三轮摩托车新型车架设计

扈 嘉 张立鹏 崔宇航

（天津大学内燃机研究所 天津 300072）

引言

三轮摩托车具有优于两轮摩托车的承载运输能力，且价格低廉，经济实用，市场消费群体逐年急剧增加。车架是三轮摩托车最关键的承载部件，是其它零部件的载体，同时也是整车安全与性能的保障[1-2]。本文新设计了一款从外观到结构等多方面打破市场现有三轮摩托车产品设计格局的新型车架。我国是三轮摩托车生产大国，有与之相适应的技术支撑是三轮摩托车行业健康持续发展的必要条件。

1 新型车架设计

传统的三轮摩托车车架的设计方法主要是基于经验与市场反馈相结合，整个车身大多数采用矩形管材与板材组合的焊接结构，其结构特点明显、简单但焊缝多，焊接变形及焊接应力较大，对车身强度影响严重，承载能力较低[3]。

新型车架结构上分为前后两个部分。前部主要采用开口变截面梁和等截面型材焊接的形式，后部采用开口等截面型材铆接的形式，并应用等强度准则对车架进行优化设计。后部与前部车架之间通过铆接衬板用铆钉进行连接。铆接与其它连接方式相比具有抵抗冲击和振动能力强，连接紧固且拆装灵活，工作环境环保及生产效率高等优点。

1.1 车架焊接部分设计

车架的前部主要由车头管、左右弯梁、下弯梁、保险杠、左右支撑梁及底盘架前支撑等组成，整体的框架较传统型车架有更强的三维立体结构，如图1所示。在外观上，车架前部有摩托车跑车的风格，左右宽大的斜梁显得整车力量十足，因采用开口等强度设计思路，质量与传统车架相比并未增加。另外，新颖的保险杠设计，配合将来全新设计的外观件，使得整车在保证结构强度的同时，实现了从内到外的实质性突破。

图1 车架前部焊接结构

前期市场调查结果显示，车架主要破坏方式之一即为车头管处的断裂。该新型车架设计上充分考虑传统车架在该处的设计弱点，采用左右弯梁包裹车头管与底部焊接加强板相结合的结构形式，此种结构明显提高车头管部分的强度，降低车架在车头管处断裂的可能；左右斜梁是前部车架主要承受梁，该梁在设计过程中需要考虑避让发动机、增扭器以及人机等方面的影响；左右下弯梁主要承受动力系统的重量和扭转载荷以及小部分的整车和货物载荷，考虑到型材规格的一致性，该梁选用与后面的铆接部分的横纵梁具有相同截面的冷弯等边槽钢；保险杠作为整车的附属件主要起保护作用，连接方式采用螺栓与下弯梁进行连接，整体造型较为新颖；左右支撑梁为变截面开口梁，它主要起支撑驾驶员的作用，同时连接左右斜梁和底盘架前支撑。与传统车架相比，该结构增强了车架中间部位的强度和刚度，同时也增加了整个车架的强度和刚度；底盘架前支撑是由第一横梁、两个左右支撑梁和两个中间支撑梁组成，其中第一横梁是后面铆接车架部分最主要的连接梁。

1.2 车架铆接部分设计

1.2.1 铆接部分设计

基于上述铆接方式的优点，车架后部结构采用铆接设计，主要由纵梁、横梁、左右下弯梁及铆接衬板、板簧前后吊耳、副板簧吊耳、加强梁及货箱固定板等组成。这些零部件都是通过铆接的形式相互连接，铆钉的数量为236个，如图2所示。横梁、纵梁和下弯梁是相同规格的槽钢通过24个铆接衬板连接在一起的。

图2 车架后部铆接结构

整个车架含有两根结构相同的纵梁，它是最受考验的主要支撑货物载荷的构件，故设计时采用5根横梁来增加它的抗扭转和抗变形能力，同时还辅以下弯梁和中间加强梁来分担它的抗弯能力；车架共有5根横梁（包括底盘架前支撑上的第1横梁），如图3所示，第2根横梁与第4根横梁的端部与铆接衬片连为一体，不仅可以提高纵梁的抗压变形的能力，而且还提高纵梁上板簧吊耳处的抗扭转能力；车架两根下弯梁与左右斜梁用平行搭接的方式进行铆接，与第3根横梁铆接，该种连接方式形成的立体的框架结构对2个纵梁框架起到很好的支撑作用；另外，前面2根纵向加强梁主要起到束缚第1横梁和纵梁弯曲变形的作用，当第1横梁的弯曲变形减小时，与之相连的纵梁变形和应力值也会相应减少，整体结构之间形成了有联系的约束，与前端焊接部分结构构成了端点对端点的框架结构。

