Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehgestellrahmen für Schienenfahrzeuge mit mindestens zwei Radsätzen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Laufwerk eines Schienenfahrzeuges besteht aus einem Drehgestell, bei dem Radsätze in einem gegenüber dem Wagenkasten drehbaren Rahmen gelagert sind. Drehgestelle werden in verschiedenen Bauarten und Ausführungen gebaut. Ein sehr altes Drehgestell ist das Schwanenhals-Drehgestell oder Drehgestelle von Görlitz und Minden-Deutz. Das Chassis eines Drehgestells muss hohe Traglasten aufnehmen können und besteht aus wenigstens einem Querträger, auf dem das Zapfendrehgelenk der Karosserie des Waggons ruht. An den Enden des Querträgers sind zwei parallel zueinander angeordnete Längsträger befestigt. Die Längsträger stehen mittels einer Aufhängung mit den vier Rädern des Drehgestells in Verbindung. Die Aufhängungen bestehen aus unterschiedlichen Federgruppen, die koaxial montiert sind. Heute bestehen solche Federsysteme in der Regel aus einer Sekundärfederung und einer Primärfederung. Solche Drehgestelle sind beispielsweise in der EP 1 150 872 B1, EP 1 637 425 A2, US 4,258,629 A, DE 198 19 412 C1 oder EP 2 165 913 B1 beschrieben. Aus EP 2 669 138 A1 ist auch ein Drehgestell bekannt, bei dem der Rahmenkörper aus einem monolithischen Gusskörper aus Graugussmaterial gebildet ist.

In klassischer Ausführung werden größere Eisenbahnwagen mit zwei Drehgestellen, die je zwei Radsätze aufweisen, ausgerüstet. Jedoch sind auch Ausführungen bekannt, bei denen je nach Eisenbahnwagenaufbau eine variable Anzahl von Achsen und Rädern pro Drehgestell zum Einsatz kommen kann. So wird man die Anzahl der Radsätze der erwünschten und zugelassenen Traglast eines Wagens anpassen.

An einem Drehgestellrahmen werden alle weiteren Teile wie beispielsweise Radsätze, Federung und Dämpfer befestigt. Zumeist besteht der Drehgestellrahmen aus einer geschweißten Stahlkonstruktion, zum Teil ist der Rahmen auch aus Stahl gegossen.

Das Drehgestell umfasst ferner einen Drehzapfen, auch Drehpfanne genannt, der das Drehgestell mit dem Wagenkasten verbindet und meist auch die Längskräfte zwischen Wagenkasten und Drehgestell überträgt. Das Drehgestell bewegt sich um die vom Drehzapfen gebildete vertikale Achse.

Die bisherigen Drehgestellrahmen sind äußerst schwer, weisen eine hohe Eigenspannung auf und unterliegen, wenn aus Stahl gefertigt, der Korrosion. Schweißkonstruktionen aus Stahlblechen und Stahlrohren sind äußerst aufwändig in ihrer Herstellung und somit kostenintensiv. Verschweißte Drehgestellrahmen weisen zudem Schweißnähte auf, die Spannungen ausgesetzt sind und bei starker Belastung reißen können. Solche Schweißnähte an Stahlkonstruktionen sind bei hochbelasteten Bauteilen, wie einem Drehgestellrahmen, besonders anfällig für mechanische Belastungen, welche letztendlich die mechanische Belastbarkeit der Bauteile herabsetzen.

Die bisher bekannten Drehgestellrahmen verursachen zudem laute Fahrgeräusche, welche nur durch aufwändige Dämpfungsmaßnahmen reduziert werden können.

Darstellung der Erfindung:
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehgestellrahmen für Schienenfahrzeuge mit mindestens zwei Radsätzen bereitzustellen, das in seinem Gewicht gegenüber einer Stahlkonstruktion reduziert ist und bei dem die Fahrgeräusche deutlich vermindert sind. Vorzugsweise wird das Gewicht um etwa 40 % gegenüber einer Stahlkonstruktion reduziert. Die Reduzierung des Gewichtes ist abhängig von der jeweiligen Ausführungsvariante.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Drehgestellrahmen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Drehgestellrahmens. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen wieder.

