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Stand der Technik
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Bei
Kraftstoffeinspritzsystemen wie z. B. beim Hochdruckspeichereinspritzsystem
(Common-Rail) wird der Hochdruckspeicherkörper in der Regel mittels eines
Förderaggregates,
einer Hochdruckkraftstoffpumpe mit Systemdruck beaufschlagt. Bei
den derzeit in Serie befindlichen Hochdruckspeichereinspritzsystemen
(Common-Rail) kommen als Hochdruckrückschlagventile zur Trennung
des Railkörpers
und des Kolbenvolumens der Hochdruckpumpe Hochdruckventile mit Kugel
und Feder zum Einsatz oder als Kalottenventile ausgebildete Hochdruckventile.
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Bei
den Hochdruckventilen mit Kugel und Feder sind die Vorteile darin
zu erblicken, dass diese einfach und kostengünstig herzustellende Bauteile darstellen
und die Kugel-Kegel-Geometrie eine optimale Dichtkonfiguration darstellt.
Des Weiteren haben kugelförmige
Dichtelemente eine optimale Oberflächentopographie hinsichtlich
Rundheit und Rauheit. Nachteilig bei dieser Art von Hochdruckventilen sind
die schwierige Anbindung zwischen Feder und Kugel sowie der sich
einstellende Verschleiß und
die Möglichkeit
des Federbruches. Des Weiteren bestehen Ungenauigkeiten hinsichtlich
der Führung
von Feder von Kugel im Hochdruckventil, ferner ist ein Hubanschlag
nur schwierig darstellbar.
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Demgegenüber weisen
die Kalottenventile eine Führung
für ein
Federelement auf und in der Regel ist an Kalottenventilen ein Hubanschlag
vorhanden. Nachteilig bei den Kalottenventilen ist der Umstand,
dass es sich bei diesen um ein komplexes Bauteil handelt, welches
recht teuer herzustellen ist. Die im Kalottenventil ausgebildeten
Querbohrungen sind hinsichtlich der Druckschwellfestigkeit kritisch, des
Weiteren ist die Kalotten/Kugel-Kontur fertigungsbedingt hinsichtlich
der Oberflächentopographie
schlechter als die die Dichtkugel. Bei Kalot tenventilen werden im
Vergleich zu der erstgenannten Variante eines Hochdruckventils mit
Kugel und Feder relativ große
Massen bewegt, was hinsichtlich schneller Schaltzeiten von Nachteil
ist.
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Darstellung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
folgend wird ein Hochdruckventil vorgeschlagen, bei dem es sich
um ein gebautes Kalottenventil handelt. Anstelle eines Kalottenkörpers, in
dem hinsichtlich der Druckschwellfestigkeit kritische Querbohrungen
ausgebildet sind, um ein Absteuern von Kraftstoff überhaupt
zu ermöglichen,
wird beim gebauten Kalottenventil eine Dichtkugel verwendet, sodass
die mit deren Oberflächentopographie
erzielbaren Vorteile hinsichtlich der Rundheit und der Rauheit vollumfänglich ausgenutzt
werden können.
Des Weiteren stellt die Dichtkugel ein einfaches und billiges Dichtelement
dar. Das gebaute Kalottenventil gemäß der erfindungsgemäßen Lösung umfasst
neben der Dichtkugel ein hülsenförmiges Bauteil,
welches ein separates Bauteil darstellt. Die Dichtkugel und das hülsenförmig ausgebildete
separate Bauteil werden an Fügestellen
miteinander verbunden. Beim Fügen von
Hülse,
die ein Drehteil oder ein Stanzbiegeteil sein kann, mit der Dichtkugel
kommen stoffschlüssige
Fügeverfahren
wie z. B. das Schweißen
infrage. Ein kugelförmiges
Dichtelement besitzt aufgrund des Fertigungsverfahrens einer Kugel
eine höhere
Oberflächengüte im Vergleich
zur Kalotte eines Kalottenventils. Bei Einsatz eines kugelförmig ausgebildeten Dichtelementes
lassen sich die Dichtfunktion und der Verschleiß erheblich verbessern.
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Die
beim gebauten Kalottenventil miteinander gefügten Bauteile Hülse und
Kugel erlauben, dass die hohl ausgeführte Hülse als Führung für eine Dichtfeder dient, sodass
deren Beschädigung
durch übermäßige Auslenkung
wie bei ungeführten
Federn sicher ausgeschlossen werden kann. Die Hülse lässt sich des Weiteren in einem
kostengünstigen
Fertigungsverfahren, so z. B. als Tiefziehbauteil herstellen.
