die Deformationen eines Ventilgehäuses, sei es durch die spätere Montage oder durch den späteren bestimmungsgemäßen Betrieb des Ventils, mittlerweile sehr präzise im Vorhinaus ermittelbar ist. Dies ist auf die heute üblichen numerischen Bauteilsimulationen einerseits, sowie auf die standardisierten oder zumindest herstellerseitig vorgegebenen Einbau und Betriebsbedingungen andererseits zurückzuführen.
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Somit ist es möglich, die zu erwartenden mechanischen Spannungen im Ventilgehäuse nach dessen Montage an eine übergeordnete Baugruppe oder im späteren bestimmungsgemäßen Betrieb zu ermitteln. Dies erfolgt insbesondere mittels bekannter und gebräuchlicher Finite-Elemente-Methoden (FEM) oder durch Ausmessen an einem montierten Versuchsventilgehäuse.
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Anhand dieser vorab ermittelten, zu erwartenden mechanischen Spannungen im Ventilgehäuse ist wiederum die voraussichtliche Deformation des Ventilgehäuses und damit der darin enthaltenen Ventilbohrung(en) ermittelbar. Beispielsweise kann die voraussichtliche Deformation in Kenntnis des geplanten Werkstoffes für das Ventilgehäuse durch bekannte Methoden, beispielsweise ebenfalls gebräuchlicher FEM, ermittelt werden. Sie kann allerdings ebenso an einem montierten Versuchsventilgehäuse ausgemessen werden.
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Grundidee der Erfindung ist es, die voraussichtliche Deformation der Ventilbohrung bei deren Herstellung so zu berücksichtigen, dass die tatsächlich hergestellte Ventilbohrung anschließend, also insbesondere nach der Montage an eine übergeordnete Baugruppe oder im bestimmungsgemäßen Betrieb des Ventils, eine gewünschte Form aufweist. D. h. im späteren tatsächlichen Zustand der Ventilbohrung soll deren Deformation so ausgeglichen sein, dass ihre tatsächliche Form weitestgehend der gewünschten Form entspricht.
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Die gewünschte Form korrespondiert hierbei insbesondere mit der äußeren Form eines für die Bohrung vorgesehenen Ventilstößels. Somit liegt dieser besonders reibungsarm und dicht innerhalb der Ventilbohrung an. Hierbei kann auch die thermische Größenänderung und/oder eine druckbedingte Verformung des Ventilstößels im Betrieb berücksichtigt werden. Auch diese sind mittels geeigneter Berechnungsmethoden vorab ermittelbar.
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Die zu erwartende Deformation der Ventilbohrung wird also konstruktiv bereits bei der Auslegung der Bohrung vorgehalten. Es wird demnach die bei Ventilbohrungen bisher übliche Restriktion gelockert, dass diese schon bei der Herstellung geradlinig oder stückweise konstante Durchmesser besitzen müssen.
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Es wird daher zunächst ein Verfahren zur Ermittlung einer Herstellungsform einer Ventilbohrung in einem Ventilgehäuse für ein Ventil vorgeschlagen. Dabei wird in einem ersten Schritt die voraussichtliche Deformation der Ventilbohrung nach deren Herstellung ermittelt. Hierbei kann insbesondere die voraussichtliche Deformation durch eine Montage des Ventilgehäuses an eine übergeordnete oder andere Baugruppe ermittelt werden (Deformation zwischen Herstellung der Bohrung und Montage des Ventilgehäuses). Es kann alternativ oder zusätzlich auch die voraussichtliche Deformation durch den bestimmungsgemäßen Betrieb des Ventilgehäuses bzw. Ventils ermittelt werden (Deformation zwischen Herstellung der Bohrung und bestimmungsgemäßen Betrieb). In einem zweiten Schritt wird dann die Herstellungsform für die Ventilbohrung derart an die Deformation angepasst, dass sie die Deformation ausgleicht.
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Als Herstellungsform ist dabei diejenige dreidimensionale Form der Ventilbohrung zu verstehen, welche unmittelbar mittels eines geeigneten Herstellungsverfahrens realisiert werden soll. Die Herstellungsform der Ventilbohrung plus die voraussichtliche Deformation der Ventilbohrung ergeben die tatsächlich gewünschte Form für die Ventilbohrung. Die gewünschte Form weicht also von der Herstellungsform ab. Die Herstellungsform kann daher auch als deformationsausgleichend bezeichnet werden.
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Die gewünschte Form kann insbesondere ein Zylinder oder ein Konus sein oder zumindest zylindrische und/oder konische Abschnitte umfassen. Die gewünschte Form entspricht insbesondere einer äußeren, meist zylindrischen Form des für die Ventilbohrung vorgesehenen Ventilstößels. Somit passt der für die Ventilbohrung vorgesehene Ventilstößel nach der Montage des Ventilgehäuses bzw. im Betrieb des Ventils exakt in die Ventilbohrung (welche dann die gewünschte Form aufweist) und kann dort reibungsarm und dicht angeordnet bzw. bewegt werden.
