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Die
Erfindung betrifft ein Leichtbauventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Leichtbauventile
der hier angesprochenen Art sind bekannt (
DE 198 04 053 A1 ). Sie
werden unter anderem als Ein- und Auslassventile für Verbrennungsmotoren
eingesetzt und umfassen einen Ventilschaft, an den sich ein trichter-/trompetenförmiger Ventilkegel
anschließt.
Der Ventilkegel ist zum Zwecke der Gewichtsreduzierung hohl und
weist eine nur geringe Wandstärke
auf. Der Ventilkegel ist an seinem durchmessergrößeren Ende mittels eines Ventiltellers
verschlossen. Gemäß einer
Ausführungsvariante
(
4 und
5)
ist der Ventilkegel von einem separaten Blechbauteil gebildet, das
mit dem Ventilschaft und dem Ventilkegel verschweißt ist.
Hierzu wird das durchmessergrößere Ende
des Ventilkegels stirnseitig in Gegenüberlage mit einer auf der dem Ventilkegel
zugewandten Flachseite des Ventiltellers befindlichen Ringfläche gebracht.
Die exakte Ausrichtung von Ventilkegel und Ventilteller zueinander ist
auf Grund der nur kleinen Anlagekontaktflächen dieser Teile äußerst schwierig.
Darüber
hinaus sind die Möglichkeiten
der Schweißnahtgestaltung
in den Anbindungsbereichen des Ventilkegels an den Ventilteller
sowie den Ventilschaft begrenzt.
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Da
bei dem vorstehend genannten Leichtbauventil der Ventilteller auf
Grund des Hohlraums im Ventilkegel auf einer großen Fläche nicht abgestützt ist
und der Ventilkegel zudem nur eine geringe Wandstärke aufweist,
kann der Ventilteller im Betrieb durch den Verbrennungsdruck im
Brennraum des Verbrennungsmotors deformiert werden, was zu einem
vorzeitigen Verschleiß des
Leichtbauventils beiträgt. Darüber hinaus
kann es zu einer Deformation des dünnwandigen Ventilkegels kommen.
Um dies zu verhindern, ist in der
DE 198 04 053 A1 vorgeschlagen, den Ventilschaft
so lang auszuführen,
dass er stirnseitig auf der dem Brennraum abgewandten Flachseite
des Ventiltellers anliegt, wodurch dieser abgestützt wird. Dabei können der
hohle oder aus Vollmaterial bestehende Ventilschaft und der Ventilteller
in ihrem Anlagebereich miteinander verschweißt sein. Alternativ ist vorgeschlagen,
den Ventilschaft und den Ventilteller einstückig, das heißt als ein
Teil zu fertigen. Bei anderen Alternativen erfolgt die Abstützung des
Ventiltellers gegen den Ventilschaft mittels eines einstückig am
Ventilkegel ausgebildeten Zwischenstücks oder einer separaten, zwischen
Ventilschaft und Ventilteller fixierten Hülse. Nachteilig bei dem bekannten
Leichtbauventil ist, dass dessen Einzelteile auf Grund ihrer durch
die jeweilige Konstruktion vorgegebenen Geometrie teilweise nur
aufwendig herstellbar sind und dass ein präzises Ausrichten der Einzelteile
gegeneinander vor dem Fügeprozess
nur mit hohem Aufwand realisierbar ist.
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Aus
der
US 2 439 240 geht
ein Leichtbauventil hervor, bei dem der hohle Ventilkegel am Ventilschaftende
angeformt ist und bei dem Mittel zur Abstützung des Ventilkegels und
des Ventiltellers vorgesehen sind, die von im Ventilkegelhohlraum
angeordneten Verstärkungsrippen
gebildet sind. Die Verstärkungsrippen
verbessern zudem die Wärmeabfuhr aus
dem Ventilteller. Die Verstärkungsrippen
sind einstückig
am Ventilteller oder dem Ventilkegel ausgebildet oder alternativ
als separates Tragwerk in den Ventilkegelhohlraum eingelegt.
