扈 嘉 張立鵬 崔宇航

（天津大學內燃機研究所 天津 300072）

引言

三輪摩托車具有優(yōu)于兩輪摩托車的承載運輸能力，且價格低廉，經(jīng)濟實用，市場消費群體逐年急劇增加。車架是三輪摩托車最關鍵的承載部件，是其它零部件的載體，同時也是整車安全與性能的保障[1-2]。本文新設計了一款從外觀到結構等多方面打破市場現(xiàn)有三輪摩托車產(chǎn)品設計格局的新型車架。我國是三輪摩托車生產(chǎn)大國，有與之相適應的技術支撐是三輪摩托車行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的必要條件。

1 新型車架設計

傳統(tǒng)的三輪摩托車車架的設計方法主要是基于經(jīng)驗與市場反饋相結合，整個車身大多數(shù)采用矩形管材與板材組合的焊接結構，其結構特點明顯、簡單但焊縫多，焊接變形及焊接應力較大，對車身強度影響嚴重，承載能力較低[3]。

新型車架結構上分為前后兩個部分。前部主要采用開口變截面梁和等截面型材焊接的形式，后部采用開口等截面型材鉚接的形式，并應用等強度準則對車架進行優(yōu)化設計。后部與前部車架之間通過鉚接襯板用鉚釘進行連接。鉚接與其它連接方式相比具有抵抗沖擊和振動能力強，連接緊固且拆裝靈活，工作環(huán)境環(huán)保及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。

1.1 車架焊接部分設計

車架的前部主要由車頭管、左右彎梁、下彎梁、保險杠、左右支撐梁及底盤架前支撐等組成，整體的框架較傳統(tǒng)型車架有更強的三維立體結構，如圖1所示。在外觀上，車架前部有摩托車跑車的風格，左右寬大的斜梁顯得整車力量十足，因采用開口等強度設計思路，質量與傳統(tǒng)車架相比并未增加。另外，新穎的保險杠設計，配合將來全新設計的外觀件，使得整車在保證結構強度的同時，實現(xiàn)了從內到外的實質性突破。

圖1 車架前部焊接結構

前期市場調查結果顯示，車架主要破壞方式之一即為車頭管處的斷裂。該新型車架設計上充分考慮傳統(tǒng)車架在該處的設計弱點，采用左右彎梁包裹車頭管與底部焊接加強板相結合的結構形式，此種結構明顯提高車頭管部分的強度，降低車架在車頭管處斷裂的可能；左右斜梁是前部車架主要承受梁，該梁在設計過程中需要考慮避讓發(fā)動機、增扭器以及人機等方面的影響；左右下彎梁主要承受動力系統(tǒng)的重量和扭轉載荷以及小部分的整車和貨物載荷，考慮到型材規(guī)格的一致性，該梁選用與后面的鉚接部分的橫縱梁具有相同截面的冷彎等邊槽鋼；保險杠作為整車的附屬件主要起保護作用，連接方式采用螺栓與下彎梁進行連接，整體造型較為新穎；左右支撐梁為變截面開口梁，它主要起支撐駕駛員的作用，同時連接左右斜梁和底盤架前支撐。與傳統(tǒng)車架相比，該結構增強了車架中間部位的強度和剛度，同時也增加了整個車架的強度和剛度；底盤架前支撐是由第一橫梁、兩個左右支撐梁和兩個中間支撐梁組成，其中第一橫梁是后面鉚接車架部分最主要的連接梁。

1.2 車架鉚接部分設計

1.2.1 鉚接部分設計

基于上述鉚接方式的優(yōu)點，車架后部結構采用鉚接設計，主要由縱梁、橫梁、左右下彎梁及鉚接襯板、板簧前后吊耳、副板簧吊耳、加強梁及貨箱固定板等組成。這些零部件都是通過鉚接的形式相互連接，鉚釘?shù)臄?shù)量為236個，如圖2所示。橫梁、縱梁和下彎梁是相同規(guī)格的槽鋼通過24個鉚接襯板連接在一起的。

圖2 車架后部鉚接結構

整個車架含有兩根結構相同的縱梁，它是最受考驗的主要支撐貨物載荷的構件，故設計時采用5根橫梁來增加它的抗扭轉和抗變形能力，同時還輔以下彎梁和中間加強梁來分擔它的抗彎能力；車架共有5根橫梁（包括底盤架前支撐上的第1橫梁），如圖3所示，第2根橫梁與第4根橫梁的端部與鉚接襯片連為一體，不僅可以提高縱梁的抗壓變形的能力，而且還提高縱梁上板簧吊耳處的抗扭轉能力；車架兩根下彎梁與左右斜梁用平行搭接的方式進行鉚接，與第3根橫梁鉚接，該種連接方式形成的立體的框架結構對2個縱梁框架起到很好的支撐作用；另外，前面2根縱向加強梁主要起到束縛第1橫梁和縱梁彎曲變形的作用，當?shù)?橫梁的彎曲變形減小時，與之相連的縱梁變形和應力值也會相應減少，整體結構之間形成了有聯(lián)系的約束，與前端焊接部分結構構成了端點對端點的框架結構。