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Während es
sich beim eingesetzten Dichtelement um eine Kugel aus durchgehärtetem Wälzlagerstahl
als Normteil handelt, deren Härte
und Oberflächentopographie
definiert ist, wird die Hülse
bevorzugt aus einem schweißbaren
Vergütungsstahl
wie z. B. 20 MnCrs 5 hergestellt. Zwischen der Dichtkugel und der
Hülse sind
drei bis vier Fügestellen
ausgebildet, so dass die Dichtkugel mit der Hülse an vier Schweißstellen
stoffschlüssig
verbunden ist. Um einen exakten Planlauf zwischen der Dichtkugel
und der Führung,
d. h. der Mantelfläche
der Hülse
gewährleisten
zu können,
wird die Dichtkugel an der Hülse
mittels einer Fase vorzentriert. Die Fügestelle zwischen der Dichtkugel
und der an der Hülse
ausgebildeten Fase muss den Ansprüchen einer schweißgerechten
Geometrie genügen,
d. h. die Schweißnaht
muss rissfrei hergestellt werden können und eine ausreichende
Festigkeit aufweisen.
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Nuten,
z. B. Rücklaufnuten,
an der Fügestelle
stellen einen ausreichenden Strömungsquerschnitt für den abgesteuerten
Kraftstoff in Richtung des Hochdruckspeicherkörpers dar. Bevorzugt wird der Querschnitt
der Rücklaufnuten
derart ausgelegt, dass die Strömung
gedrosselt wird und eine Drosselung der Strömung im Kugelsitzbereich vermieden wird.
Dadurch wird ein stabiles Öffnen
sichergestellt und der Hub des erfindungsgemäß vorgeschlagenen gebauten
Kalottenventils kann vollständig
ausgenutzt werden. Würde
das Ventil in einer Zwischenstellung verharren, käme es zu
unkontrollierten Längsschwingungen,
die wiederum einen erhöhten Federverschleiß zur Folge
hätten.
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Alternativ
kann die Hülse
als Tiefziehbauteil hergestellt werden. An einem Ende der Hülse wird eine
Anzahl von Laschen hergestellt, die jeweils durch Axialschlitze
voneinander getrennt sind. Diese Laschen werden nach dem Tiefziehen
ausgestanzt und anschließend
nach innen gebogen. Die nach innen gebogenen Laschen dienen als
Federauflagefläche.
Durch die nach innen gebogenen Laschen wird ein Strömungsquerschnitt
in Richtung des Hochdruckspeicherkörpers geschaffen. Die Dichtkugel kann
an den in axialer Position verbleibenden geraden, nicht gebogenen
Laschen am Ende der Hülse befestigt
werden. Dies erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels des Schweißverfahrens.
Zur Besserung der Federauflage kann optional eine Ausgleichsscheibe eingelegt
werden. Diese stellt lediglich ein optionales Bauteil dar. Aufgrund
der beim Tiefziehprozess größeren Toleranzen
kann vor dem Schweißen
der Dichtkugel eine Kalibrierstufe angefügt werden. Dabei wird die Dichtkugel
mit der Hülse
gefügt
und anschließend
mit einer extern aufgebrachten Kraft auf die erforderliche Gesamtlänge kalibriert.
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In
einer weiteren möglichen
Ausführungsalternative
kann die Schulter an der Hülse,
an der die Druckfeder anliegt, entfallen, und die Kugel selber als Auflagefläche für die Feder
verwendet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
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1 eine
Ausführungsvariante
eines Hochdruckventils als Kalottenventil,
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2 das
erfindungsgemäß vorgeschlagene
gebaute Kalottenteil, Dichtkugel und Hülse umfassend,
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3 einen
Längsschnitt
durch das in 2 dargestellte gebaute Kalottenteil,
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4 einen
weiteren Längsschnitt
durch das in 2 dargestellte gebaute Kalottenteil,
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5 eine
Ausführungsvariante
des gebauten Kalottenteils mit Dichtkugel und als Stanzbiegeteil
gefertigter Hülse,
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6 einen
Schnitt durch das in 5 perspektivisch dargestellte
als Stanzbiegeteil gefertigte gebaute Kalottenteil, und
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7 eine
Draufsicht auf die als Stanzbiegeteil gefertige Hülse ohne
Dichtkugel.
