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Die Erfindung betrifft ein Bauteil insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einem Ventilsitz umfassend ein Ventilsitzgehäuse aus einem ersten Material, das eine Ringaufnahme aufweist, in die ein Ventilsitzring aus einem zweiten Material eingefügt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen solchen Ventilsitzring.
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Für ein zulässiges und reversibles Schließen und Öffnen von Ventilen in hochbeanspruchten Bauteilen, beispielsweise bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge, werden zur Ausbildung von Ventilsitzen häufig Ventilsitzringe in eine Ringaufnahme eines Ventilsitzgehäuses eingepresst. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn das Ventilsitzgehäuse aus einem vergleichsweise weichen Material wie beispielsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder auch Magnesiumlegierungen besteht, wie sie im Leichtbau eingesetzt werden. Derartige Materialien eignen sich aufgrund ihrer nur geringen Härte nicht als Ventilsitz für ein Ventil. Ein derartiger Anwendungsfall ist beispielsweise bei Zylinderköpfen für Einlass- und Auslassventile und insbesondere auch bei sogenannten Waste-Gate-Klappen in Aluminium-Turbinengehäusen gegeben. Die in das Ventilsitzgehäuse eingepressten Ventilsitzringe bestehen dabei aus einem zum Material des Ventilsitzgehäuses verschiedenen, insbesondere härteren Material und bestehen beispielsweise aus einem Sinterwerkstoff.
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Waste-Gate-Klappen werden bei mit Turboladern ausgestatteten Verbrennungsmotoren eingesetzt, um einen Abgasstrom zu steuern. Eine Abgasturbolader-Anordnung mit einer solchen Waste-Gate-Klappe ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 031 500 A1 oder auch aus der
DE 10 2010 013 367 A1 zu entnehmen.
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Bei derartigen Motorenbauteilen handelt es sich um thermisch hoch beanspruchte Teile, die auch einer starken Temperatur-Wechselbeanspruchung unterliegen. Aufgrund der Kombination von unterschiedlichen Materialien in Verbindung mit der Temperaturwechselbeanspruchung führt dies zu unterschiedlichen Ausdehnungen des Ventilsitzgehäuses einerseits und des Ventilsitzringes andererseits. Dies hat unterschiedliche Belastungen im Laufe des Betriebs zur Folge. Unter Umständen führt dies im Laufe der Zeit zu einer Lockerung des lediglich eingepressten Ventilsitzringes.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen dauerhaft zuverlässigen Sitz eines Ventilsitzrings in einer Ringaufnahme zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Bauteil mit den Merkmalen den Anspruchs 1 sowie durch einen Ventilsitzring mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Bei dem Bauteil handelt es sich insbesondere um ein Bauteil für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welches einen Ventilsitz aufweist. Der Ventilsitz ist dabei in einem Ventilsitzgehäuse ausgebildet, welches Teil des Bauteils oder das Bauteil selbst bildet. Das Ventilsitzgehäuse besteht dabei aus einem ersten Material. In das Ventilsitzgehäuse ist eine Ringaufnahme eingebracht, in die ein Ventilsitzring aus einem zweiten, insbesondere im Vergleich zu dem Material des Ventilsitzgehäuses härteren Material eingefügt ist. Der Ventilsitzring ist dabei beispielsweise in die Ringaufnahme eingepresst. Der Ventilsitzring weist daher im Ausgangszustand ein gewisses Übermaß relativ zur Ringaufnahme auf. Im Unterschied zu herkömmlichen Ventilsitzringen ist nunmehr vorgesehen, dass der Ventilsitzring zumindest einen Umfangsbereich mit einer Querschnittsveränderung aufweist.
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Unter Querschnittsveränderung wird hierbei verstanden, dass der Ventilsitzring ausgehend von einer Norm- oder Hauptquerschnittsfläche – betrachtet senkrecht zu einer Umfangslinie – in einem begrenzten Umfangsbereich eine vergrößerte oder auch eine verringerte Querschnittsfläche aufweist. Durch diese Querschnittsveränderung wird daher in dem zumindest einen Umfangsbereich eine Erhöhung bzw. Reduzierung der Steifigkeit erzielt, sodass insgesamt eine Zone des Ventilsitzringes ausgebildet ist, die im Vergleich zu benachbarten Zonen oder Umfangsbereichen, die den normalen Querschnitt zeigen, eine höheren Widerstand bzw. eine Nachgiebigkeit im Hinblick auf insbesondere radiale Druckbeanspruchungen zeigt.