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Weiterhin
ist aus der gattungsbildenden
DE 102 04 122 C1 ein Leichtbauventil mit
einem Ventilschaft bekannt, der stirnseitig auf der dem Brennraum
abgewandten Flachseite des Ventiltellers anliegt (Ausführungsbeispiel
3). Der Schaft weist eine
Verdickung, also eine partielle Durchmessererweiterung, auf, die
als Mittel zur Abstützung
des Ventilkegels dient. Der Ventilkegel wird auf den Ventilschaft
aufgesteckt und gelangt durch Verschiebung in axialer Richtung in
Anlagekontakt mit den Abstützmitteln,
die daher als Anschlag für
den Ventilkegel dienen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Alternative zu dem Leichtbauventil
der eingangs genannten Art zu schaffen.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein Leichtbauventil mit den Merkmalen des Anspruchs
1 vorgeschlagen. Es umfasst Ventilkegelabstützmittel, die in einem Abstand
vom Ventilteller angeordnet und an einem am Ventilteller angeformten
oder daran befestigten, die dem Ventilkegel zugewandte Flachseite domartig überragenden
Schaftverbindungsglied ausgebildet sind.
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Die
Abstützmittel
weisen neben ihrer eigentlichen Funktion, nämlich Abstützung des hohlen, dünnwandigen
Ventilkegels, eine weitere Funktion auf, nämlich die exakte Anordnung
des Ventilkegels – in
Richtung der Längsmittelachse
des Leichtbauventils gesehen – in
axialer Richtung relativ zum Ventilteller. Die Ausgestaltung und
Anordnung der Abstützmittel
gegenüber
dem Ventilteller ist vorzugsweise so gewählt, dass bei ordnungsgemäß zusammengefügtem Leichtbauventil
der Ventilkegel mittels der Abstützmittel
gegenüber
dem Ventilteller in einem in Richtung der Längsmittelachse des Ventilschafts
beziehungsweise des Leichtbauventils gemessenen axialen Abstand
so angeordnet ist, dass die Fügeflächen des
Ventiltellers und des Ventilkegels in deren Anbindungsbereich in
gewünschter
Weise zueinander angeordnet sind, damit sie nach folgend ohne weitergehendes
Ausrichten miteinander – vorzugsweise
mittels Stoffschluss – verbunden
werden können.
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In
einfachster Ausführung
ist das den Ventilteller mit dem Ventilschaft verbindende Schaftverbindungsglied
als Zapfen ausgebildet, der mit einer Verdickung, also einem durchmessergrößeren Längsabschnitt,
versehen ist. Bei dieser Ausführungsform wird
der Ventilkegel auf das vorzugsweise in der Mitte des Ventiltellers
angeordnete Schaftverbindungsglied aufgesteckt. Dabei legen die
Abstützmittel
die exakte Position des Ventilkegels relativ zum Ventilteller fest
und stützen
diesen zudem ab. Aufgrund der Anbindung des Ventiltellers über das
in seinem mittleren Bereich vorgesehene Schaftverbindungsglied an
den Ventilschaft kann weiterhin eine optimale Einleitung der im
Betrieb des Leichtbauventils auf den Ventilteller wirkenden Gaskräfte in den
Ventilschaft gewährleistet
werden, ohne dass es dabei zu unzulässig hohen Verformungen des
Ventiltellers und des vorzugsweise sehr dünnwandigen Ventilkegels kommt.
Es ist also ohne weiteres realisierbar, dass der Ventilkegel im
Betrieb des Leichtbauventils annähernd
kraftfrei ist, das heißt,
dass wenn überhaupt nur
sehr geringe Kräfte über den
Ventilteller in den Ventilkegel eingeleitet werden. Der Ventilkegel
kann daher sehr dünnwandig
ausgebildet sein, was vorteilhaft bei der Herstellung desselben
ist und darüber
hinaus zur Verringerung des Gewichts des Leichtbauventils beiträgt.
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Bei
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist
vorgesehen, dass der Ventilteller mit dem gegebenenfalls daran vorgesehenen
Schaftverbindungsglied aus der intermetallischen Phase Titanaluminid (TiAl)
oder einer TiAl-Legierung durch Gießen hergestellt ist. Dieser
Ventilteller weist ein nur geringes Gewicht auf und ist zudem extrem
verschleißfest.
Nach einer anderen Ausführungsvariante
ist vorgesehen, dass der Ventilteller aus Stahl, insbesondere Werkzeugstahl
besteht und durch Schmieden hergestellt ist. Nach einer dritten
Ausführungsvariante
wird der Ventilteller mittels eines Pulvermetallurgie-Herstellungsverfahren
gefertigt, insbesondere aus einem Werkzeugstahl, welcher extrem
verschleißfest
ist.
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Bezüglich der
für den
Ventilschaft und den Ventilteller verwendbaren Materialien wird
auch auf die
DE 100
29 299 C2 verwiesen, deren Inhalt bezüglich der eingesetzten Materialien
Gegenstand dieser Beschreibung ist.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
des Leichtbauventils ist der Ventilkegel als Blechbauteil ausgebildet.
