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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung einen Injektor
für Brennstoffeinspritzanlagen
von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 101 45 862
A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem eine
Düsennadel
indirekt über
ein Ventil gesteuert wird. Dabei ist ein Steuerraum vorgesehen,
der von einem Hochdruckbereich mittels einer Zulaufdrossel befüllbar und über eine
Ablaufdrossel mit einem Ventilraum verbunden ist. Ferner ist ein
Bypass vorgesehen, über
den der Ventilraum direkt mit dem Hochdruckbereich in Verbindung
steht. Ein Ventilbolzen dient zum Steuern eines Durchlasses aus
dem Ventilraum in einen Niederdruckbereich, wobei gleichzeitig eine
Steuerung des Durchflusses durch den Bypass erfolgt.
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Das
aus der
DE 101 45
862 A1 bekannte Brennstoffeinspritzventil hat den Nachteil,
dass speziell im drucklosen Zustand der Durchlass zum Niederdruckbereich
nicht vollständig
geschlossen sein kann. Beim Inbetriebnehmen des Brennstoffeinspritzventils,
bei dem der Druck aufgebaut wird, kann es daher zu einer gewissen
Verzögerung
kommen, bis eine Betriebsbereitschaft eintritt. Es ist denkbar, dass
eine Ventilfeder zum Beaufschlagen des Ventilbolzens in eine Ausgangsstellung
eingesetzt wird. Eine solche Ventilfeder hat jedoch den Nachteil,
dass Querkräfte
auftreten, so dass ein unerwünschter
Verschleiß an
einem Sitz zum Niederdruckbereich auftritt und gegebenenfalls eine
Beschädigung
des Sitzes durch Kavitation oder dergleichen verursacht wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass der Ventilbolzen
zumindest im Wesentlichen ohne Querkräfte oder mit verschwindenden
Querkräften
in Richtung der Ausgangsstellung beaufschlagt ist, so dass ein Verschleiß einer
Dichtkante zum Niederdruckbereich verringert ist. Beschädigungen
am Sitz, beispielsweise durch Kavitation, können ebenfalls verhindert oder verringert
werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
vorteilhafter Weise weist das Ventil einen Ventilsitzkörper auf,
der mit einem Dichtkegel des Ventilbolzens zu einem Dichtsitz zusammenwirkt,
um die Verbindung zwischen dem Ventilraum und dem Niederdruckbereich über die
Abflussöffnung
zu verschließen.
Dabei ist der Dichtsitz vorzugsweise an einer Dichtkante des an
einer Ventilplatte ausgebildeten Ventilsitzkörpers gebildet, wobei die Federhülse den
Dichtkegel des Ventilbolzens gleichmäßig gegen die Dichtkante beaufschlagt.
Dadurch wird der Dichtkegel im Ausgangszustand gleichmäßig gegen
die Dichtkante des Ventilsitzkörpers
gepresst, wobei insbesondere eine punktuelle Belastung der Dichtkante, wie
sie bei Querkräften
auftreten kann, verhindert ist, so dass ein Verschleiß des Dichtkegels
und des Ventilsitzkörpers,
insbesondere im Bereich der Dichtkante, verhindert ist. Dabei ist
der Ventilraum im Ausgangszustand gegenüber dem Niederdruckbereich verschlossen,
so dass bei einer Inbetriebnahme des Brennstoffeinspritzventils
ein rascher Druckaufbau ermöglicht
und das Auftreten von Kavitation am Sitz verhindert ist.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Federhülse
zumindest zwei in einer Umfangsrichtung verlaufende Aussparungen
aufweist. Die Aussparungen ermöglichen ein
Einfedern der Federhülse
und gleichzeitig einen Durchfluss von Brennstoff, so dass beispielsweise Brennstoff
aus dem Umgehungskanal in den Teil des Ventilraums zwischen der
Federhülse
und einer Wand des Ventilraums gelangen kann. Die Aussparungen sind
dabei vorzugsweise im Wesentlichen schlitzförmig ausgestaltet, wobei die
Schlitzenden der Aussparungen zum Vermeiden von Rissen und dergleichen
in dem Material der Federhülse
abgerundet ausgestaltet sind. Besonders vorteilhaft ist es, dass
die Federhülse
mehrere Aussparungen aufweist, die in einer gleichen Höhe liegen
und die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind. Beispielsweise
können
auf einer gewissen Höhe
zwei Aussparungen vorgesehen sein, die jeweils ein Bogenmaß von fast
180° haben,
wobei zwischen den Aussparungen Stege ausgebildet sind. Solche Stege
haben vorzugsweise in Umfangsrichtung gesehen zumindest näherungsweise
die gleiche Breite. Dadurch wird ein gleichmäßiges Entfalten der Federkraft
der Federhülse
erreicht, wobei Querkräfte zuverlässig verhindert
sind. In einer gewissen Höhe können jedoch
auch mehr als zwei solcher Aussparungen vorgesehen sein, die vorzugsweise
eine übereinstimmende
Ausgestaltung aufweisen, so dass deren Erstreckung in Umfangsrichtung
vorzugsweise gleich ist.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Federhülse
in mehreren Höhen
jeweils solche Aussparungen aufweist, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet
sind. Dadurch kann die Federrate der Federhülse weiter reduziert werden.