Der erfindungsgemäße Drehgestellrahmen für Schienenfahrzeuge mit mindestens zwei Radsätzen besteht aus zwei über den Achslagern parallel zueinander verlaufenden Längsträgern, die mit einem oder mehreren Querträgern miteinander verbunden sind. In einer Variante kann funktionsbedingt das Zusammenfügen von Längsträgern und Querträger über Schraubverbindungen oder Schweißverbindung erfolgen. Innerhalb des Drehgestellrahmens befindet sich ein Aufnahmebereich für eine Anbindung des Drehzapfens und andere Funktionselemente. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Drehgestellrahmen vollständig als ein Gussteil aus einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise im Sandformgussverfahren, hergestellt wird. In diesem Verfahren lassen sich Hohlräume oder Hohlprofile herstellen, die durch Verrippungen stabilisiert sind.

Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Drehgestellrahmen im Aluminium-Sandformgussverfahren gefertigt. Die Form wird vorzugsweise mittels einer Modelleinrichtung im Handformverfahren oder auch im Kernblockformverfahren hergestellt. Es handelt sich um eine "verlorene Form", da die Form und die Kerne aus chemisch- oder tongebundenem Sand nach dem Abguss zerstört werden müssen.

Typische Funktionselemente bei Drehgestellen von Schienenfahrzeugen sind Elemente für den sicheren Lauf des Schienenfahrzeuges auf dem Gleiskörper. Wie auch der Drehgestellrahmen gehören dazu die Primär- und Sekundärfederung, Dämpfungen, Bremsanlagen, Radsätze, je nach Ausführung auch Motoren und Getriebe.

Die Erfindung betrifft einen Drehgestellrahmen als einziges, ganzes Gussteil aus einer Aluminiumlegierung, der die Funktionselemente mit deren Krafteinleitung und Lasten aufnimmt und den sicheren Betrieb garantiert. Somit liegt der Drehgestellrahmen als ein einzelnes Gussteil vor, das die bislang bekannten Stahlkonstruktionen bei Drehgestellen für Schienenfahrzeuge ersetzen soll. Aufwändige Schweißarbeiten und spannungsanfällige Schweißnähte werden dadurch vermieden. Durch die Herstellung des Drehgestellrahmens in einem Stück aus einer Aluminiumlegierung reduziert man ferner die Kosten um ca. 30 bis 50 %. Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber bekannten Drehgestellrahmen aus Stahl. Das Prüfintervall im Dauerbetrieb zur Prüfung des Bauteils auf Spannungsrisse kann entsprechend den Berechnungsergebnissen, des Dauerschwingtestes und den laufenden Untersuchungsergebnissen angepasst und vergrößert werden.

Die technischen Parameter des über das Sandformgussverfahren hergestellten Drehgestellrahmens sind optimal auf die mechanischen Belastungen und die Erfordernisse des Dauerbetriebes abgestimmt. Vorzugsweise werden die Hohlräume des Drehgestellrahmens mit in der Form gelagerten Sandkernen aus chemisch gebundenen Sanden hergestellt. Durch die im Herstellprozess stattfindende Wärmebehandlung in T6 ist das Gussteil nahezu spannungsfrei. Eigenspannungen können durch die Wärmebehandlung im Herstellprozess vernachlässigt werden. Durch die Konstruktion und die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung lässt sich eine Gewichtsreduzierung von etwa 40 % erreichen.

Durch die im Inneren des Gussteils ausgebildeten Hohlräume und die darin vorgesehenen Verrippungen wird die erforderliche Stabilität gewährleistet.