Als Material findet beispielsweise unlegierter Baustahl, insbesondere St-52,
oder niedrig legierter Stahl, insbesondere X10Cr13, Verwendung.
Der Ventilkegel kann kostengünstig
in einem Tiefziehverfahren hergestellt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsbeispiele des
Leichtbauventils ergeben sich aus Kombinationen der in der Beschreibung
und in den Unteransprüchen
genannten Merkmale.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Leichtbauventils für
Verbrennungsmotoren in perspektivischer und aufgebrochener Darstellung;
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2 eine
vergrößerte Darstellung
eines Ventilkegels des in 1 dargestellten
Leichtbauventils;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
eines Ventiltellers des in 1 dargestellten
Leichtbauventils und
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4 einen
Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels
des Leichtbauventils in perspektivischer und aufgebrochener Darstellung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
mehrteilig ausgebildetem Leichtbauventils 1 für Verbrennungsmotoren.
Dieses kann als thermisch weniger belastetes Einlassventil oder
als thermisch höher
belastetes Auslassventil eingesetzt werden, wobei das Material der
einzelnen Teile in Abhängigkeit
der Verwendung des Leichtbauventils 1 entsprechend gewählt wird.
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Das
in 1 dargestellte Leichbauventil 1 (Kegelventil)
umfasst einen Ventilschaft 3, einen von einem Blechbauteil
gebildeten, hohlen Ventilkegel 5 sowie einen den Ventilkegel 5 verschließenden Ventilteller 7.
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Der
hier beispielhaft aus Vollmaterial bestehende Ventilschaft 3 weist
zumindest über
einen Teil seiner Länge
einen konstanten, kreisförmigen
Querschnitt auf.
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Der
Ventilteller 7 ist auf seiner im Betrieb des Leichtbauventils 1 dem
Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandten Flachseite mit einer
Vertiefung 9 versehen, in die der Ventilkegel 7 mit
seinem durchmessergrößeren Ende
hineinragt, wie aus 1 ersichtlich. Die Vertiefung 9 ist
dabei so ausgebildet, dass der Übergang
zwischen dem Ventilteller 7 und dem Ventilkegel 5 in
deren Anbindungsbereich stufenlos ist. Mittels des Ventiltellers 7 wird
der Hohlraum des Ventilkegels 5 verschlossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Boden der Vertiefung 9 eben ausgebildet. Der Durchmesser
der Vertiefung 9 und der Außendurchmesser des Ventilkegels 5 an seinem
durchmessergrößeren Ende
sind gleich groß beziehungsweise
in etwa gleich groß.
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Wie
aus 3 ersichtlich, die eine Einzeldarstellung des
Ventiltellers 7 zeigt, weist die Vertiefung 9 in
ihrem Randbereich eine umlaufende Randstufe 11 auf, die
zur Abstützung
beziehungsweise als Anlageschulter für den Ventilkegel 5 dient.
Im zusammengebauten Zustand des Leichtbauventils 1 ist
die am durchmessergrößeren Ende
befindliche Stirnfläche 12 des
in die Vertiefung 9 eingreifenden Ventilkegels 5 in
Anlagekontakt mit der Randstufe 11. Festzuhalten ist, dass
die Vertiefung 9 beziehungsweise die Randstufe 11 einen
Zentrier- und Abstützsitz für den Ventilkegel 5 bildet.
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Der
Ventilteller 7 ist scheibenförmig ausgebildet und weist
einen ersten, zylindrischen Längsabschnitt 13 mit
gleichbleibendem Querschnitt und ein sich daran anschließenden,
kegligen, das heißt
kegelstumpfförmigen
zweiten Längsabschnitt 15 auf, wobei
der Kegelwinkel des zweiten Längsabschnitts 15 gleich
groß wie
der Kegelwinkel des Ventilkegels 7 an seinem durchmessergrößeren Ende
ist, wodurch ein stufenloser Übergang
im Anbindungsbereich zwischen diesen Teilen realisiert ist, wie
in 1 dargestellt. Die Mantelfläche des Längsabschnitts 15 bildet üblicherweise
die Dichtfläche
des Leichtbauventils 1.