In einer Längs- oder
Höhenrichtung
gesehen benachbarte Anordnungen von Aussparungen sind vorzugsweise
in Umfangrichtung zueinander versetzt angeordnet, so dass ein Auftreten
von Querkräften
verhindert ist.
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Die
Federhülse
kann aus einem hülsenförmigen Metallblech
gebildet sein, das beispielsweise eine Blechstärke von 0,1 mm, 0,15 mm oder
0,2 mm aufweist.
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Zeichnung
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der
beigefügten
Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
in einer auszugsweisen schematischen Schnittdarstellung;
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2 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Brennstoffeinspritzventils
des ersten Ausführungsbeispiels
im weiteren Detail und
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3 die
in 2 gezeigte Federhülse in einer Seitenansicht.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffeinspritzventils 1 der Erfindung in einer
teilweisen, schematischen Schnittdarstellung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann
insbesondere als Injektor für
Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen dienen. Insbesondere eignet sich das Brennstoffeinspritzventil 1 für Nutzkraftwagen
oder Personenkraftwagen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht
für eine
Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff
unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet
sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein aus mehreren Teilen
bestehendes Gehäuse 2 auf,
das mit einem Düsenkörper 3 verbunden
ist. Der Düsenkörper 3 ist
dabei mittels einer Düsenspannmutter 5 mit
einem Haltekörper 10 des
Gehäuses 2 verbunden.
An dem Düsenkörper 3 ist
ein Nadelsitz 4 ausgebildet, der mit einer Düsennadel 6 zu
einem Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei ist die Ventilnadel 6 so ausgebildet,
dass sie an einem dem Dichtsitz abgewandten Ende mit einer Hülse 7 und
einer Drosselplatte 8 einen Steuerraum 9 einschließt.
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Ein
Haltekörper 5 des
Ventilgehäuses 2 weist einen
Brennstoffeinlassstutzen 12 auf, der mittels einer geeigneten
Brennstoffleitung mit einem Common-Rail verbindbar ist. Über den
Brennstoffeinlassstutzen 12 gelangt Brennstoff in einen
im Inneren des Haltekörpers 5 des
Ventilgehäuses 2 vorgesehenen Brennstoffkanal 13 und über diesen
in einen Brennstoffraum 14. Der Brennstoffkanal 13 und
der Brennstoffraum 14 sind Teil eines Hochdruckbereichs 15. Im
Betrieb des Brennstoffeinspritzventils befindet sich im Hochdruckbereich 15 unter
hohem Druck stehender Brennstoff.
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Der
Steuerraum 9 ist über
eine Zulaufdrossel 16 mit dem Brennstoffkanal 13 des
Hochdruckbereichs 15 verbunden. Außerdem ist eine Ablaufdrossel 17 vorgesehen, über die
der Steuerraum 9 mit einem Ventilraum 18 eines
Ventils 19 verbunden ist. Der Ventilraum 18 ist
dabei in einer Ventilplatte 20 ausgebildet. Ferner steht
der Ventilraum 18 über
einen Umgehungskanal 21 mit dem Brennstoffraum 14 des
Hochdruckbereichs 15 in Verbindung. Der Umgehungskanal 21 ist
ein Bypass 21 und insbesondere als Bypassbohrung 21 ausgestaltet. Über den
Umgehungskanal 21 besteht daher eine direkte Verbindung
zwischen dem Hochdruckbereich 15 und dem Ventilraum 18 des
Ventils 19. Das Ventil 19 weist einen Ventilbolzen 22 auf,
der einen Bolzenabschnitt 23 und einen Dichtkegel 24 aufweist.