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Unter dem Begriff „Ventilsitzring” wird allgemein ein ringförmiges Bauteil verstanden, welches nicht zwingend kreisringförmig ist und beispielsweise auch oval ausgebildet sein kann.
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Unter dem Begriff „Ventil”, „Ventilsitzgehäuse” sowie „Ventilsitz” werden allgemein Bauteile zum auch teilweise Schließen/Öffnen von Strömungswegen verstanden, bei denen ein Schließelement gegen einen Sitz verstellt wird und am Sitz zum Anliegen kommt. Diese Begriffe umfassen beispielsweise auch Klappen und Schieberelemente.
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Diese Ausgestaltung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein in einem Gehäuse verpresster oder auch anderweitig beispielsweise kraft-, form- und/oder reibschlüssig eingefügter, vollsymmetrischer Ventilsitzring an seiner (Umfangs-)Kontaktfläche zum Ventilsitzgehäuse sowohl bei der Montage als auch insbesondere im Betrieb inhomogen mit radial einwirkenden Kräften beaufschlagt wird. Dies führt insgesamt zu einer inhomogenen Kontaktpressungsverteilung, speziell bei Temperaturwechselbeanspruchungen oder auch bei sonstigen mechanischen Beanspruchungen beispielsweise bei der Montage, welche zu elastischen und insbesondere auch zu plastischen Verformungen am Ventilsitzring und/oder am Ventilsitzgehäuse führen können. Hierbei ist insbesondere eine Viskos-Plastizität problematisch, was zu einem plastischen Fließen oder Kriechen insbesondere am Ventilsitzgehäuse führt und welches letztendlich zu einer Lockerung führen kann.
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Da eine Vergleichmäßigung und Homogenisierung dieser inhomogenen Kontaktpressungsverteilung nicht oder kaum möglich ist, ist durch die spezielle strukturelle Ausformung des Ventilsitzrings mit den Umfangsbereichen mit der Querschnittsveränderung bewusst eine lokale Inhomogenität insbesondere im Hinblick auf die Steifigkeit in den Ventilsitzring integriert, sodass insgesamt im Strukturverbund zwischen Ventilsitzring und Ventilgehäuse eine Homogenisierung der um den Umfang auftretenden Spannungskomponenten erzielt wird. Es werden daher in hochbeanspruchten Teilbereichen Spannungsspitzen abgebaut und die Belastung wird insgesamt homogenisiert. Dadurch wird insgesamt die Gefahr einer plastischen Verformung reduziert, wodurch die Langzeitbeständigkeit verbessert wird.
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Die Inhomogenität lässt sich grundsätzlich durch eine Querschnittsverjüngung oder auch durch eine Querschnittsvergrößerung bezogen auf eine Norm- oder Hauptquerschnittsfläche erreichen. Bei einer Querschnittsverjüngung werden an definierten Umfangsbereichen Ausnehmungen, Einbuchtungen etc. ausgebildet. Bei einer Querschnittsvergrößerung werden Auswölbungen, wie beispielsweise Nasen etc. ausgeformt, die beispielsweise radial nach außen orientiert sind. Während bei einer Querschnittsverjüngung lokal die Steifigkeit reduziert wird, wird sie bei einer Querschnittsvergrößerung lokal erhöht. Bevorzugt sind die Querschnittsveränderungen als Verjüngungen ausgebildet.
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Gemäß einer ersten Ausführungsvariante weist der Ventilsitzring dabei in radialer Richtung eine Veränderung, insbesondere Verjüngung auf. Eine sich in radialer Richtung erstreckende Ringbreite ist daher zur Ausbildung der Querschnittsverjüngung modifiziert, insbesondere reduziert.
