创新设计及工艺在全地形车(ATV)上的应用与实

创新设计及工艺在全地形车（ATV）上的应用与实施
可行性报告
项目简介：全地形车（ATV）是一种集街车、公路跑车、越野车、沙滩车、登山车以及雪地车等各种不同类型摩托车用途于一身的特种车辆，其技术含量高，产品附加值大，具有广阔的市场发展前景。

本项目针对ATV的特点和特殊使用要求，对其关键部件、关键结构、关键工艺以及关键设计手段和分析方法进行研究与开发，包括研制适用于ATV的自动焊接机器人、开发能提高ATV关键零部件品质的液态模锻技术及微弧氧化技术，开发适合于ATV特殊使用环境的新型减震器，建立可进行ATV整车虚拟设计、虚拟试验和虚拟分析的虚拟样机。

本项目的特色和创新之处在于实现全地形车（ATV）的自主创新设计和制造，拥有完全自主知识产权，能缩短新产品的开发周期，节约成本，实现ATV的绿色设计，提高产品的技术含量，由此提升江门市摩托车制造业的国际竞争能力。

一、立项依据
（一）项目的目的及意义
近年来，随着摩托车行业竞争的激烈和社会消费情况的不断变化，传统的两轮摩托车市场越来越难做，此时，国内摩托车企业开始加大力度生产一种休闲娱乐车“全地形四轮车”，全地形四轮车的英文名称为All Terrain Vehicle，简称“ATV"，在中国习惯称它为“沙滩车”。

ATV兼有越野摩托车和汽车的特点，应不同市场的需求，ATV发展出不同用途和类型的车种，如实用型、越野竞技型和休闲型等类型。

目前，ATV的应用已涵盖了农业、畜牧业、林业、狩猎、景观美化、经营牧场、探险、工业、建筑、消防以及军事等领域（图1）。

ATV原本用于农耕，其车体结构的设计可以行走在各种崎岖的道路及地形上，农民们在农暇之余常常利用其进行各种竞速比赛，如此ATV也就慢慢地朝专业性比赛发生演变，并且针对不同的族群衍生出竞速型以及工作休闲型等比
赛，正是因为ATV可以适应复杂的地形进行各项挑战，因此丰富并加強了竞赛的趣味性，由此吸引了大批的热衷者。

自从1970年美国推出第一辆三轮ATV后，日本的Honda、Yamaha、Kawasaki 等厂商亦于70年代末和80年代初相继推出自己的ATV。

Suzuki于1983年推出世界首台四轮ATV（LT125），由于四轮产品稳定性较高，相对安全性也大大增加，因此使得四轮ATV渐渐成为主流，并在北美市场形成流行之势。

进入20世纪90年代初，随着人们对休闲娱乐的重视和推广，ATV市场开始快速成长。

目前，世界全地形车的市场主要集中在北美和欧洲。

根据美国摩托车产业协会的统计，ATV全球市场规模在120万辆左右，并呈逐年上升的趋势。

图1 全地形车（ATV）的应用场合示意图
由于欧美的ATV进口关税总的来说相对较低，在美国还没有强制认证（但很快实施），在欧洲也只有少数国家实行强制认证，门槛并不高，因此在最近的几年里大大地刺激了我国ATV的出口规模。

据中国汽车工业协会统计，2007年我国ATV出口25.74万辆，同比增长25.13%，创汇2.69亿美元，同比增长43.56%，呈现大幅上升趋势。

但是，我们必须清醒地认识到，我国生产的ATV的优势主要在于价格便宜，日本原装生产的ATV价格在2000~3000美元/台之间，而国产的ATV大概只在600~800美元/台之间。

究其原因，主要在于技术上与国外厂家差距太大，换言之很难在高端ATV上与国外进行竞争，可以说目前出口ATV到国外，是中国人跟中国人在低端的市场上进行竞争。

毋庸置疑，打价格战到头来只会损伤自己，而渔翁得利的将是国外的企业，所以提高研发能力以提升全地形车的技术含量，是我国ATV企业的当务之急，同时也是必由之路。

当前，我国摩托车工业已由卖方市场向买方市场转变，由于传统摩托车市场的竞争日益加剧，因此向ATV业发展已成为许多摩托车厂家的突破口之一。

根据国家汽车工业协会的一项调查，我国在册的ATV总装厂已达122家，它们散布在全国的六大省市：上海、浙江、江苏、广东、重庆、山东，厂商的数量已远远超过了美国、日本的生产厂家的总和，数量之多，是其他国家难以相比的。