圖3 封閉框架結構

1.2.2 鉚接形式

新型車架的鉚接形式主要包括垂直襯板式鉚接、平行搭接式鉚接、垂直搭接式鉚接、兩面搭接式鉚接4種[4-5]。

1）垂直襯板式鉚接

車架有12處垂直襯板搭接式鉚接，由于橫梁和縱梁的截面是完全一致，所以采用穿入梁的方式進行鉚接不可行，只有借助鉚接襯片實現(xiàn)梁間連接，上下兩個鉚接襯片分別貼緊兩根梁的內側面進行垂直方式的鉚接，垂直搭接式鉚接結構如圖4a所示。同時三角襯片在橫梁與縱梁連接角的位置起到了三角加強的作用。

2）平行搭接式鉚接

車架有2處平行搭接式鉚接，結構如圖4b所示。下彎梁穿到了前斜梁的內側，用兩排共7個鉚釘進行鉚接，兩個鉚接梁在這里相互重疊，相當于在這強度較差的位置增加一層壁厚，這一局部的強度較傳統(tǒng)車架也會有明顯改善。

3）垂直搭接式鉚接

車架有18處垂直搭接式鉚接，主要用于實現(xiàn)加強梁、增扭器支架和貨箱連接架與車架的連接。每個接點有兩個鉚釘進行連接。垂直搭接式鉚接結構如圖4c所示。

4）兩面搭接式鉚接

車架有8處兩面搭接式鉚接，主要用于實現(xiàn)板簧吊耳和副板簧支撐板與車架間的連接，該種連接方式有效提高了連接處結構的抗扭轉性能。兩面搭接式鉚接結構如圖4d所示。

圖4 鉚接形式

1.2.3 鉚接空間驗證

考慮到鉚接時需要有足夠的空間來確保操作鉚接設備，因此，新型車架在設計時用現(xiàn)有的鉚接設備進行空間校核。圖5所示為鉚接的設備空間布置，所有的位置都是可以被鉚接上，但不同部位的鉚接要有先后順序，如橫梁和縱梁要先鉚，下彎梁要在它們鉚接完之后再進行鉚接。

圖5 鉚接空間驗證

2 車架主要焊接與鉚接零件成型工藝

車架主要零部件按照類型分有：型材、鈑金件、鑄件和機加工件，下面依次介紹其成型工藝。

2.1 型材成型工藝

車架上的型材主要有橫梁、縱梁、彎梁和角鋼，其成型過程中最重要的共同點是要保證鉚接孔的位置精度。

橫梁和縱梁采用在數(shù)控機床上翻邊和打孔同時成型方式，因數(shù)控加工精度高，因此可以保證孔的精度。所有鉚接梁都要加工鉚接孔，且鉚接孔與鉚釘間需留出0.2 mm間隙。同時，由于縱梁比較重，在縱梁上還要加工一些工藝孔，以便在鉚接時定位和移動。

彎梁通過彎梁設備進行平面和空間折彎。對于精度要求不高的孔可以采用先沖后折彎工序，如保險杠安裝孔。對鉚接件上的鉚釘安裝孔必須采用先折彎再加工孔的工序，以保證孔的相對位置精度。

2.2 鈑金件成型工藝

鈑金件主要有鉚接襯板、左右斜梁和左右支撐梁、座墊支架、發(fā)動機支架及貨箱連接架等。鉚接襯板成型方法主要是沖孔、落料和翻邊。鈑金鉚接件成型后，鉚接孔要保證位置精度的要求。斜梁是直接用模具沖壓成型的，成型之后再打后端的鉚接孔，可以保證孔的位置精度。

2.3 鑄造件成型工藝

車架上的鑄造件主要是前后板簧吊耳和副板簧支撐板，采用壓鑄成型。非拔模方向的特征可以加鑲塊一次直接成型，也可以不加鑲塊后期加工孔，這兩種方式都可以保證零件的最終精度。

2.4 機加工件成型工藝

機加工件主要是車頭管、制動踏板軸和制動拉桿軸。車頭管需要加工內側兩端部的軸承座，加工時要保證兩個軸承座的位置度和粗糙度的要求。制動踏板軸和制動拉桿軸精度要求不高，需要加工兩端的圓柱面，一端焊接固定用，另一端用作轉動軸。

