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Die Erfindung betrifft ein Sperrventil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sperrventils und einen Verbrennungsmotor mit einem derartigen Sperrventil.
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Ein Sperrventil ist beispielsweise aus
EP 3 061 961 A1 bekannt. Darin wird ein Vorkammergasventil beschrieben, bei dem eine Ventilnadel von einer Feder gegen ihren Sitz verspannt wird. Eine Kappe umgreift die Feder und ist mit der Ventilnadel durch Strahlschweißung fest verbunden. Die Kappe liegt im geöffneten Zustand des Vorkammergasventils an dem Ventilkörper auf Anschlag an. Dadurch hat die Bewegung der Ventilnadel eine definierte Endlage, von der der Strömungsquerschnitt im geöffneten Zustand abhängt. Die Betätigungskraft zur Betätigung des Sperrventils, also der Öffnungsdruck hängt von einer Vorspannung der Feder ab, die durch die Position der Kappe beeinflusst wird. Zugleich wird durch die Position der Kappe auch der Anschlag zur Begrenzung des Ventilhubs und damit der Strömungsquerschnitt eingestellt. Der Öffnungsdruck und der Strömungsquerschnitt des Ventils sind dadurch über die Position der Kappe voneinander abhängig. Eine bestimmte Position der Kappe zur möglichst genauen Einstellung eines dieser Ventilparameter kann der Genauigkeit des jeweils anderen dieser Ventilparameter nur unzureichend genügen.
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Weist das Sperrventil geringe Gesamtabmessungen auf, so sind die Maß- und Positionsgenauigkeit sowie die Materialeigenschaften der Bauteile des Sperrventils entscheidend für dessen zuverlässige Funktion. An die Fertigungs- und Montagetoleranzen sind dabei erhöhte Ansprüche zu stellen, denn diese beeinflussen die Dichtheit und Leckage des Sperrventils, sowie den Öffnungsdruck und den Strömungsquerschnitt. Das Sperrventil wird daher mit möglichst geringen Fertigungs- und Montagetoleranzen hergestellt, da diese die Ventilparameter nachteilig beeinflussen. Allerdings können diese Toleranzen, die durchaus im Bereich weniger µm liegen, bei vorgegebenem Aufwand für die Herstellung des Sperrventils nur begrenzt verringert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Sperrventil der eingangs genannten Art zu verbessern, um die Toleranzen für den Ventilhub und somit für den Strömungsquerschnitt sowie zugleich die Toleranzen für die Rückstellkraft des Federelements und somit für den Öffnungsdruck verringern zu können. Das Verfahren zur Herstellung eines Sperrventils soll verbessert werden, insbesondere kostengünstiger und schneller erfolgen. Der Strömungsquerschnitt und der Öffnungsdruck sollen hierbei möglichst genau eingestellt werden können. Weiterhin soll ein Verbrennungsmotor mit einem Sperrventil verbessert werden.
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Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch ein Sperrventil mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
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Dadurch können das Anschlagelement und das Abstützelement bei der Fertigung des Sperrventils unabhängig voneinander positioniert werden und dadurch einerseits die Rückstellkraft des Federelements bzw. der Öffnungsdruck und andererseits der Ventilhub bzw. der Strömungsquerschnitt unabhängig voneinander unter Verringerung der jeweiligen Toleranzen ausreichend genau eingestellt werden. Das Sperrventil kann präziser aufgebaut werden und die Kosten für das Sperrventil können aufgrund der jeweils geringeren Anforderungen an die Toleranzen des Federelements und an die Toleranzen des Hubelements bzw. des Verschlusselements verringert werden.
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Der durch das Sperrventil durchgeleitete Fluidstrom kann unter anderem von dem Strömungsquerschnitt der durch die Öffnungsstellung des Verschlusselements bewirkten Durchlassöffnung abhängen. Der Strömungsquerschnitt kann über den Ventilhub einstellbar sein. Der maximale Ventilhub bei Öffnungsstellung kann über eine Position des Anschlagelements einstellbar sein.
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Die Betätigungskraft zur Betätigung des Sperrventils, insbesondere zur Verschiebung des Hubelements entlang der Betätigungsachse, kann von der Rückstellkraft abhängen. Die Rückstellkraft kann über die Vorspannung des Federelements einstellbar sein. Die Vorspannung kann über eine Position des Abstützelements einstellbar sein.
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Die Positionierung kann in Bezug auf eine Position entlang der Betätigungsachse erfolgen.
