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Patent Searching and Data


Title:
BOGIE FRAME FOR RAIL VEHICLES MADE FROM AN ALUMINUM CASTING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/121524
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a bogie frame (1) for rail vehicles having at least two wheelsets, the bogie frame comprising two longitudinal members (3), which extend parallel to each other over axle bearings, one or more cross-members (2) connected to the longitudinal members (3), and a holding region (5) for functional elements, the bogie frame (1) being produced completely as a casting of an aluminum alloy in a sand casting process, said casting having a hollow profile, which has cavities (10) in the interior and is stabilized by means of ribs (8, 9). The invention further relates to a method for producing a bogie frame of this type and to a rail vehicle equipped with a bogie frame of this type.

Inventors:
THONI, Lothar (Gschwendlistraße 9, 9108 Jakobsbad, 9108, CH)
Application Number:
EP2018/085223
Publication Date:
June 27, 2019
Filing Date:
December 17, 2018
Export Citation:
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Assignee:
THONI, Lothar (Gschwendlistraße 9, 9108 Jakobsbad, 9108, CH)
International Classes:
B61F5/52
Foreign References:
EP2669138A12013-12-04
CN106004915A2016-10-12
US3547046A1970-12-15
FR651467A1929-02-19
EP1150872B12004-03-17
EP1637425A22006-03-22
US4258629A1981-03-31
DE19819412C11999-10-07
EP2165913B12012-07-18
Attorney, Agent or Firm:
KELLER, Christian et al. (Westring 17, Landau, 76829, DE)
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Claims:
Patentansprüche:

1 . Drehgestellrahmen (1 ) für Schienenfahrzeuge mit mindestens zwei Radsätzen, umfassend zwei über Achslager parallel zueinander verlaufende Längsträger (3), einen oder mehrere mit den Längsträgern (3) verbundene Querträger (2) und Aufnahmebereiche (5) für Funktionselemente, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehgestellrahmen (1 ) vollständig als ein einziges Gussteil aus einer Aluminiumlegierung mit einem Hohlraumprofil gefertigt ist, welches im Inneren Hohlräume (10) aufweist und über Verrippungen (9) stabilisiert ist.

2. Drehgestellrahmen (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil aus Aluminium im Sandformgussverfahren hergestellt ist.

3. Drehgestellrahmen (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die

Hohlräume (10) der beiden Längsträger (3) und/oder der Querträgers (2) als

Luftreservebehälter ausgebildet sind.

4. Drehgestellrahmen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass an der Unterseite des Drehgestellrahmens (1 ) geschützte Bereiche vorgesehen sind, an denen Rippen zum Abhalten von Steinschlag angegossen sind.

5. Drehgestellrahmen (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rippen eine Gummierung vorgesehen ist.

6. Drehgestellrahmen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung aus Aluminium, Silizium und Magnesium besteht und optional Zusätze von Mangan, Kupfer und/oder Zink aufweist.

7. Drehgestellrahmen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass das Gussteil homogen aufgebaut ist und Betriebsspannungen und Lasten im Bauteil aufgenommen werden.

8. Drehgestellrahmen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass das Gussteil mit einem elastischen Oberflächenschutz versehen ist.

9. Drehgestellrahmen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Kraftaufnahme an der Primär- Federung durch Stahlbuchsen (6) unterstützt wird.

10. Drehgestellrahmen (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die

korrosionsfreien Stahlbuchsen (6) zur Krafteinleitung in die Längsträger (3) eingelassen sind.

1 1. Drehgestellrahmen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Verrippungen (9) belastungsbedingte Rippen und Querrippen umfassen.

12. Drehgestellrahmen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (5) für Funktionselemente und Schnittstellen nutzbar ist, wobei Seitenanschläge, Wanklager-Befestigungen und andere

Befestigungselemente funktionsbezogen angegossen sind.

13. Drehgestellrahmen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet ist, dass die beiden Längsträger (3) mit den Querträgern (2) verbunden sind

14. Verfahren zur Herstellung eines Drehgestellrahmens für Schienenfahrzeuge mit

mindestens zwei Radsätzen, welche zwei über Achslager parallel zueinander verlaufende Längsträger (3), einen oder mehrere mit den Längsträgern (3) verbundene Querträger (2) und einen Aufnahmebereich (5) für Funktionselemente umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehgestellrahmen (1 ) vollständig als ein Gussteil aus einer Aluminiumlegierung im Sandformgussverfahren mit einem Hohlraumprofil gefertigt wird, wobei im Inneren Hohlräume (10) ausgebildet und über Verrippungen (9) stabilisiert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (10) aus chemisch gebundenen Sanden hergestellt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (10) der beiden Längsträger (3) und/oder eines Querträgers (2) bedarfsbedingt in Form von Luftreservebehältern ausgebildet werden.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil während des Fertigungsprozesses homogen aufgebaut und anschließend mit einem elastischen Oberflächenschutz versehen wird.

18. Schienenfahrzeug, umfassend einen Drehgestellrahmen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 13.

Description:
Drehgestellrahmen für Schienenfahrzeuge aus einem Aluminiumgussteil

Beschreibung:

Technisches Gebiet:

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

Stand der Technik:

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.

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 hersteilen, 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-AISi7MgO, 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.