3 車架焊接與鉚接生產(chǎn)效率

3.1 傳統(tǒng)車架焊接生產(chǎn)效率

傳統(tǒng)車架全部采用焊接工藝，焊接的部件依次為：車架前部——底盤架前支撐焊接、車架后部——底盤架焊接及車架總成焊接。底盤架前支撐焊接和底盤架焊接單人操作即可完成，整個車架總成焊接需要雙人共同協(xié)作完成。焊接件的焊接需要經(jīng)過擺料、點焊和封焊3個工步。傳統(tǒng)車架焊接部件的各個工步所需要的時間如表1所示（已經(jīng)轉換成了單人操作）。

表1 原車架焊接部分各個工步時間表

3.2 新型車架焊接與鉚接部分的工作效率

3.2.1 新型車架焊接部分工作效率

新車架焊接部分的焊接總長度為7.2 m，即圖6中不同零件間的連接位置。因新型車架前部在結構上多了左右斜梁及其內襯板，且車頭管被更大范圍的包裹起來，故新型車架前半部分的焊接長度與傳統(tǒng)車架的前半部分的焊接長度相比有所增加。焊縫長度是影響最終焊接效率的主要原因。車架焊接部分各個工步所需要的時間如表2所示（已經(jīng)轉換成了單人操作）。

圖6 車架焊接位置分布圖

3.2.2 新型車架鉚接部分工作效率

新車架鉚接位置分布見圖7，大部分鉚釘分布在橫梁與縱梁的連接部位，橫梁與縱梁是通過襯板進行連接的，每個連接部位需要2個襯板和14個鉚釘，總計12個連接部位168個鉚釘。其余鉚釘分布在板簧吊耳、副板簧支撐板和一些加強梁與車架的連接部位。

圖7 車架鉚接位置分布圖

鉚接工作流程框圖如圖8所示。

圖8 鉚接工作流程框圖

鉚接的工步一般分為擺料、穿釘和鉚接，擺料的時間一般是固定的，一個鉚釘穿釘?shù)臅r間為1 s，鉚接的時間為3 s，所以鉚釘數(shù)量的多少會直接影響最終的工作效率，本結構通過有限元分析得出最終使用鉚釘數(shù)量為234個。鉚接工作最少需要2人才能完成，其中一個人負責擺料和穿釘，另一個人負責操作鉚接設備。鉚接各個工步所需要的時間如表2所示（已經(jīng)轉換成了單人操作）。

表2 新車架焊接與鉚接各個工步時間表

通過以上分析可知，新型車架在焊接與鉚接成型的工作效率上明顯高于原車焊接的效率。

4 整車物流與倉儲方案

4.1 傳統(tǒng)物流方案

傳統(tǒng)物流方案是采用雙層、雙排的裝載方式，三輪車車身傾斜放置，后一個車的前半部分騎在前一輛車的貨箱上，且后一輛車的前車輪頂在前一車貨箱的前端面上，在車輪的前后和貨箱的內側有很大的空間閑置，這樣的布置方式在運輸空間上造成很大的浪費，如圖8所示。

圖8 傳統(tǒng)的三輪車運輸方式

4.2 新車物流方案

新車則是把車輛分成了前后兩部分，將可以拆散的零件打箱，進行集中倉儲與運輸。裝有外觀件的前部車架、動力系統(tǒng)、前叉組件、車輪、板簧、傳動軸、后橋、部分后部的鉚接梁及貨箱上可以拆解的散件都可以裝在1 200 mm×1 250 mm×900 mm大小的箱子里，如圖9所示。貨箱、2個縱梁和左右彎梁單獨裝載。貨箱也能進行拆解，可以把四周圍的擋板全部拆掉，放在貨箱底板的上面，2個縱梁和左右彎梁也可以同時放在貨箱底板上面，從而更進一步節(jié)省了空間，拆解的貨箱、2個縱梁和左右彎梁的具體布置方案如圖10所示。

圖9 車架前部裝箱部分圖

新車的物流方案大大提升了貨車的裝載能力，節(jié)省大量的物流成本，同時也大量節(jié)省了倉儲成本，圖11所示為新的裝載方案示意圖。

圖10 貨箱拆解部分圖

圖11 新的裝載方案示意圖

5 結論

基于前期市場調研及對競爭車型進行各項性能試驗、有限元方法強度驗證及振動舒適性改進等基礎之上，創(chuàng)新設計一款三輪摩托車車架，并在設計過程中充分考慮了其制造的生產(chǎn)效率、工藝性與經(jīng)濟性、成品車銷售的運輸和倉儲效率，實現(xiàn)了整車在技術水平上的躍升，突破了目前國產(chǎn)三輪摩托車市場技術水平低和同質化競爭的局面。