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Das Sperrventil kann in einem Verbrennungsmotor angeordnet sein. Der Verbrennungsmotor kann ein Gasmotor sein. Der Verbrennungsmotor kann eine Vorkammer aufweisen. Das Sperrventil kann eine Versorgung der Vorkammer mit Fluid zur Verstärkung des Zündvorgangs in dem Verbrennungsmotor bewirken. Das Sperrventil kann einen Rückstrom von Fluid während einer Kompression und/oder einem Zündvorgang in dem Verbrennungsmotor verhindern.
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Das Sperrventil kann ein Tellerventil sein. Das Sperrventil kann ein Rückschlag- oder Rückstoßventil sein. Das Fluid kann bei Durchströmung durch das Sperrventil flüssig und/oder gasförmig sein.
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Das Hubelement kann als Ventilstössel ausgebildet sein. Das Verschlusselement kann als Ventilteller ausgebildet und fest oder einstückig mit dem Ventilstössel verbunden sein. Die Durchlassöffnung kann über das Verschlusselement fluiddicht absperrbar sein. Die Durchlassöffnung kann mit einem Fluidkanal verbunden sein, durch den das Fluid der Durchlassöffnung zuführbar ist.
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Das Federelement kann als Druckfeder, insbesondere als Schraubenfeder, ausgebildet sein. Die Federwindungen der Schraubenfeder können konzentrisch zu dem Hubelement angeordnet sein. Die Federkennlinie des Federelements kann einstufig oder mehrstufig sein. Die Rückstellkraft kann in Richtung der Schließstellung wirken.
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Das Abstützelement kann ringförmig, insbesondere als Federring, ausgebildet sein. Das Anschlagelement kann ringförmig, insbesondere als Hubring, ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind das Abstützelement und das Anschlagelement konzentrisch zueinander angeordnet.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist das Abstützelement an einem Außenumfang des Anschlagelements angeordnet. Dadurch kann eine in Bezug auf die Betätigungsachse platzsparende Anordnung ermöglicht werden. Der Bauraum des Sperrventils kann verkleinert werden. Ein Außenumfang des Anschlagelements kann kleiner, gleich oder größer als ein Innenumfang des Abstützelements sein.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind das Anschlagelement und das Abstützelement in Bezug auf die Betätigungsachse zumindest teilweise überlappend angeordnet. Das Anschlagelement und das Abstützelement können in Bezug auf die Betätigungsachse vollständig überlappend angeordnet sein.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung sind das Anschlagelement unmittelbar an dem Hubelement und das Abstützelement unmittelbar an dem Anschlagelement angeordnet. Das Anschlagelement kann unmittelbar mit dem Hubelement fest verbunden, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden sein, insbesondere verschweißt sein, besonders bevorzugt durch Laserschweißen. Das Abstützelement kann unmittelbar mit dem Anschlagelement fest verbunden, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden sein, insbesondere verschweißt sein, besonders bevorzugt durch Laserschweißen. Auch kann eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den jeweiligen Bauteilen vorliegen.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind das Anschlagelement und das Abstützelement jeweils unmittelbar an dem Hubelement angeordnet. Das Anschlagelement und das Abstützelement kann jeweils unmittelbar mit dem Hubelement fest verbunden, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden sein, insbesondere verschweißt sein, besonders bevorzugt durch Laserschweißen. Auch kann eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den jeweiligen Bauteilen vorliegen.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das Anschlagelement in Bezug auf die Betätigungsachse beabstandet oder angrenzend zu dem Abstützelement angeordnet.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung weist das Anschlagelement eine Anlagefläche auf, die zur Bewirkung der Ventilhubbegrenzung an einer Gegenanlagefläche anliegen kann. Die Gegenanlagefläche kann dem Ventilgehäuse zugeordnet sein. Die Anlagefläche und die Gegenanlagefläche können in Bezug auf die Betätigungsachse gegenüberliegend angeordnet sein. Das zwischen der Anlagefläche und der Gegenanlagefläche in Bezug auf die Betätigungsachse vorhandene Ventilhubspiel kann kleiner als ein möglicher zwischen dem Abstützelement und der Gegenanlagefläche oder dem Ventilkörper in Bezug auf die Betätigungsachse vorhandener Abstand sein, welcher den Ventilhub begrenzen könnte.
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In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung ist das Federelement einerseits an dem Abstützelement und andererseits an dem Ventilgehäuse abgestützt.