图3 封闭框架结构

1.2.2 铆接形式

新型车架的铆接形式主要包括垂直衬板式铆接、平行搭接式铆接、垂直搭接式铆接、两面搭接式铆接4种[4-5]。

1）垂直衬板式铆接

车架有12处垂直衬板搭接式铆接，由于横梁和纵梁的截面是完全一致，所以采用穿入梁的方式进行铆接不可行，只有借助铆接衬片实现梁间连接，上下两个铆接衬片分别贴紧两根梁的内侧面进行垂直方式的铆接，垂直搭接式铆接结构如图4a所示。同时三角衬片在横梁与纵梁连接角的位置起到了三角加强的作用。

2）平行搭接式铆接

车架有2处平行搭接式铆接，结构如图4b所示。下弯梁穿到了前斜梁的内侧，用两排共7个铆钉进行铆接，两个铆接梁在这里相互重叠，相当于在这强度较差的位置增加一层壁厚，这一局部的强度较传统车架也会有明显改善。

3）垂直搭接式铆接

车架有18处垂直搭接式铆接，主要用于实现加强梁、增扭器支架和货箱连接架与车架的连接。每个接点有两个铆钉进行连接。垂直搭接式铆接结构如图4c所示。

4）两面搭接式铆接

车架有8处两面搭接式铆接，主要用于实现板簧吊耳和副板簧支撑板与车架间的连接，该种连接方式有效提高了连接处结构的抗扭转性能。两面搭接式铆接结构如图4d所示。

图4 铆接形式

1.2.3 铆接空间验证

考虑到铆接时需要有足够的空间来确保操作铆接设备，因此，新型车架在设计时用现有的铆接设备进行空间校核。图5所示为铆接的设备空间布置，所有的位置都是可以被铆接上，但不同部位的铆接要有先后顺序，如横梁和纵梁要先铆，下弯梁要在它们铆接完之后再进行铆接。

图5 铆接空间验证

2 车架主要焊接与铆接零件成型工艺

车架主要零部件按照类型分有：型材、钣金件、铸件和机加工件，下面依次介绍其成型工艺。

2.1 型材成型工艺

车架上的型材主要有横梁、纵梁、弯梁和角钢，其成型过程中最重要的共同点是要保证铆接孔的位置精度。

横梁和纵梁采用在数控机床上翻边和打孔同时成型方式，因数控加工精度高，因此可以保证孔的精度。所有铆接梁都要加工铆接孔，且铆接孔与铆钉间需留出0.2 mm间隙。同时，由于纵梁比较重，在纵梁上还要加工一些工艺孔，以便在铆接时定位和移动。

弯梁通过弯梁设备进行平面和空间折弯。对于精度要求不高的孔可以采用先冲后折弯工序，如保险杠安装孔。对铆接件上的铆钉安装孔必须采用先折弯再加工孔的工序，以保证孔的相对位置精度。

2.2 钣金件成型工艺

钣金件主要有铆接衬板、左右斜梁和左右支撑梁、座垫支架、发动机支架及货箱连接架等。铆接衬板成型方法主要是冲孔、落料和翻边。钣金铆接件成型后，铆接孔要保证位置精度的要求。斜梁是直接用模具冲压成型的，成型之后再打后端的铆接孔，可以保证孔的位置精度。

2.3 铸造件成型工艺

车架上的铸造件主要是前后板簧吊耳和副板簧支撑板，采用压铸成型。非拔模方向的特征可以加镶块一次直接成型，也可以不加镶块后期加工孔，这两种方式都可以保证零件的最终精度。

2.4 机加工件成型工艺

机加工件主要是车头管、制动踏板轴和制动拉杆轴。车头管需要加工内侧两端部的轴承座，加工时要保证两个轴承座的位置度和粗糙度的要求。制动踏板轴和制动拉杆轴精度要求不高，需要加工两端的圆柱面，一端焊接固定用，另一端用作转动轴。