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Ausführungsvarianten
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Der
Darstellung gemäß 1 ist
ein Hochdruckventil 10 zu entnehmen, welches als Kalottenventil
ausgebildet ist.
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Das
Hochdruckventil 10 gemäß der Darstellung
in 1 umfasst einen Ventilkörper 12, der eine Ventilbohrung 14 aufweist.
Der Ventilkörper 12 ist
an seiner Außenseite
mit einem Gewinde 16 versehen, der Ventilkörper 12 weist
des Weiteren auf einer dem Hochdruckspeicher zuweisenden Railseite 34 eine Fase 18 auf.
An dem dem Hochdruckspeicherkörper eines
Hochdruckspeichereinspritzsystems zuweisenden Railseite 34 gegenüberliegenden
Ende liegt eine Kolben seite 36. Das in der Darstellung
gemäß 1 dargestellte
Hochdruckventil 10 arbeitet nach dem Rückschlagprinzip und wird – um einen
Verwendungszweck zu nennen – zwischen
einem einen Hochdruckspeicherkörper
(Common-Rail) beaufschlagenden Hochdruckförderaggregat im Rahmen eines
Kraftstoffeinspritzsystems eingesetzt.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 1 des Weiteren
hervorgeht, befindet sich in der Ventilbohrung 14 des Ventilkörpers 12 ein
Kalottenkörper 24, der
in einem Spalt 20 von einem Stützkörper 26 beabstandet
ist. Zwischen dem Kalottenkörper 24 und dem
Stützkörper 26 befindet
sich eine Feder 22, hier ausgebildet als Spiralfeder. Während der
Stützkörper 26 in
der Ventilbohrung 14 des Ventilkörpers 12 befestigt
ist, vermag sich der Kalottenkörper 24 entsprechend
der Dimensionierung des Spaltes 20 in axiale Richtung innerhalb
der Ventilbohrung 14 zu bewegen. Mit Bezugszeichen 33 ist
ein Ventilsitz bezeichnet, der durch Dichtflächen 28, die einerseits
am Kalottenkörper 24 ausgebildet
sind und sich andererseits im Ventilkörper 12 im Bereich
der Bindungsstelle einer Hochdruckleitung 32 befinden,
abgedichtet ist.
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Der
Kalottenkörper 24 gemäß der Darstellung
in 1 umfasst Querbohrungen 30, die bei dieser
Ausführungsvariante
eine kritische Schwachstelle darstellen, da sie problematisch hinsichtlich
der Druckschwellfestigkeit sind.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht
eine erste Ausführungsvariante
eines gebauten Kalottenteils hervor, was in dem in 1 vorstehend
beschriebenen Hochdruckventil 10 den dort dargestellten
Kalottenkörper 24 ersetzt.
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Das
in einer in 2 dargestellten ersten Ausführungsform
gebaute Kalottenteil 38 umfasst eine Dichtkugel 44,
bei der es sich z. B. um eine Dichtkugel aus durchgehärtetem Wälzlagerstahl
handelt, welche ein Normteil darstellt. Deren Härte und Oberflächentopographie
ist entsprechend der heute kommerziell eingesetzten Wälzlagerstelle
genau definiert. Das in 2 in einer ersten Ausführungsvariante
dargestellte gebaute Kalottenteil 38 umfasst des Weiteren
eine Hülse 40.
Die Mantelfläche
der Hülse 40 ist
durch Bezugszeichen 46 bezeichnet. Die Dichtkugel 44 und
die Hülse 40 sind
an Fügestellen 42 stoffschlüssig miteinander
gefügt.
Insbesondere werden die Fügestellen 42 als
Schweißnähte gefertigt. Bei
den Fügestellen 42 handelt
es sich um Schweißnähte, die
an drei oder vier Stellen entlang des sphärischen Umfangs der Dichtkugel 44 ausgebildet
sein können.
Zwischen den einzelnen Fügestellen 42 befinden
sich Strömungsquerschnitte, über welche
bei geöffnetem
Ventilsitz 33 das Fluid aus der in 1 dargestellten
Hochdruckleitung 32 abströmt, und erst im Strömungsquerschnitt
zwischen den Fügestellen 42 gedrosselt
wird und nicht bereits im Ventilsitz 33. Dies beeinflusst
das Öffnungsverhalten
des Hochdruckventils 10 in sehr vorteilhafter Weise.