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Weiterhin wird zur Lösung wenigstens einer der zuvor genannten Aufgaben ein Verfahren zur Herstellung eines Sperrventils nach Anspruch 10 vorgeschlagen. Dadurch kann der Ausschuss bei der Herstellung des Sperrventils verringert werden. Die Herstellung kann vereinfacht werden und kostengünstiger sein. Das Sperrventil kann zuverlässiger und genauer ausgeführt werden. Bei der jeweiligen und unabhängigen Positionierung können die Toleranzen zur Einstellung der Vorspannung und damit der Rückstellkraft (Öffnungsdruck) und die Toleranzen zur Einstellung der Ventilhubbegrenzung (Strömungsquerschnitt) unabhängig voneinander berücksichtigt und durch unterschiedliches Positionieren des Abstützelements und des Anschlagelements verringert werden.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden das Abstützelement und das Anschlagelement einzeln gegenüber dem Hubelement positioniert. Zunächst kann das Abstützelement und das Anschlagelement einzeln gegenüber dem Hubelement positioniert und anschließend das Anschlagelement an dem Hubelement und das Abstützelement an dem Hubelement oder dem Anschlagelement befestigt werden,
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden zunächst das Abstützelement und das Anschlagelement zueinander positioniert und anschließend als Verbund gegenüber dem Hubelement positioniert. Zunächst kann das Abstützelement und das Anschlagelement zueinander positioniert und miteinander befestigt werden und anschließend als Verbund gegenüber dem Hubelement positioniert und mittelbar oder unmittelbar an dem Hubelement befestigt werden.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung wird das Anschlagelement an dem Hubelement durch Laserschweißen befestigt und/oder das Abstützelement an dem Hubelement oder an dem Anschlagelement durch Laserschweißen befestigt. Dadurch kann der Wärmeeintrag in die zu verschweißenden Bauteile verringert und hierdurch eine nachteilige Beeinflussung der Materialparameter und der Ventilparameter verringert werden.
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Weiterhin wird zur Lösung wenigstens einer der zuvor genannten Aufgaben ein Verbrennungsmotor nach Anspruch 14 vorgeschlagen. Dadurch können das Anschlagelement und das Abstützelement bei der Herstellung des Sperrventils unabhängig voneinander positioniert und angeordnet werden und dadurch die Toleranzen für den Öffnungsdruck und den Strömungsquerschnitt verringert werden. Die Leistung, der Schadstoffausstoß und der Verbrauch des Verbrennungsmotors werden verringert.
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In einer speziellen Ausführung der Erfindung unterbindet das Sperrventil in der Schließstellung einen Rückstrom von Fluid aus der Vorkammer. Das Sperrventil kann einen Rückstrom von Fluid während der Kompression und dem Zündvorgang in dem Verbrennungsmotor verhindern.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
- 1: Einen Querschnitt durch ein Sperrventil in einer speziellen Ausführung der Erfindung.
- 2: Einen Querschnitt durch ein Sperrventil in einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung.
- 3: Einen Querschnitt durch ein Sperrventil in einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung.
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1 zeigt einen Querschnitt durch ein Sperrventil 10 in einer speziellen Ausführung der Erfindung. Das Sperrventil 10 ist vorzugsweise ein Tellerventil und kann in einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Gasmotor, angeordnet sein. Der Verbrennungsmotor kann eine Vorkammer 12 aufweisen und das Sperrventil 10 kann eine Versorgung der Vorkammer 12 mit Fluid zur Verstärkung eines Zündvorgangs in dem Verbrennungsmotor bewirken. Insbesondere verhindert das Sperrventil 10 einen Rückstrom während einer Kompression und dem Zündvorgang in dem Verbrennungsmotor.
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Das Sperrventil 10 weist ein Ventilgehäuse 14 und eine Durchlassöffnung 16 in dem Ventilgehäuse 14 auf. Die Durchlassöffnung 16 ist mit einem Fluidkanal 18 verbunden, durch den das Fluid der Durchlassöffnung 16 zuführbar ist. Der Fluidkanal 18 ist in dem Ventilgehäuse 14 eingebracht. Die Durchlassöffnung 16 ist über ein Verschlusselement 20, hier einen Ventilteller, fluiddicht absperrbar. Das Verschlusselement 20 ist an einem Hubelement 22, hier einem Ventilstössel, befestigt und mit diesem zusammen verschiebbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden das Verschlusselement 20 und das Hubelement 22 ein einstückiges Bauteil.