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Da die Anpassung der Herstellungsform der Ventilbohrung im zweiten Schritt möglichweise eine Rückwirkung auf die voraussichtliche Deformation haben kann, kann das Verfahren auch iterativ angewendet werden. Der erste Schritt und der zweite Schritt können zur Ermittlung einer optimalen Herstellungsform somit beliebig oft wiederholt werden.
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Die Iteration kann beispielsweise mit der gewünschten Form gestartet werden, d. h. als Herstellungsform wird zuerst von der gewünschten Form ausgegangen, für welche dann im ersten Schritt die voraussichtliche Deformation ermittelt wird. Diese Deformation wird dann im zweiten Schritt ausgeglichen, wodurch eine erste Iteration für die Herstellungsform erhalten wird. Mit dieser kann die Herstellung der Ventilbohrung direkt erfolgen oder es kann mit ihr erneut der erste Schritt ausgeführt werden, usw. Alternativ kann auch mit anderen Formen für die Ventilbohrung die Iteration gestartet werden, beispielsweise mit Erfahrungswerten für die Form.
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Wie obig erläutert, berücksichtigt die voraussichtliche Deformation bevorzugt zumindest eine Montage des fertigen Ventils, insbesondere an eine andere Baugruppe. Die andere Baugruppe kann beispielsweise ein Kraftfahrzeuggetriebe oder ein anderes Aggregat oder Einrichtung sein. Diese Deformation kann insbesondere auf Grundlage von Anzugsmomenten von Verschraubungen oder anderer Befestigungskräfte ermittelt werden. Besonders bevorzugt berücksichtigt die voraussichtliche Deformation zusätzlich auch eine Deformation im bestimmungsgemäßen Betrieb des Ventils. Diese Deformation kann insbesondere auf Grundlage von thermischen Ausdehnungen des Ventilgehäuses ermittelt werden und/oder auf Grundlage von Druckverhältnissen im Ventilgehäuse.
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Unter einem bestimmungsgemäßen Betrieb ist insbesondere der übliche Betrieb zu verstehen, dem das jeweilige Bauteil unterliegt und für welchen das Bauteil ausgelegt ist. Eine besondere Kenngröße des bestimmungsgemäßen Betriebs bildet vorliegend die durchschnittliche Betriebstemperatur, welcher das Ventil bzw. das Ventilgehäuse ausgesetzt ist. In Verbindung mit dem geplanten Werkstoff für das Ventilgehäuse ergibt sich hieraus die thermische Ausdehnung des Ventilgehäuses, die sich zwischen der Herstellung der Ventilbohrung und dem bestimmungsgemäßen Betrieb ergibt. Daraus kann wiederum die entsprechende voraussichtliche thermische Deformation der Ventilbohrung bestimmt werden. Entsprechendes gilt für die Druckverhältnisse im Ventilgehäuse.
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Bevorzugt wird die voraussichtliche Deformation wie folgt ausgeglichen:
- • An voraussichtlich extrudierend deformierenden Bereichen der Ventilbohrung sieht die Herstellungsform der Ventilbohrung einen erhöhten Werkstoffabtrag vom Ventilgehäuse vor.
- • An voraussichtlich intrudierend deformierenden Bereichen der Ventilbohrung sieht die Herstellungsform einen reduzierten Werkstoffabtrag vom Ventilgehäuse vor.
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In diesem Zusammenhang bedeutet eine extrudierende Deformation ein Austreten von Werkstoff aus der Bohrungsoberfläche der Ventilbohrung, beispielsweise eine Ausbeulung, und eine intrudierende Deformation bedeutet eine Eintreten bzw. Zurückweichen von Werkstoff in die Bohrungsoberfläche, beispielsweise eine Einbeulung.
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Es wird hierbei von einer ursprünglichen Herstellungsform ausgegangen, welche die voraussichtliche Deformation nicht berücksichtigt. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine rein zylindrische oder konische Form, die mit üblichen Bohrverfahren herstellbar ist. Für den erhöhten Werkstoffabtrag wird im Rahmen der Herstellung der Ventilbohrung daher mehr Werkstoff vom Ventilgehäuse abgenommen, als es die ursprüngliche Herstellungsform vorsieht. Und für den reduzierten Werkstoffabtrag wird im Rahmen der Herstellung der Ventilbohrung daher weniger Werkstoff vom Ventilgehäuse abgenommen, als es die ursprüngliche Herstellungsform vorsieht.
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Somit kann sich insbesondere eine unsymmetrische Herstellungsform für Ventilbohrung ergeben. Insbesondere kann ein Querschnitt der Herstellungsform der Ventilbohrung somit in einem oder mehreren Bereichen oval oder kleeblattförmig ausgebildet sein.