3 车架焊接与铆接生产效率

3.1 传统车架焊接生产效率

传统车架全部采用焊接工艺，焊接的部件依次为：车架前部——底盘架前支撑焊接、车架后部——底盘架焊接及车架总成焊接。底盘架前支撑焊接和底盘架焊接单人操作即可完成，整个车架总成焊接需要双人共同协作完成。焊接件的焊接需要经过摆料、点焊和封焊3个工步。传统车架焊接部件的各个工步所需要的时间如表1所示（已经转换成了单人操作）。

表1 原车架焊接部分各个工步时间表

3.2 新型车架焊接与铆接部分的工作效率

3.2.1 新型车架焊接部分工作效率

新车架焊接部分的焊接总长度为7.2 m，即图6中不同零件间的连接位置。因新型车架前部在结构上多了左右斜梁及其内衬板，且车头管被更大范围的包裹起来，故新型车架前半部分的焊接长度与传统车架的前半部分的焊接长度相比有所增加。焊缝长度是影响最终焊接效率的主要原因。车架焊接部分各个工步所需要的时间如表2所示（已经转换成了单人操作）。

图6 车架焊接位置分布图

3.2.2 新型车架铆接部分工作效率

新车架铆接位置分布见图7，大部分铆钉分布在横梁与纵梁的连接部位，横梁与纵梁是通过衬板进行连接的，每个连接部位需要2个衬板和14个铆钉，总计12个连接部位168个铆钉。其余铆钉分布在板簧吊耳、副板簧支撑板和一些加强梁与车架的连接部位。

图7 车架铆接位置分布图

铆接工作流程框图如图8所示。

图8 铆接工作流程框图

铆接的工步一般分为摆料、穿钉和铆接，摆料的时间一般是固定的，一个铆钉穿钉的时间为1 s，铆接的时间为3 s，所以铆钉数量的多少会直接影响最终的工作效率，本结构通过有限元分析得出最终使用铆钉数量为234个。铆接工作最少需要2人才能完成，其中一个人负责摆料和穿钉，另一个人负责操作铆接设备。铆接各个工步所需要的时间如表2所示（已经转换成了单人操作）。

表2 新车架焊接与铆接各个工步时间表

通过以上分析可知，新型车架在焊接与铆接成型的工作效率上明显高于原车焊接的效率。

4 整车物流与仓储方案

4.1 传统物流方案

传统物流方案是采用双层、双排的装载方式，三轮车车身倾斜放置，后一个车的前半部分骑在前一辆车的货箱上，且后一辆车的前车轮顶在前一车货箱的前端面上，在车轮的前后和货箱的内侧有很大的空间闲置，这样的布置方式在运输空间上造成很大的浪费，如图8所示。

图8 传统的三轮车运输方式

4.2 新车物流方案

新车则是把车辆分成了前后两部分，将可以拆散的零件打箱，进行集中仓储与运输。装有外观件的前部车架、动力系统、前叉组件、车轮、板簧、传动轴、后桥、部分后部的铆接梁及货箱上可以拆解的散件都可以装在1 200 mm×1 250 mm×900 mm大小的箱子里，如图9所示。货箱、2个纵梁和左右弯梁单独装载。货箱也能进行拆解，可以把四周围的挡板全部拆掉，放在货箱底板的上面，2个纵梁和左右弯梁也可以同时放在货箱底板上面，从而更进一步节省了空间，拆解的货箱、2个纵梁和左右弯梁的具体布置方案如图10所示。

图9 车架前部装箱部分图

新车的物流方案大大提升了货车的装载能力，节省大量的物流成本，同时也大量节省了仓储成本，图11所示为新的装载方案示意图。

图10 货箱拆解部分图

图11 新的装载方案示意图

5 结论

基于前期市场调研及对竞争车型进行各项性能试验、有限元方法强度验证及振动舒适性改进等基础之上，创新设计一款三轮摩托车车架，并在设计过程中充分考虑了其制造的生产效率、工艺性与经济性、成品车销售的运输和仓储效率，实现了整车在技术水平上的跃升，突破了目前国产三轮摩托车市场技术水平低和同质化竞争的局面。