Ferner weist das Ventil 19 eine Federhülse 25 auf, die den
Dichtkegel 24 des Ventilbolzens 22 gegen einen
Ventilsitzkörper 26 der
Ventilplatte 20 mit einer Schließkraft beaufschlagt.
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Ein
im Inneren des Haltekörpers 5 des
Ventilgehäuses 2 angeordneter
piezoelektrischer Aktor 30 wirkt über einen hydraulischen Koppler 31,
welcher insbesondere als Hubübersetzungseinrichtung 31 ausgestaltet
sein kann, auf den Ventilbolzen 22 ein. Dabei wird der
Ventilbolzen 22 mittels eines Betätigungselements (Kolben) 32,
das auf ein Anlageelement 33 des Ventilbolzens 22 einwirkt,
entgegen der Kraft der Federhülse 25 mit
einer Betätigungskraft
beaufschlagt. Dadurch wird ein zwischen dem Dichtkegel 24 und
dem Ventilsitzkörper 26 der
Ventilplatte 20 gebildeter Dichtsitz an einer Dichtkante 37 (2)
geöffnet,
so dass eine Verbindung zwischen einem Ventilraum 18 und
einem Niederdruckbereich 34 geöffnet wird.
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Beim
Inbetriebnehmen des Brennstoffeinspritzventils 1 wird unter
hohem Druck stehender Brennstoff in den Hochdruckbereich 15 eingeleitet. Dadurch
fließt
Brennstoff über
die Zulaufdrossel 16 in den Steuerraum 9, so dass
der Druck im Steuerraum 9 ansteigt. Ferner fließt Brennstoff über die
Ablaufdrossel 17 in den Ventilraum 18. Auf Grund
der Kraft der Federhülse 25,
die vorgespannt ist, ist der zwischen dem Dichtkegel 24 und
der Ventilplatte 20 gebildete Dichtsitz in der Ausgangsstellung
geschlossen, so dass zusätzlich
eine Verbindung über
den Umgehungskanal 21 geöffnet ist und der Druck im Ventilraum 18 rasch
ansteigt.
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Bei
einer Betätigung
des Brennstoffeinspritzventils 1 mittels des Aktors 30 wird
der Dichtsitz des Ventilbolzens 22 geöffnet, so dass der Druck im
Ventilraum 18 abfällt
und Brennstoff über
die Ablaufdrossel 17 aus dem Steuerraum 9 abfließt. Durch
den Druckabfall im Steuerraum 9 kommt es zu einem Öffnen der
Düsennadel 6,
so dass der zwischen der Düsennadel 6 und
dem Nadelsitz 4 des Düsenkörpers 3 gebildete Dichtsitz
geöffnet
wird und Brennstoff aus dem Brennstoffraum 14 über den
geöffneten
Dichtsitz und zumindest eine Düsenöffnung 35 aus
dem Brennstoffeinspritzventil 1 eingespritzt wird. Nach
der Betätigung
des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Ventilbolzen 22 auf
Grund der Kraft der Federhülse 25 in
die Ausgangsstellung zurückgestellt,
in der die Verbindung des Ventilraums 18 zum Niederdruckbereich 34 unterbrochen
und die Verbindung zum Hochdruckbereich 15 über den
Umgehungskanal 21 geöffnet
ist, so dass ein rascher Druckanstieg im Ventilraum 18 erzeugt
wird. Dabei kann es auch zum Befüllen
des Steuerraums 9 mit Brennstoff (Kraftstoff) über die
Ablaufdrossel 17 kommen. Der bedingte Anstieg des Druckes
im Steuerraum 9 führt
dann zum Schließen
der Düsennadel 6,
so dass der Einspritzvorgang beendet ist. Das Ventil 19 ermöglicht eine vorteilhafte
Vorgabe des Einspritzverlaufs und insbesondere kurze Einspritzzeiten.