Die Hohlräume der beiden Längsträger und/oder der Querträgerkönnen vorzugsweise als Luftreservebehälter für die Funktionselemente des Schienenfahrzeugs genutzt werden. Dies hat einen erheblichen Vorteil gegenüber den Luftreservebehältern bei bekannten Drehgestellrahmen, wie z.B. für die Traversen oder aus Stahlblech extra zu diesem Zweck geschweißter Luftbehälter. Durch die Hohlräume des Drehgestellrahmens können Luftreservebehälter geschaffen werden, welche diese Funktion vollständig übernehmen können. Dadurch können aufwändige Konstruktionen über Traversen oder andere Formen von Luftbehältern entfallen. Natürlich muss sichergestellt sein, dass die dafür vorgesehenen Hohlräume des Drehgestellrahmens luftdicht hergestellt und entsprechend der technischen Vorgaben geprüft werden.

In einer bevorzugten Variante sind ferner an der Unterseite an gefährdeten Bereichen Rippen zum Abhalten von Steinschlag vorgesehen. Diese Bereiche müssen vor Steinschlag geschützt werden, weil diese an der Unterseite des Drehgestellrahmens zu finden sind und jeweils vor in Fahrtrichtung hochgesaugtem Schotter schützen müssen. Die Rippen haben einen Abstand von wenigstens 20 mm und sind wenigstens 5 mm dick.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen den Rippen eine Gummierung eingebracht wird, vorzugsweise durch Aufspritzen einer wenigstens 5 mm dicken Schicht. Durch das Aufbringen der Gummierung können unter den Zügen angeschraubte Stahlbleche entfallen, was einen weiteren erheblichen Kosten- und Nutzenvorteil des erfindungsgemäßen Drehgestellrahmens darstellt.

Vorzugsweise kommt als Aluminiumlegierung eine Legierung aus Aluminium, Silizium und Magnesium zum Einsatz. Wahlweise können auch Mangan, Kupfer oder Zink zugemengt sein, wenn die Oberflächen nicht durch Korrosion belastet und mit elastischem Nasslack geschützt sind. Vorzugsweise soll jedoch der Kupfer- und Zinkgehalt zur Vermeidung von Korrosionen gering gehalten werden. Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung ermöglicht ein Gussteil mit hohen mechanischen Eigenschaften und ist korrosionsfest. Vorzugsweise kommt für das erfindungsgemäße Gussteil AC-AlSi7Mg0, 3ST6 zum Einsatz. Das Gussteil selbst ist homogen und spannungsverträglich aufgebaut. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gussteil zum Schutz vor korrosionsverursachenden Einflüssen mit einem elastischen Oberflächenschutz versehen.

Die Lasten und Kräfte der Primärfedern über den Radsätzen werden vorzugsweise durch hutförmige Einsätze aus korrosionsfreiem Stahl großflächig und breit in den Drehgestellrahmen eingeleitet. Dadurch werden die Vorteile der Stützwirkung im Bauteil besser ausgenutzt und punktuelle Überlastungen in den Tragarmen vermieden. Der Überstand des Einsatzes überträgt die Belastungen umlaufend über den gesamten Durchmesser und die gesamte Fläche.

Durch das erfindungsgemäße Gussteil aus Aluminium werden Lärm und Fahrgeräusche erheblich vermindert. Durch die Wahl der Verrippungen im Inneren der Hohlräume lassen sich Funktion und Stabilität miteinander effizient kombinieren. Die Verrippungen. werden in verschiedener Form und Dicke entsprechend dem errechneten Spannungsbild gestaltet.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Drehgestellrahmens für Schienenfahrzeuge mit mindestens zwei Radsätzen, zwei über den Achslagern parallel zueinander laufenden Längsträgern und den Querträgern, die die Längsträger verbinden und als Luftreservebehälter ausgeführt sind. Längsträger und Querträger können zur Aufnahme von Funktionselementen ausgestaltet sein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Drehgestellrahmen vollständig als ein Gussteil aus einer Aluminiumlegierung im Sandformguss mit mehreren mit Rippen stabilisierten Hohlräumen gefertigt wird. Vorzugsweise werden die Hohlräume mit in der Form gelagerten Sandkernen aus chemisch gebundenen Sanden hergestellt. In einer bevorzugten Variante werden die Hohlräume der beiden Längsträger und/oder die Querträger als Luftreserveräume ausgebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Gussteil homogen und spannungsfrei aufgebaut und vorzugsweise mit einem elastischen Oberflächenschutz versehen wird. Der Oberflächenschutz ohne thermische Belastung des Bauteils und der sehr geringe Anteil an Eigenspannungen garantieren ein optimales Verhalten des Bauteiles im Zustand der Betriebsbelastungen. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Stahleinsätze aus korrosionsfreiem Stahl bei der Herstellung des Drehgestellrahmens in das Gussprofil der Längsträger eingelassen werden.