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Um gleichzeitig einen zuverlässigen Sitz, insbesondere Presssitz des Ventilsitzrings in der Ringaufnahme zu gewährleisten, erfolgt die Reduzierung der Ringbreite dabei vorzugsweise ausschließlich an seiner inneren Umfangsseite, also nach innen. Der Ring weist daher – im Falle eines kreisförmigen Ringes – eine exakte kreisförmige äußere Umfangslinie mit konstantem Außendurchmesser auf.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltungsvariante, welche auch mit der ersten Variante kombinierbar ist, weist der Ventilsitzring eine sich in Axialrichtung erstreckende Höhe auf, die zur Ausbildung der Querschnittsveränderung modifiziert, insbesondere reduziert ist. Die Ringhöhe wird hierbei vorzugsweise ausschließlich auf der zur Ringaufnahme orientierten Seite reduziert, da die gegenüberliegende, zum Ventil orientierte Seite des Ventilsitzringes eine Dichtfläche definiert. Bei einer Kombination dieser axialen sowie radialen Querschnittsverjüngungen verläuft die Querschnittsveränderung schräg zu diesen Richtungen.
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Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung umfasst der Ventilsitzring vorzugsweise mehrere Umfangsbereiche mit einer Querschnittsveränderung. Die Umfangsbereiche mit reduziertem Querschnitt sind dabei vorzugsweise in Abhängigkeit der um den Umfang verteilten, zu erwartenden Spannungsspitzen angeordnet. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit einer Gleichverteilung, wobei ergänzend oder alternativ die Querschnittsveränderungen jeweils identisch ausgebildet sind. Zweckdienlicherweise sind dabei beispielsweise einige wenige, beispielsweise eins bis vier Querschnittsverjüngungen ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsvariante sind darüber hinaus mehrere, insbesondere um den Umfang gleichmäßig verteilte Querschnittsverjüngungen ausgebildet. Durch die Vielzahl derartiger Querschnittsverjüngungen wird sichergestellt, dass unabhängig von der speziellen Orientierung des Ventilsitzrings innerhalb des Ventilsitzgehäuses im Bereich von Spannungsspitzen eine Querschnittsverjüngung zur Verfügung steht.
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In bevorzugter Weiterbildung sind um den Umfang sowohl Querschnittserhöhungen als auch Querschnittsverjüngungen ausgebildet, jeweils bezogen auf eine Norm- oder Hauptquerschnittsfläche, Diese ist beispielsweise im Falle von Erhöhungen und Verjüngungen durch eine mittlere Querschnittsfläche definiert. Die Erhöhungen und Verjüngungen gehen dabei vorzugsweise kontinuierlich ineinander über.
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Die Querschnittsverjüngung geht dabei vorzugsweise kontinuierlich, also ohne Stufen und Kanten in die Hauptquerschnittsfläche über. Die Hauptquerschnittsfläche ist – bei ausschließlich Querschnittsverjüngungen – die nicht reduzierte, unverjüngte Querschnittsfläche, und definiert damit zugleich auch die maximale Querschnittsfläche. Sie weist auch eine definierte, gleichbleibende Querschnittsform auf, in die jeweils die querschnittsverjüngten Umfangsbereiche wieder übergehen. Die einzelnen Abschnitte des Ventilsitzringes gehen vorzugsweise jeweils bogenförmig ineinander über. Alternativ hierzu sind auch sprunghafte Änderungen der Querschnittsgeometrie möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird der Ventilsitzring innerhalb der Ringaufnahme in einer definierten Orientierung ausgerichtet, nämlich in Abhängigkeit der zu erwartenden hochbelasteten Umfangsbereiche. Der Umfangsbereich mit der Querschnittsveränderung ist daher gegenüberliegend einem Bereich des Ventilsitzgehäuses orientiert, bei dem bei einer thermischen oder mechanischen oder sonstigen Belastung eine im Vergleich zu anderen Umfangsbereichen verschiedene, insbesondere erhöhte Spannungsbelastung in radialer Richtung auftritt. Insbesondere wird hierdurch eine Homogenisierung der auftretenden Kräfte erreicht. So wird beispielsweise durch eine gerichtete Querschnittsverjüngung in Bereichen einer zu erwartenden erhöhten Spannungsbelastung erreicht, dass der Ventilsitzring im Bereich dieser erhöhten Spannungsbelastung elastisch ausweicht. Die Sollorientierung des Ventilsitzrings bezüglich des Ventilsitzgehäuses wird dabei vorzugsweise über eine Markierung angezeigt.
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Vorzugsweise weist der Ventilsitzring im Bereich der größten Querschnittsverjüngung eine im Vergleich zu der Hauptquerschnittsfläche um etwa 20 bis 50% reduzierte Querschnittsfläche auf. Hierdurch ist lokal eine deutliche Reduzierung der Steifigkeit des Ventilsitzringes erreicht.