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Der
Ventilteller 7 weist auf seiner die Vertiefung 9 aufweisenden
Flachseite ein Schaftverbindungsglied 17 auf, das einstückig mit
dem Ventilteller 7 ausgebildet ist und sich in dessen Mitte
befindet. Das Schaftverbindungsglied 17 ist an seinem freien Ende
mit dem Ventilschaft 3 verbunden, was bei spielsweise durch
Reibschweißen
realisierbar ist. Die Länge
des Schaftverbindungsglieds 17 ist bei diesem Ausführungsbeispiel
so gewählt,
dass bei zusammengesetztem Leichtbauventil 1 der Anbindungsbereich
zwischen Schaftverbindungsglied 17 und Ventilschaft 3 außerhalb
des Ventilkegelhohlraums angeordnet ist. Diese Ausgestaltung bietet
sowohl die Möglichkeit,
zunächst
den Ventilkegel 5 mit dem Ventilteller 7 und dem
Schaftverbindungsglied 17 zu verbinden und erst nachfolgend
den Ventilschaft 3 mit dem Ventilteller 7 als
auch die alternative Verfahrensvariante, dass in einem ersten Schritt
der Ventilschaft 3 mit dem Schaftverbindungsglied 17 und
erst in einem zweiten Schritt der Ventilkegel 5 mit dem
Ventilteller 7 und dem Schaftverbindungsglied 17 verbunden
werden.
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Das
Schaftverbindungsglied 17 weist in seinem Anbindungsbereich
an den Ventilschaft 3 den gleichen Außendurchmesser und die gleiche
Form wie der Ventilschaft 3 auf, wodurch ein stufenloser Übergang
realisierbar ist.
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Am
Schaftverbindungsglied 17 sind Mittel zur partiellen, innenseitigen
Abstützung
des dünnwandigen
Ventilkegels 5 vorgesehen, die bei diesem Ausführungsbeispiel
von einer an das Schaftverbindungsglied 17 angeformten
Verdickung 19 gebildet sind, die sich -in Richtung der
Längsmittelachse 20 des
Leichtbauventils 1 gesehen- mit axialem Abstand vom Boden
der Vertiefung 9 beziehungsweise der dem Ventilkegel 5 zugewandten
Flachseite des Ventiltellers 7 befindet. Die Verdickung 19 weist
eine bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 umlaufend ausgebildete,
konische Abstützfläche 21 auf,
die im Anlagekontakt mit einem Innenwandbereich 23 des Ventilkegels 5 steht,
wodurch der Ventilkegel 5 abgestützt ist. Die Kontur der Abstützfläche 21 ist
komplementär
zum Innenwandbereich 23 ausgebildet, wodurch eine vollflächige Anlage
dieser Flächen
gewährleistet
werden kann.
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Der
Abstand der Verdickung 19 vom Ventilteller 7 und
deren Ausgestaltung ist derart, dass der auf das Schaftverbindungsglied 17 aufgesteckte Ventilkegel 5 sowohl
gegenüber
dem Ventilteller 7 zentriert als auch in einem solchen
Abstand vom Ventilteller 7 gehalten ist, dass der Ventilkegel 5 mit seinem
durchmessergrößeren Ende
in gewünschter Weise
in die Vertiefung 9, das heißt in die Randstufe 11 hineinragt.
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Der
in den 1 und 2 dargestellte Ventilkegel 5 weist
insgesamt eine Trichterform auf, die durch einen Grundkörper in
Form einer Tellerfeder und einen am durchmesserkleineren Ende des Grundkörpers anschließenden,
kragenförmigen
Führungs-
und Zentrierabschnitt 25 gebildet ist, wobei der Führungs-
und Zentrierabschnitt 25 von einer Durchgangsöffnung 27 durchdrungen
ist, durch die das Schaftverbindungsglied 17 im zusammengefügten Zustand
hindurchgreift. Der Durchmesser der Durchgangsöffnung 27 ist gleich
groß wie
oder größer als
der Außendurchmesser
des Schaftverbindungsglieds 17, so dass dieses die Durchgangsöffnung 27 entweder
mit Spiel durchgreift oder eine Kraftschlussverbindung zwischen
Schaftverbindungsglied 17 und Ventilkegel 7 gebildet
ist. Beim Aufstecken des Ventilkegels 7 auf das Schaftverbindungsglied 17 erfolgt
auf Grund des Führungs-
und Zentrierabschnitts 25 selbsttätig eine bezüglich der Längsmittelachse 20 des
Leichtbauventils radiale Ausrichtung/Zentrierung dieser Teile zueinander.
Auf Grund der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung des Leichtbauventils 1 wird
der Ventilkegel 5 an seinem durchmesserkleineren Ende auch
mittels der Verdickung 19 zentriert und zudem abgestützt. Die Abstützung und
Zentrierung des Ventilkegels 5 an seinem durchmessergrößeren Ende
erfolgt mittels der Vertiefung 9 beziehungsweise der Randstufe 11.