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Bei
dem Material, aus dem die Hülse 40 des gebauten
Kalottenteils 38 gemäß der Darstellung
in 2 gefertigt wird, handelt es sich bevorzugt um
einen Schweißbahnvergütungsstahl
wie z. B. 20 Mn Cr S 5.
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3 zeigt
einen Schnitt durch das gebaute Kalottenteil gemäß 2.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 lässt sich entnehmen,
dass gemäß dieses
Schnittverlaufes zwischen den in 2 dargestellten
Fügestellen 42, die
bevorzugt als Schweißnähte ausgebildet
werden, Strömungsquerschnitte 48 verlaufen,
welche z. B. als Rücklaufnuten
ausgebildet sein können.
Diese Strömungsquerschnitte 48 zwischen
den einzelnen Fügestellen 42 gemäß 2 sind
so dimensioniert, dass das bei geöffnetem Ventilsitz 33 über die
Strömungsquerschnitte 48 abströmende Fluid
dort entdrosselt wird und nicht bereits am Ventilsitz 33,
vgl. Darstellung gemäß 1.
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Aus
dem Längsschnitt
gemäß 3 geht des
Weiteren hervor, dass zur Zentrierung der Dichtkugel 44 an
der Hülse 40 in
diese eine Zentrierfase 54 eingebracht ist. Die Zentrierfase 54 verläuft von den
Fügestellen 42 der
Dichtkugel 44 mit der Hülse 40 bis
zu einer Federaufnahme 52, die an der Innenwand 50 der
Hülse 40 ausgebildet
ist. In der Schnittdarstellung gemäß 3 ist die
Federaufnahme 52 als Absatz 56 an der Innenwand 50 der
Hülse 40 ausgebildet.
Die Hülse 40 kann
entweder als Dreh- oder Tiefziehteil gefertigt werden. Bei Herstellung
als Drehteil werden die erforderlichen Querschnitte als Schrägbohrungen
ausgeführt.
Bei Fertigung der Hülse 40 als
Tiefziehteil können
die Querschnitte durch umgebogene Laschen bzw. ausgestanzte Bereiche dargestellt
werden.
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4 zeigt
eine weitere Schnittdarstellung durch das gebaute Kalottenteil 38 gemäß 2.
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Aus
der Darstellung gemäß 4 geht
hervor, dass sich die Zentrierfase 54 ausgehend von der Federaufnahme 52 in
der Innenseite der Hülse 40 bis zu
den Fügestellen 42 erstreckt.
An den Fügestellen 42 ist
die Dichtkugel 44 aus Wälzlagerstahl
z. B. gefertigt, über
Schweißnähte mit
der Hülse 40 verbunden.
Bezugszeichen 46 bezeichnet die Mantelfläche der
Hülse 40,
Bezugszeichen 50 deren Innenseite.
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Der
Darstellung gemäß 5 ist
eine weitere Ausführungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen,
gebauten Kalottenteils zu entnehmen.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 5 hervorgeht,
lässt sich
die Hülse
auch als Tiefziehteil herstellen. In dieser Ausführungsvariante handelt es sich
bei der Hülse 60 um
ein Stanzbiegeteil, dessen Mantelfläche ebenfalls mit Bezugszeichen 46 bezeichnet
ist. An dem Ende des Stanzbiegeteils 60, an dem die Dichtkugel 44 befestigt
wird, sind in die Mantelfläche 46 des
Stanzbiegeteils 60 Axialschlitze 62 eingebracht.
Durch die Axialschlitze 62 werden einzelne Laschen 64, 66 gebildet,
bei denen einige gerade Laschenabschnitte 66 verbleiben
und einige Laschen 64 umgebogen werden.
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6 zeigt
einen Schnitt durch das gebaute Kalottenteil gemäß der Ausführungsvariante in 5.
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Aus
der Darstellung gemäß 6 geht
hervor, dass bei dem gebauten Kalottenteil 38 gemäß der in 5 dargestellten
Ausführungsvariante
die Fügestellen 42 zwischen
der Dichtkugel 44 und den Laschen an den Enden der gerade
verlaufenden Laschen 66 liegen. Die gebogenen Laschen 64 begrenzen
den Strömungsquerschnitt,
vgl. Darstellung gemäß 7.