Die Merkmale der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsvarianten sind auch miteinander kombinierbar. Die Erfindung umfasst deshalb auch Kombinationen verschiedener Ausführungsvarianten, selbst wenn diese nicht im Detail in den Ausführungsbeispielen beschrieben sind.

Die Erfindung betrifft ferner auch ein Schienenfahrzeug, das mit einem erfindungsgemäßen Drehgestellrahmen als ein Gussteil aus einer Aluminiumlegierung im Sandformguss mit einem Hohlraumprofil gefertigt ist.

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit:
In Fig. 1 ist eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Drehgestellrahmens 1 als ein einstückiges Bauteil in Aluminiumguss gezeigt. Zu erkennen ist der erfindungsgemäße Drehgestellrahmen 1 mit zwei parallel zueinander angeordneten Längsträgern 3. Die beiden Längsträger 3 sind durch zwei miteinander verbundenen Querträgern 2 miteinander verbunden. Die beiden Querträger 2 sind wiederum über zwei zentrale Längsbrücken 4 miteinander verbunden, welche einen Aufnahmebereich 5 für Funktionselemente umfassen. An den beiden Querträgern 2 sind jeweils zwei sich gegenüberliegende Nasen 7 als Seitenanschläge ausgebildet.

Am kompletten Bauteil werden Befestigungen für Funktionselemente und Schnittstellen vorgesehen, die gegenüber der Oberfläche erhaben sein können. Durch die spannungsflussgerechte Gestaltung können Lasten und Kräfte kontrolliert in das Innere des Aluminiumbauteils geleitet werden.

In den Fig. 2 bis 4 ist das Hohlraumprofil der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform dargestellt. Das Innere des Gussteils ist hohl und besteht aus einem oder mehreren Hohlräumen 10, die über Verrippungen 9 voneinander getrennt sind. Diese bestehen aus Längsrippen und Querrippen in verschiedener Gestaltung an den Stellen, welche besonders stark beansprucht werden. Die Verrippungen 9 stabilisieren das Gussteil, verteilen die Spannungen und übernehmen die tragende Funktion.

In Fig. 2 ist eine Seitenansicht gezeigt. Man erkennt, dass die beiden Längsträger 3 mit zwei Querträgern 2 verbunden sind, an den jeweils zwei sich gegenüberliegende Nasen 7 als Seitenanschlag angegossen sind. Die Rippen 9 im Inneren des Gussteils übernehmen gemeinsam mit den Außenwänden 8 die tragende Funktion des Bauteiles.

In Fig. 3 ist die Darstellung einer Draufsicht eines mittig geschnittenen Bauteils gezeigt. Man erkennt einen Aufnahmebereich 5 für Funktionselemente sowie die Längsbrücke 4. Die Stahlbuchsen 6 sind zur Lasteinleitung aus den Primärfedern in das Bauteil (Längsträger 3) eingelassen. Diese haben eine Hutform und nutzen alle aufliegenden Flächen im Bauteil, die Lasten verträglich und gleichmäßig in das Bauteil einzuleiten.

In Fig. 4 sind die einzelnen Verrippungen 9 des Hohlraums dargestellt.

Die erfindungsgemäße Konstruktion aus Aluminiumguss zeichnet sich durch eine erhebliche Kostenreduktion bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion aus. Dabei werden die Fahrgeräusche erheblich vermindert. Aufwändige Schweißarbeiten an Bauteilen aus Stahl, wie Traversen aus Eisenwerkstoffen und Luftbehältern aus Stahlblech können entfallen. Dies stellt erhebliche Vorteile gegenüber bekannten Drehgestellrahmen dar.