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Das Hubelement 22 ist entlang einer Betätigungsachse 24 verschiebbar und weist abhängig von der Position entlang der Betätigungsachse 24 einen Ventilhub 44 auf. Die Durchlassöffnung 16 ist durch das Verschlusselement 20 abhängig von dem Ventilhub 44 in einer Öffnungsstellung freigegeben und in einer Schließstellung (hier dargestellt) versperrt. Das Hubelement 22 wird durch eine über ein Federelement 26, hier eine Schraubenfeder, bewirkte und in Richtung Schließstellung wirkende Rückstellkraft 28 zurückgestellt, sobald eine Betätigungskraft 30 geringer ist als die Rückstellkraft 28. Die Betätigungskraft 30 kann durch einen auf das Hubelement 22 bzw. das Verschlusselement 20 wirkenden Öffnungsdruck hervorgerufen sein.
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Das Federelement 26 ist über ein Abstützelement 32 zur Übertragung der Rückstellkraft 28 auf das Hubelement 22 abgestützt. Hierfür weist das Abstützelement 32 einen Abstützbereich 34 auf, an dem konzentrisch zu dem Hubelement 22 angeordnete Federwindungen 36 des Federelements 26 unmittelbar abgestützt sind. Das Federelement 26 ist einerseits an dem Abstützelement 32 und andererseits an dem Ventilgehäuse 14 abgestützt.
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Das Abstützelement 32 ist beispielsweise ringförmig ausgeführt, insbesondere als Federring und mit einem Anschlagelement 38 stoffschlüssig, hier durch Laserschweißen verbunden. Das Abstützelement 32 und das Anschlagelement 38 sind konzentrisch zueinander angeordnet und das Abstützelement 32 ist an einem Außenumfang 39 des Anschlagelements 38 angeordnet. Dadurch kann eine in Bezug auf die Betätigungsachse 24 platzsparende Anordnung ermöglicht und der Bauraum des Sperrventils 10 verkleinert werden. Der Außenumfang 39 ist dabei kleiner gleich einem Innenumfang des Abstützelements 32. Das Anschlagelement 38 und das Abstützelement 32 sind in Bezug auf die Betätigungsachse 24 vollständig überlappend angeordnet.
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Das Anschlagelement 38 ist dem Hubelement 22 zur Begrenzung des Ventilhubs 44 in Richtung Öffnungsstellung zugeordnet und an diesem stoffschlüssig, hier durch Laserschweißen, befestigt. Das Anschlagelement 38 ist ringförmig, insbesondere als Hubring ausgeführt und weist eine Anlagefläche 40 auf, die zur Bewirkung der Ventilhubbegrenzung an einer in Bezug auf die Betätigungsachse 24 gegenüberliegenden Gegenanlagefläche 42 an dem Ventilkörper 14 anliegen kann und dadurch einen maximalen Ventilhub 44 bei Öffnungsstellung vorgibt. Der zwischen der Anlagefläche 40 und der Gegenanlagefläche 42 in Bezug auf die Betätigungsachse 24 vorhandene Ventilhub 44 ist kleiner als ein möglicher zwischen dem Abstützelement 32 und der Gegenanlagefläche 42 in Bezug auf die Betätigungsachse 24 vorhandener Abstand 46, welcher den Ventilhub 44 begrenzen könnte.
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Der durch das Sperrventil 10 strömende Fluidstrom kann unter anderem von dem Strömungsquerschnitt der durch die Öffnungsstellung des Verschlusselements 20 bewirkten Durchlassöffnung 16 abhängen. Der Strömungsquerschnitt kann dabei über den Ventilhub 44 eingestellt werden und ein maximaler Strömungsquerschnitt liegt bei maximalem Ventilhub 44 in Öffnungsstellung vor. Durch die gezielte Positionierung des Anschlagelements 38 gegenüber dem Hubelement 22 kann eine Ventilhubbegrenzung, also der Betrag des maximalen Ventilhubs 44, eingestellt werden.
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Die zur Betätigung des Sperrventils 10 aufzuwendende Betätigungskraft 30, die beispielsweise durch Druckbeaufschlagung mit einem Öffnungsdruck auf das Verschlusselement 20 bewirkt werden kann und dadurch das Hubelement 22 entgegen der Rückstellkraft 28 entlang der Betätigungsachse 24 in Richtung der Öffnungsstellung verschiebt, hängt dabei hauptsächlich von der Rückstellkraft 28 ab. Die Rückstellkraft 28 kann über die Vorspannung des Federelements 26 und die Vorspannung wiederum über die gezielte Positionierung des Abstützelements 32 eingestellt werden.