Sind z. B. im Stanzbiegeteil 60 gemäß der Darstellung in 5 drei
Laschen gebogen und verbleiben drei gerade verlaufende Laschen 66,
so liegen die Fügestellen 42 in
einer 1200 Teilung in Umfangsrichtung versetzt zueinander.
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6 zeigt
des Weiteren, dass gemäß dieser
Ausführungsvariante
der Hülse
als Stanzbiegeteil 60 im Bereich der Federaufnahme z. B.
eine Auflage- oder Einlegescheibe 68 eingesetzt werden
kann, an welcher sich die das gebaute Kalottenteil 38 beaufschlagende
Feder 22, vgl. Darstellung gemäß 1, abstützt. Die
Führung
der sich an der Federauflagescheibe 68 abstützenden
Feder 22 erfolgt durch die Innenwand 50 des Stanzbiegeteiles 60,
dessen Mantelfläche
mit Bezugszeichen 46 bezeichnet ist. Unterhalb der Fügestellen 42 sind
an den gerade verlaufenden Laschen 66 jeweils kurze Fasen 70,
die als Zentrierfasen dienen, ausgebildet, wie auch der Darstellung
gemäß 7 zu
entnehmen ist.
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Aus
der Darstellung gemäß 7 geht
hervor, dass der Strömungsquerschnitt, über den
bei Öffnen
des Ventilsitzes 33, vgl. Darstellung gemäß 1,
Fluid abströmt,
durch die gebogen Laschen 64 und die zwischen diesen liegenden
Axialschlitze 62 bestimmt wird. Die in 7 nicht
dargstellte Dichtkugel des gebauten Kalottenteils 38 wird
in den kurzen Fasen 70, die als Zentrierfasen dienen, der
gerade ausgebildeten Laschen 66 des Stanz-/Biegeteils 60 bevorzugt
durch Schweißen
befestigt. Im Unterschied zur Darstellung gemäß den 3 und 4 ist
die Zentrierfase 70 an den gerade verlaufenden Laschen 66 des
Stanzbiegeteils 60 relativ kurz ausgebildet, zentriert
jedoch die in 7 nicht dargestellte Dichtkugel 44.
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Aus
der Darstellung gemäß 7 geht
hervor, dass aufgrund der dort gewählten Lage der Axialschlitze 62 drei
gerade verlaufende Laschen 66 verbleiben, zwischen denen
jeweils drei gebogen verlaufende Laschen 64, die den Strömungsquerschnitt
durch das Innere des Stanzbiegeteils 60 begrenzen, definieren.
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Neben
der Funktion, den Strömungsquerschnitt
durch das innere des Stanzbiegeteils 60 zu definieren,
dienen die gebogenen Laschen 64 gemäß der Darstellung in 7 als
Federaufnahme 52. Die in der Darstellung gemäß 6 dargestellte
Federauflage oder Federeinlegescheibe 68 kann optional
zur Verbesserung der Federauflage im Inneren des Stanzbiegeteils 60 eingefügt werden,
ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Um
die beim Fertigungsprozess des Tiefziehens zwangsläufig größer ausfallenden
Toleranzen auszugleichen, kann vor dem Fügen der Dichtkugel 44 mit
den gerade verlaufenden Laschen 66 des Stanzbiegeteils 60 eine
Kalibrierstufe eingefügt
werden. Dabei wird die Dichtkugel 44 mit dem Stanzbiegeteil 60 gefügt und anschließend mit
einer extern aufgebrachten Kraft auf die Gesamtlänge kalibriert. Unter Gesamtlänge ist
im vorliegenden Zusammenhang die gesamte Länge des gebauten Kalottenteils 38 von
der Spitze der Dichtkugel 44 bis zur rückseitigen ringförmig verlaufenden
Stirnfläche
der Hülse 40, 60 zu
verstehen.
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Gemäß einer
weiteren, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kalottenteils 38 kann die Schulter, d. h. der Absatz 56,
der an der Innenwand 50 der Hülse 40 ausgebildet
ist, entfallen, wenn die Dichtkugel 44, die an den Fügestellen 42 mit
der Hülse 40 stoffschlüssig verbunden
ist, als Auflagefläche für die Feder 22 genutzt
werden kann.