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Zweckdienlicherweise handelt es sich bei dem Ventilsitzgehäuse wahlweise um ein Gehäuse einer Waste-Gate-Klappenanordnung oder auch um einen Zylinderkopf.
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Das Ventilsitzgehäuse besteht weiterhin vorzugsweise aus einem Leichtmetall, insbesondere aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung. Im Unterschied hierzu besteht der Ventilsitzring aus einem deutlich härteren Material, beispielsweise aus einem Sintermaterial oder auch aus einem Stahl.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in vereinfachten Darstellungen:
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1 Eine Aufsicht auf ein ausschnittsweise dargestelltes Ventilsitzgehäuse mit eingepresstem Ventilsitzring,
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2 eine Schnittansicht durch das Ventilsitzgehäuse entlang der Schnittlinie II-II in 1,
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3 eine Schnittansicht durch das Ventilsitzgehäuse entlang der Schnittlinie II-II in 1 gemäß einer alternativen Ausführungsvariante des Ventilsitzrings.
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In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ein in den 1 bis 3 dargestelltes Ventilsitzgehäuse 2 weist eine Ringaufnahme 4 auf, in die ein Ventilsitzring 6 eingefügt, insbesondere eingepresst ist. Der Ventilsitzring 6 besteht insbesondere aus einem Sintermaterial und das Ventilgehäuse 2 aus einem Leichtmetall. Der Ventilsitzring 6 weist einen konstanten Außendurchmesser A auf. Seine äußere Umfangslinie ist kreisförmig. Eine umlaufende Rändelung ist ebenfalls möglich. Auch in diesem Fall wird der Außendurchmesser als konstant angesehen. Der Ventilsitzring 6 weist in Axialrichtung 8 eine Ringhöhe h und in Radialrichtung 10 eine Ringbreite b auf.
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Die Ringaufnahme 4 umfasst eine Umfangswand, die ebenfalls mir ihrer Innenwandung kreisförmig verläuft. Der Außendurchmesser A des Ventilsitzrings 6 weist gegenüber einem Innendurchmesser der Ringaufnahme 4 im Ausgangszustand ein Übermaß auf, um die gewünschte Presspassung des Ventilsitzrings 6 innerhalb der Ringaufnahme 4 zu gewährleisten.
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Die Ringaufnahme 4 weist neben der Umfangswand noch eine ringförmige Bodenfläche 12 auf, auf die der Ventilsitzring 6 im Normalfall im Bereich einer Hauptquerschnittsfläche Q aufsitzt. Im Bereich dieser Hauptquerschnittsfläche Q hat der Ventilsitzring 6 seine maximale Querschnittsfläche. Im Ausführungsbeispiel weist der Ventilsitzring 6 im Bereich der Hauptquerschnittsfläche Q eine in etwa rechteckige Querschnittsfläche auf. Diese kann jedoch in Abhängigkeit der Ausgestaltung beispielsweise der Dichtfläche des Ventilsitzes auch anders ausgestaltet sein. Im Übergangsbereich der Bodenfläche 12 zu deren Umfangswand ist die Ringaufnahme 4 und korrespondierend hierzu auch der Ventilsitzring 6 abgeschrägt.
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Der Ventilsitzring 6 weist mehrere Umfangsbereiche 14 mit einer Querschnittsveränderung auf. In der bevorzugten Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels sind dies ausschließlich Querschnittsverjünungen Qred. Wie insbesondere aus der Aufsicht gemäß 1 zu entnehmen ist, weist der Ventilsitzring 6 mehrere, im Ausführungsbeispiel insgesamt drei Umfangsbereiche 14 mit einer reduzierten Querschnittsfläche, auch als Querschnittsverjüngung Qred bezeichnet auf. Die Umfangsbereiche 14 mit der Querschnittsverjüngung Qred sind im Ausführungsbeispiel der 1 gleichmäßig unter einem gleichen Winkelabstand, also im Ausführungsbeispiel um 120°, um den Umfang verteilt angeordnet. Die Umfangsbereiche 14 mit der Querschnittsverjüngung Qred gehen dabei kontinuierlich und homogen, also kanten- und knickfrei in weitere Umfangsbereiche 16 mit der normalen Hauptquerschnittsfläche Q über.