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Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer Ventilbohrung in einem Ventilgehäuse für ein Ventil vorgeschlagen. Hierbei wird die Herstellungsform der Ventilbohrung zunächst wie obig vorgeschlagen ermittelt, gegebenenfalls iterativ. Anschließend wird die Herstellungsform der Ventilbohrung in das Ventilgehäuse eingebracht. Das Einbringen kann mittels geeigneter Herstellungsverfahren erfolgen, beispielsweise per Fräsen oder Funkenerosion. Das Ventilgehäuse mit der Ventilbohrung können auch per 3D-Druck erzeugt werden oder per Sinter- oder Gussverfahren. Die Ventilbohrung muss daher nicht zwangsläufig durch ein Bohrverfahren hergestellt worden sein.
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Besonders bevorzugt wird die Ventilbohrung per Freiformbohren in das Ventilgehäuse eingebracht. Freiformbohren ermöglicht die Herstellung von Öffnungen mittels eines Bohrverfahrens, die keinen streng kreisrunden Querschnitt aufweisen. Eine Freiformbohrung wird üblicherweise mit einer elektromagnetisch gelagerten Werkzeugspindel gefertigt. Im Gegensatz zu konventionellen, mit Gleit- oder Wälzlagern gelagerten Werkzeugspindeln schwebt bei einer solchen Freiformbohrmaschine ein Rotor mit einer Werkzeugspindel und dem darauf aufgesetzten Bohrwerkzeug im Magnetfeld von Elektromagneten. Hierdurch kann während des Bearbeitungsvorgangs der Rotor und somit das Werkzeug relativ zum Werkstück dynamisch bewegt, insbesondere geschwenkt, werden. Eine solche Werkzeugspindel samt zugehöriger Werkzeugmaschine ist beispielsweise der
DE 10 2013 218 888 A1 entnehmbar.
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Es wird auch ein Ventilgehäuse mit einer Ventilbohrung zur Aufnahme eines axial und/oder radial innerhalb der Ventilbohrung beweglichen Ventilstößels, wie beispielsweise einem Ventilschieber, vorgeschlagen. Hierbei ist die Form der Ventilbohrung an die voraussichtliche Deformation der Ventilbohrung nach deren Herstellung angepasst. Die voraussichtliche Deformation und die zur Herstellungsform für die Ventilbohrung wurden hierbei insbesondere wie obig erläutert ermittelt. Bevorzugt korrespondiert die Form der Ventilbohrung unter der voraussichtlichen Deformation (also die oben erwähnte gewünschte Form) zu der äußeren Form des Ventilstößels. Somit kann der Ventilstößel reibungsarm und dicht in der Ventilbohrung bewegt werden.
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Es wird auch ein Ventil vorgeschlagen, insbesondere ein Hydraulikventil, das ein solches Ventilgehäuse aufweist. Ein solches Ventil wird insbesondere in einem Kraftfahrzeuggetriebe eingesetzt. Grundsätzlich kann es allerdings auch bei beliebig anderen fluidtechnischen Anlagen, beispielsweise Hydraulik- oder Pneumatiksystemen, eingesetzt werden, beispielsweise im Anlagenbau.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Dabei zeigen:
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1 ein nicht-deformiertes Ventilgehäuse mit einer Ventilbohrung,
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2 das Ventilgehäuse nach 1 im deformierten Zustand,
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3 ein nicht-deformiertes Ventilgehäuse mit einer Ventilbohrung in einer deformationsausgleichenden Herstellungsform,
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4 das Ventilgehäuse nach 3 im deformierten Zustand.
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In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Bauteile bzw. Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Ventilgehäuse 1 für ein Ventil mit einer darin eingebrachten Ventilbohrung 2. Die Ventilbohrung 2 dient in Verbindung mit einem hierin vorgesehenen und darin beweglich, insbesondere verschiebbar, geführten zylinderförmigen Ventilstößel 3 in an sich bekannter Weise zum Einstellen einer Fluidströmung durch das Ventil, beispielsweise zum Einstellen eines Fluiddruckes oder Fluidvolumenstroms an dem Ventil.
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Das Ventilgehäuse 1 ist hierbei noch nicht montiert. Beispielsweise wurde die Ventilbohrung 2 gerade darin eingebracht. Somit ist das Ventilgehäuse 1 noch nicht durch die spätere Montage und die späteren Betriebsbedingungen deformiert. Die in 1 gezeigte Herstellungsform für die Ventilbohrung ist konventionell, also im Wesentlichen zylinderförmig. Die Ventilbohrung 2 wurde beispielsweise mittels eines konventionellen Bohrverfahrens in dem Ventilgehäuse 1 geschaffen.