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2 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Brennstoffeinspritzventils 1 in
weiterem Detail. Der Bolzenabschnitt 23 des Ventilbolzens 22 ist
innerhalb des Ventilraums 18 vorgesehen. Der mit dem Bolzenabschnitt 23 verbundene
Dichtkegel 24 ist teilweise innerhalb des Ventilraums 18 vorgesehen
und verschließt
in der in der 2 dargestellten Ausgangsstellung
eine Abflussöffnung 36 des Ventilraums 18. Über die
Abflussöffnung 36 ist
der Ventilraum 18 mit dem Niederdruckbereich 34 verbunden,
wobei die Verbindung mittels des Ventilbolzens 22 geöffnet und
geschlossen werden kann. Aus dem Niederdruckbereich 36 kann
der Brennstoff über eine
Rückleitung
in einen Tank der Brennkraftmaschine geleitet werden. In der dargestellten
Ausgangsstellung ist zwischen einer Dichtkante 37 des Steuerventilsitzkörpers 26 der
Ventilplatte 20 und dem Dichtkegel 24 ein Dichtsitz
gebildet, so dass die Abflussöffnung
(Kanal) 36 verschlossen ist. Bei der Betätigung des
Ventilbolzens 22 entgegen der Kraft der Federhülse 25 wird
dieser Dichtsitz geöffnet,
so dass Brennstoff aus dem Ventilraum 18 in den Niederdruckbereich 36 abfließen kann.
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Die
Federhülse 25 umschließt den Bolzenabschnitt 23 des
Ventilbolzens 22 umfänglich,
wobei ein Innendurchmesser 38 der Federhülse 25 etwas größer als
ein Durchmesser 39 des Bolzenabschnitts 23 gewählt ist,
so dass zwischen dem Bolzenabschnitt 23 und der Federhülse 25 ein
schmaler Spalt 40 der Breite 41 vorgesehen ist.
Die Federhülse 25 ist
bezüglich
einer Achse 42 des Bolzenabschnitts 23 des Ventilbolzens 22 zentriert
angeordnet, wobei auf Grund der geringen Breite 41 des
schmalen Spalts 40 eine wesentliche Veränderung der Lage der Federhülse 25 über die
Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils 1 verhindert
ist. Um eine Vorspannung der Federhülse 25 zu erreichen,
ist eine Einbauhöhe H1
der Federhülse 25 kleiner
als eine Ausgangshöhe H0
(3) gewählt.
Die Federhülse 25 weist
eine Vielzahl von Aussparungen 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 auf,
um ein Einfedern der Federhülse 25 bei
einer dynamischen Belastung zu ermöglichen. Die Aussparungen 43 bis 49 ermöglichen
außerdem
einen Durchfluss von Brennstoff aus dem Spalt 40 in den übrigen Teil
des Ventilraums 18. Dadurch kann Brennstoff aus dem Umgehungskanal 21 in
den Ventilraum 18 einfließen, wenn eine Öffnung 55 des
Umgehungskanals 21 zumindest teilweise geöffnet ist.
In dem in der 2 dargestellten Ausgangszustand,
in dem der Dichtkegel 24 an der Dichtkante 37 anliegt, ist
die Öffnung 55 des
Umgehungskanals 21 maximal geöffnet. Durch die Ausgestaltung
und die Anzahl der Aussparungen 43 bis 49 kann
die Federrate der Federhülse 25 vorgegeben
werden. Die Aussparungen 43 bis 49 sind dabei
gleichmäßig über die
Federhülse 25 verteilt,
um eine gleichmäßige Kraftentfaltung
der Federhülse 25 zur
gleichmäßigen Beaufschlagung der
Dichtkante 37 mittels des Dichtkegels 24 des Ventilbolzens 22 zu
erreichen. Speziell erfolgt die Beaufschlagung des Ventilbolzens 22 zumindest
im Wesentlichen in Richtung der Achse 42 und ohne das Auftreten
von Querkräften.