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Gemäß der ersten Ausführungsvariante gemäß der 2 ist zur Ausbildung der Querschnittsverjüngung Qred ausschließlich die Ringbreite b reduziert. Dabei erfolgt die Materialabnahme an der Innenseite des Ventilsitzrings 6.
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Bei der Ausführungsvariante der 2 erfolgt eine Materialreduzierung in Axialrichtung 8 und zwar zur Bodenfläche 12 hin. Hier wird daher die Ringhöhe h reduziert, sodass im Bereich der Querschnittsverjüngung Qred der Ventilsitzring 6 nicht auf der Bodenfläche 12 aufliegt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, im Bereich der Querschnittsverjüngung Qred sowohl die Ringhöhe h als auch die Ringbreite b zu reduzieren.
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Der Ventilsitzring 6 ist zweckdienlicherweise entlang einer definierten, vorgegebenen Orientierung bezüglich des Ventilgehäuses 2 in dieses eingepresst. Die Orientierung des Ventilsitzrings 6 ist derart, dass die Umfangsbereiche 14 mit der Querschnittsverjüngung Qred zu denjenigen Bereichen des Ventilgehäuses 2 orientiert sind, an denen insbesondere bei einer Temperaturbeanspruchung erhöhte Spannungswerte zu erwarten sind. Diese werden beispielsweise im Vorfeld simulativ mittels FEM-Berechnungen ermittelt. Derartige Umfangsbereiche 14 mit erhöhter radialer Spannungsbelastung bei einer Temperaturänderung sind beispielsweise auf Geometriefaktoren des Ventilsitzgehäuses 2 zurückzuführen, die häufig nicht beeinflussbar sind.
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Um bei der Montage eine zuverlässige Orientierung des Ventilsitzrings 6 in der gewünschten Soll-Orientierung zu gewährleisten sind zweckdienlicherweise am Ventilgehäuse 2 und/oder am Ventilsitzring 6 Markierungen 18 angebracht, wie dies in der 1 illustriert ist. Bei einer Ausrichtung der Markierungen 18 zueinander ist der Ventilsitzring 6 in der gewünschten Soll-Orientierung.
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Zur Ausbildung der Querschnittsverjüngungen Qred sind grundsätzlich unterschiedliche Querschnittsvariationen um den Umfang möglich. Die Verjüngungen können beispielsweise durch Abschrägungen, Aussparungen etc. ausgebildet werden. Sie sind vorzugsweise in gleichen Winkelabständen zueinander über den Umfang verteilt angeordnet.
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Insgesamt wird durch die lokale Reduzierung der Querschnittsfläche des Ventilsitzrings 6 insbesondere in Verbindung mit seiner definierten Positionierung innerhalb des Ventilgehäuses 2 gezielt eine Elastizität in den Ventilsitzring 6 und damit in den Strukturverbund in einer definierten Richtung eingebracht. Dadurch wird der Ventilsitzring 6 einer Verformung des umgebenden Ventilsitzgehäuses 2 angepasst, die bei einer Temperaturveränderung im Betrieb oder auch bei der Montage auftreten kann. Insgesamt wird hierdurch über die Kontaktfläche, also insbesondere die Umfangsfläche zwischen Ventilsitzring 6 und Ventilsitzgehäuse 2, eine Vergleichmäßigung der Kontaktpressung auch bei Temperaturwechselbelastung erzielt. Hierdurch wird in definierter Art und Weise eine lokale Belastung durch die Montage oder durch die Betriebslasten gezielt beeinflusst und insbesondere wird damit gezielt eine lokale Verformung des Ventilsitzrings 6 und/oder des Ventilgehäuses 2 beeinflusst. Insbesondere wird dadurch ein plastisches Verformen möglichst vermieden. Ein zuverlässiges Halten des Ventilsitzrings 6 unter allen Montage- und Betriebsrandbedingungen ist damit sichergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ventilgehäuse
- 4
- Ringaufnahme
- 6
- Ventilsitzring
- 8
- Axialrichtung
- 10
- Radialrichtung
- 12
- Bodenfläche
- 14
- Umfangsbereich
- 16
- weitere Umfangsbereiche
- 18
- Markierung
- A
- Außendurchmesser
- h
- Ringhöhe
- b
- Ringbreite
- Q
- Hauptquerschnittsfläche
- Qred
- Querschnittsverjüngung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010031500 A1 [0003]
- DE 102010013367 A1 [0003]