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Festzuhalten
bleibt noch, dass der Ventilkegel 5 im Bereich seines Führungs-
und Zentrierabschnitts 25 eine reduzierte Wandstärke aufweist,
so dass er sich an die Außenseite
des Schaftverbindungsglieds 17 quasi anschmiegt. Dadurch
wird ein Übergang
zwischen Ventilkegel 5 und Schaftverbindungsglied 17 realisiert,
der eine nur geringe Stufe aufweist. Um in diesem Bereich einen
stufenlosen Übergang
zu schaffen, kann das Schaftverbindungsglied 17 auf seiner
Außenseite
im Bereich seines freien Endes eine entsprechende Verjüngung aufweisen.
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Die
Befestigung des Ventilkegels 5 am Schaftverbindungsglied 17 kann
stoff-, kraft- und/oder formschlüssig
erfolgen. Dabei steht auf Grund des Führungs- und Zentrierabschnitts 25 und der
Abstützfläche 21 eine
vergrößerte Anlagekontaktfläche zwischen
Ventilkegel 5 und Schaftverbindungsglied 17 zur
Verfügung,
was das Fügen
dieser Teile insgesamt vereinfacht. Vorzugsweise wird der Ventilkegel 5 mit
dem Schaftverbindungsglied 17 verschweißt oder verlötet. Die
Verbindung zwischen Ventilkegel 5 und Ventilteller 7 in
deren Anbindungsbereich, nämlich
am Rand der Vertiefung 9, erfolgt vorzugsweise auch mittels
Stoffschluss.
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Das
anhand der 1 bis 3 beschriebene
Ausführungsbeispiel
des Leichtbauventils 1 zeichnet sich durch geringe Wandstärken der
einzelnen Teile, insbesondere des Ventilkegels 7, und somit durch
ein nur geringes Gewicht aus. Vorteilhaft ist weiterhin, dass mittels
des Schaftverbindungsglieds 17 nicht nur der Ventilkegel 5 bereichsweise
abgestützt
wird, sondern gleichzeitig auch eine gewünschte Ausrichtung und Positionierung
von Ventilkegel zu Ventilteller erfolgt. Die im Betrieb des Leichtbauventils 1 auf
den Ventilteller 7 wirkenden Gaskräfte werden in vorteilhafter
Weise über
das mittig angeordnete Schaftverbindungsglied 17 direkt
in den Ventilschaft 3 eingeleitet. Auf Grund des vorstehend
genannten konstruktiven Aufbaus des Leichtbauventils 1 werden
die auf den Ventilteller 7 wirkenden Gaskräfte nicht
oder nur in unschädlichem
Maße in
den sehr dünnwandigen
Ventilkegel 5 eingeleitet. Eine unzulässig hohe Verformung des Ventilkegels 5 kann daher
mit Sicherheit ausgeschlossen werden.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiels
des Leichtbauventils 1. Gleiche Teile sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die Beschreibung zu
den 1 bis 3 verwiesen wird. Der wesentliche
Unterschied besteht darin, dass der Ventilkegel 5 eine
einfachere, kostengünstiger
herstellbare Form aufweist, nämlich
die einer Tellerfeder. Vorteilhaft ist ferner, dass am Übergang
zwischen Ventilkegel 5 und Ventilschaft 3 keine
Stufe besteht, so dass praktisch keine Gasturbulenzen an dieser
Stelle erzeugt werden. Die Zentrierung des Ventilkegels 5 an
seinem durchmesserkleineren Endbereich erfolgt hier ausschließlich über die
die konische Abstützfläche 21 aufweisende
Verdickung 19.
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Festzuhalten
bleibt noch, dass der Ventilschaft 3, der Ventilteller 7 sowie
das Schaftverbindungsglied 17 aus dem gleichen Material
oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können. Die
Verbindung zwischen Ventilteller 9 und Ventilschaft 3 über das
Schaftverbindungsglied 17 kann mittels Reib-, Strahl-,
Schmelz- oder Kondensatorentladungsschweißen erfolgen. Das Verbinden
des extrem dünnwandigen
Ventilkegels 5 mit dem Schaftverbindungsglied 17 im
Bereich des Führungs-
und Zentrierabschnitts 25 und/oder der Abstützfläche 21 erfolgt
vorzugsweise mittels Strahl-, Schmelz- oder Laserschweißen.