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Das Anschlagelement 38 ist von dem Abstützelement 32 als getrenntes Bauteil ausgeführt. Dadurch können das Anschlagelement 38 und das Abstützelement 32 unabhängig voneinander positioniert werden und dadurch der Ventilhub 44 bzw. der Strömungsquerschnitt sowie die Federvorspannung bzw. der Öffnungsdruck unabhängig voneinander unter Verringerung der jeweiligen Toleranzen ausreichend genau eingestellt werden. Das Sperrventil 10 kann präziser aufgebaut werden, wodurch die Leistung, der Schadstoffausstoß und der Verbrauch des Verbrennungsmotors verringert werden.
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Bei der Herstellung wird zunächst das Anschlagelement 38 zur Einstellung der Ventilhubbegrenzung gegenüber dem Hubelement 22 positioniert und an dem Hubelement 22 durch Laserschweißen befestigt und anschließend das Abstützelement 32 zur Einstellung der Rückstellkraft 28 unabhängig von der Positionierung des Anschlagelements 38 positioniert und an dem Anschlagelement 38 durch Laserschweißen befestigt. Die Herstellung kann dadurch vereinfacht werden und das Sperrventil 10 kann zuverlässiger und genauer ausgeführt werden. Durch die Befestigung über Laserschweißen kann der Wärmeeintrag in die zu verschweißenden Bauteile verringert und dadurch eine nachteilige Beeinflussung der Materialparameter und der Ventilparameter verringert werden.
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Auch kann die Herstellung erfolgen, indem zunächst das Abstützelement 32 und das Anschlagelement 38 zueinander positioniert und miteinander, beispielsweise durch Laserschweißen, befestigt werden und anschließend als Verbund gegenüber dem Hubelement 22 positioniert und über das Anschlagelement 38 an dem Hubelement 22 befestigt werden.
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In 2 ist ein Querschnitt durch ein Sperrventil 10 in einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung dargestellt. Das ringförmige Abstützelement 32 weist hier einen ersten Absatz 48 auf, der einem an dem ringförmigen Anschlagelement 38 ausgebildeten zweiten Absatz 50 in Bezug auf die Betätigungsachse 24 gegenüberliegt. Zwischen dem ersten und zweiten Absatz 48, 50 ist ein Abstand vorhanden, durch den ein Bewegungsspiel zur Positionierung des Abstützelements 32 und des Anschlagelements 38 vor Befestigung beider Bauteile bewirkt wird.
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Das Abstützelement 32 und das Anschlagelement 38 können vor Befestigung des Anschlagelements 38 an dem Hubelement 22 als Verbund zueinander positioniert und miteinander befestigt werden und anschließend der Verbund an dem Hubelement 22, insbesondere durch Laserschweißen, befestigt werden. Auch kann zunächst das Anschlagelement 38 an dem Hubelement 22 positioniert und befestigt werden und anschließend das Abstützelement 32 an dem Anschlagelement 38 positioniert und befestigt werden.
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3 zeigt einen Querschnitt durch ein Sperrventil 10 in einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung. Das Anschlagelement 38 und das Abstützelement 32 sind jeweils unmittelbar an dem Hubelement 22 befestigt, beispielsweise jeweils durch Laserschweißen. Das Anschlagelement 38 ist in Bezug auf die Betätigungsachse 24 beabstandet zu dem Abstützelement 32 angeordnet.
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Das Abstützelement 32 und das Anschlagelement 38 werden einzeln gegenüber dem Hubelement 22 positioniert und anschließend das Anschlagelement 38 an dem Hubelement 22 und das Abstützelement 32 an dem Hubelement 22 befestigt. Das Anschlagelement 38 ist in Bezug auf die Betätigungsachse 24 zwischen dem Ventilkörper 14 und dem Abstützelement 32 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sperrventil
- 12
- Vorkammer
- 14
- Ventilgehäuse
- 16
- Durchlassöffnung
- 18
- Fluidkanal
- 20
- Verschlusselement
- 22
- Hubelement
- 24
- Betätigungsachse
- 26
- Federelement
- 28
- Rückstellkraft
- 30
- Betätigungskraft
- 32
- Abstützelement
- 34
- Abstützbereich
- 36
- Federwindung
- 38
- Anschlagelement
- 39
- Außenumfang
- 40
- Anlagefläche
- 42
- Gegenanlagefläche
- 44
- Ventilhub
- 46
- Abstand
- 48
- erster Absatz
- 50
- zweiter Absatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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