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2 zeigt das Ventilgehäuse 1 aus 1 in einem montierten Zustand, insbesondere während eines bestimmungsgemäßen Betriebs des Ventils. Wie in 2 sichtbar, sind das Ventilgehäuse 1 und damit die darin befindliche Ventilbohrung 2 gegenüber der ursprünglichen Form gemäß 1 deformiert. Diese Deformation geht im Wesentlichen auf die mechanischen Spannungen durch die Montage des Ventilgehäuses 1, wie Anzugsmomente, sowie durch die Betriebsbedingungen, wie Temperatur und Druck, im Ventilgehäuse zurück. Diese Deformation kann dazu führen, dass der weiterhin zylinderförmige Ventilkoben 3 einer erhöhten Reibung ausgesetzt ist und seine Dichtfunktion herabgesetzt ist. Im Extremfall kann der Ventilkoben 3 in der Ventilbohrung 2 festklemmen. Dann wäre das Ventil funktionsunfähig.
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Es wird nun vorgeschlagen, die Deformation der Ventilbohrung 3 im Vorhinaus zu ermitteln, beispielsweise mittels FEM zu berechnen. Auf Grundlage dieser voraussichtlichen Deformation kann die Herstellungsform der Ventilbohrung 2 angepasst werden, sodass sie die voraussichtliche Deformation ausgleicht.
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3 zeigt eine solche Herstellungsform der Ventilbohrung 2, wie die in ein (noch) nicht-deformiertes Ventilgehäuse 1 eingebracht wurde. Die Ventilbohrung 2 wurde bevorzugt mittels Freiformbohrens in das Ventilgehäuse 1 eingebracht. Wie 3 zu entnehmen ist, ist die deformationsausgleichende Herstellungsform der Ventilbohrung 2 nicht streng zylinderförmig. Sie zeichnet sich durch eine zylindrische Grundform mit Ein- und Ausbuchtungen aus.
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Gegenüber 1 ist die Bohrungsoberfläche nach 2 nämlich an denjenigen Stellen stärker bearbeitet, d. h. es wurde dort mehr Werkstoff abgetragen, wo mit einer extrudierenden Deformation gerechnet wird, und sie ist an denjenigen Stellen weniger stark bearbeitet, d. h. es wurde weniger Werkstoff abgetragen, wo mit einer intrudierenden Deformation gerechnet wird. Dadurch ergibt sich die unsymmetrische Herstellungsform gemäß 3.
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Ziel der deformationsausgleichenden Herstellungsform gemäß 3 ist, dass die Ventilbohrung 2 im montierten und normal betriebenen Ventil, also bei einem deformierten Ventilgehäuse 1, eine gewünschte Form aufweist. Diese gewünschte Form kann beispielsweise zylinderförmig sein, wie in 4 sichtbar. Sie kann allerdings auch konusförmig sein oder eine andere beliebige geeignete Form aufweisen.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Ventilkolben 3 in die unsymmetrische Ventilbohrung 2 gemäß 3 einzuführen. Zum einen äußert sich die deformationsausgleichende Wirkung der Herstellungsform gemäß 3 gegenüber der ursprünglichen Herstellungsform gemäß 1 normalerweise nicht so stark, dass der Ventilkolben nicht mehr in die Ventilbohrung 2 in üblicher Weise eingeschoben werden kann. Somit kann der Ventilkolben 3 für gewöhnlich weiterhin in die Ventilbohrung 2 eingeschoben werden, gegebenenfalls unter einem etwas erhöhten Kraftaufwand. Es ist allerdings auch möglich, den Ventilkolben erst nach der Montage des Ventilgehäuses 1 in die Ventilbohrung 2 einzuführen, also dann, wenn bereits eine erste Deformation des Ventilgehäuses 1 stattfand und diese durch die Ventilbohrung 2 zumindest zum Teil ausgeglichen wurde. Außerdem kann der Ventilkoben 3 zur Einführung in die Ventilbohrung 2 thermisch geschrumpft werden und/oder die Ventilbohrung 2 kann dazu thermisch aufgeweitet werden.
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4 zeigt das Ventil bzw. Ventilgehäuse 2 in einem montierten Zustand im bestimmungsgemäßen Betrieb. Das Ventilgehäuse 2 ist demnach, wie bereits erläutert, deformiert. Durch die gezielt gewählte deformationsausgleichende Herstellungsform der Ventilbohrung 2 weist diese in diesem Zustand des Ventilgehäuses 2 nun die gewünschte Form auf, hier beispielhaft eine zylindrische Form. Diese gewünschte Form korrespondiert mit der äußeren Form des Ventilkolbens 3 der somit reibungsarm und gut dichtend in der Ventilbohrung 2 bewegbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilgehäuse
- 2
- Ventilbohrung
- 3
- Ventilkolben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014111737 A1 [0002]
- DE 102013218888 A1 [0027]