Dadurch ist auch sichergestellt, dass in dem in der 2 dargestellten
Ausgangszustand ein vollständiges
Verschließen
der Abflussöffnung 36 erreicht
ist, so dass insbesondere Beschädigungen
durch Kavitation verhindert sind. Die Stirnflächen 56, 57 der
Federhülse 25 sind
eben ausgestaltet und gegebenenfalls geschliffen ausgeführt. Dadurch
wird eine gleichmäßige Anlage
der Federhülse 25 an
der Drosselplatte 8 beziehungsweise dem Dichtkegel 24 erreicht,
so dass eine axiale Ausrichtung der Federhülse 25 erzielt und
eine gleichmäßige Kraftübertragung
erreicht werden kann.
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3 zeigt
die in der 2 dargestellte Federhülse in einer
Seitenansicht aus der in 2 mit III bezeichneten Blickrichtung.
Dabei sind in der 3 weitere Aussparungen 50, 51, 52 der
Federhülse 25 gezeigt,
während
die Aussparungen 48, 49 hinter den Aussparungen 44 und 46 liegen.
Dadurch liegen auf jeder Höhe 70, 71, 72, 73, 74,
die in Richtung der Achse 42 definiert sind, jeweils zwei
der Aussparungen 43 bis 52. Beispielsweise liegen
auf der Höhe 70 die
Aussparungen 43, 50, die jeweils eine Bogenlänge von
fast 180° haben,
so dass zwischen diesen ein Steg 58 mit einer Breite 59 verbleibt.
Dabei sind die Aussparungen 43, 50 in einer Umfangsrichtung 60 betrachtet
hintereinander angeordnet. Die den Aussparungen 43, 50 am
Nächsten liegenden
Aussparungen 44, 58, die auf der Höhe 71 angeordnet
sind, sind in Umfangsrichtung 60 gesehen um 90° versetzt
zu den Aussparungen 43, 50 angeordnet, um eine
gleichmäßige Kraftentfaltung
der Federhülse 25 zu
gewährleisten.
Entsprechend sind die Aussparungen 45, 51, die
auf der Höhe 72 liegen, um
90° versetzt
zu den Aussparungen 44, 48 angeordnet, so dass
deren Anordnung in Umfangsrichtung 60 gesehen mit der Anordnung
der Aussparungen 43, 50 übereinstimmt. Dies gilt auch
für die
Aussparungen 47, 52, während die Aussparungen 46, 49 in
Umfangsrichtung 60 gesehen entsprechend der Aussparungen 44, 48 angeordnet
sind.
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Die
Aussparungen 43 bis 52 sind alle gleich ausgestaltet.
Insbesondere sind die Aussparungen 43 bis 52 als
schlitzförmige
Aussparungen ausgebildet, wobei im Bereich der Enden der Aussparungen 43, 52 Abrundungen 61 vorgesehen
sind, wie es am Beispiel der Aussparung 52 gezeigt ist.
Durch eine Aussparungshöhe 62 und
eine in Umfangsrichtung 60 vorgesehene Krümmung 63 der
Aussparungen 43 bis 52 kann in gewissen Grenzen
die Federrate der Federhülse 25 vorgegeben
werden. Ein wesentlicher Einfluss wird allerdings durch die Stegbreite 59 des Steges 58 und
weiterer Stege zwischen den Aussparungen 43 bis 52,
von denen in der 3 die Stege 80, 81 gekennzeichnet
sind, ermöglicht.
Die Vorspannkraft der Federhülse 25 wird
durch die Differenz zwischen der Ausgangslänge H0 und der Einbaulänge H1 vorgegeben.
Dabei kann die Federhülse 25 zusätzlich gesetzt
werden, um eine Abnahme der Vorspannkraft über die Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils 1 zumindest
zu verringern. Das Setzen der Federhülse 25 kann beispielsweise
durch Beaufschlagen der Federhülse 25 mit
dem 1,3- bis 1,5-fachen der Vorspannkraft erfolgen. Zusammen mit
der Wahl einer Wanddicke der Federhülse 25 und dem Material
der Federhülse 25 kann
die Federrate der Federhülse 25 mit
den oben beschriebenen Möglichkeiten
in einem großen
Bereich vorgegeben werden. Die Federhülse 25 kann beispielsweise
aus einem nahtlos gezogenen Rohrabschnitt aus einem Blech mit einer
Wanddicke von 0,1 mm, 0,15 mm oder 2 mm hergestellt werden. Der
Innendurchmesser 38 der Federhülse sowie die Ausgangshöhe H0 können beispielsweise
jeweils einige Millimeter betragen.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.