除了建设（其有ATV军品任务，有国防科工委的资金支持）在做开发以外（包括发动机的开发），其余均是“拿来主义”，急功近利是国内ATV业的通病。

这说明在国内ATV产业的发展过程中，已不可避免地出现各厂家为了本位主义而争市场的局面，这将极不利于我国ATV工业的健康发展，更遑论与西方国家的ATV 巨头进行竞争。

另一方面，西方发达国家凭借其雄厚的实力不断在ATV技术创新上进行投入，日益巩固其高端ATV市场的霸主地位。

与此同时，欧美国家还不断抬高ATV 的准入门槛，竖起了一道道技术壁垒，如2008年11月25日美国消费品委员会发布了G/TBT/N/USA/43号通报，颁布《2008年消费品安全改进法案》（CPSIA），将四轮全地形车ANSI/SVIA—2007美国国家标准转为强制性标准，该法案将于今年4月13日生效。

以后中国全地形车产品要想继续出口到美国，除了要满足ANSI/SVIA—2007标准外，企业还须提供一份“行动计划”并得到美国消费品安全委员会（CPSC）的认可。

无疑，这将使企业的管理成本和销售成本大幅增加，产品利润势必遭到进一步的压缩。

综上所述，我国的全地形车(ATV)制造业要想彻底摆脱“廉价产品”的形象，只有走技术内涵发展的道路，开发出具有自主知识产权的ATV产品，这样才能在“高端产品”上与发达国家一争高下，才能在未来的市场竞争中立于不败之地。

显然，要想走出国产ATV产品日益低端化的不利局面，其办法就是提高ATV的技术含量，在产品结构、制造工艺以及研发手段上进行创新，通过技术上的突破，形成具有自主知识产权的ATV新技术和新工艺，提高ATV产品的技术含量，最终提升产品的市场竞争力。

（二）国内外同类产品和技术情况
综观全球ATV市场的发展趋势，虽然美国及加大拿等市场已迈入成熟阶段，但在澳洲、欧洲以及亚洲等新兴市场的帮助下，全球ATV市场尚有较大的成长空间。

目前全地形车发展出不同用途或类型的车种，如实用型、越野竞技型、休闲型等，涵盖了农业、畜牧业、林业、狩猎、景观美化、经营牧场、探险、工业、建筑、消防及军事等领域，由此给ATV企业带来了广阔的发展空间。

在欧美等地，有些使用者也使用全地形车来托运农作物或是船具，对于这些使用者而言，全地形车须具有强大的动力，以利物品输送，这也就是美日各大ATV厂商发展的商品皆为大排气量的全地形车的原因，所以大排气量产品的开
发已成为各ATV厂商的重要经营方针。

与此同时，欧美厂商对市场的引导非常重视，不断开发出新品以满足市场日益增长的需要，在技术上更是不遗余力地进行开拓创新，各种新结构、新工艺、新材料大胆采用。

预见将来，谁有新的发展思路，谁能把握市场的脉搏，谁拥有创新自主知识产权，那他就是ATV出口战的市场领导者。

全球性市场需要知识产权保护和正当市场竞争，因此要求同行企业必须遵守公共约束。

在国内，因ATV是唯一不受任何法规制约即可生产的车辆，1997年由上海一家民营科技企业仿制第一台ATV起，至今已发展到122家ATV总装厂，并分成四大生产区域板块：北山东，东江浙，西重庆，南广东。

中国的ATV产品除少数在旅游景点可见外，其余99%为出口，出口区域已涉及全球50余个国家（绝大部分出口到欧美市场），排量80%是100cc以下，125cc~250cc只占很少的一部份。

令人遗憾的是，中国生产的ATV在世界上是最低档次的，依产品价格来比，同排量与台湾产相差三分一多，只有欧美日的四分之一多。

造成这种状况的主要原因是唱主角的都是传统型摩托车企业，其技术研发能力普遍较低。

尽管我国已经有很多企业开发研制出ATV车系列产品，并批量出口到美国和欧洲，获得了初步的成功。

但相对于国外那些世界大厂，国内厂商在技术上还不能与之抗衡。

虽然国内对全地形车也进行了一些研究，但仍处于探索阶段，还不够深入和完善，基本停留在仿制阶段，各厂家以国外的机型为原型机，互相抄袭，由于没有吃透整车设计思想的精髓，导致拼凑出来的产品结构不合理，行驶稳定性差，可靠性差，乘骑舒适性差等一系列问题，甚至存在安全隐患。

由于ATV的工作环境非常恶劣，因此其对结构设计、制造工艺和材料选配等方面的要求很高。

同时，全地形车产品的特点是更新换代快、批量小、品种多。

新车型设计的工作量大，而我国绝大数ATV生产厂商目前没有研发能力，更谈不上技术创新，尤其是计算机模拟技术分析应用较少，主要靠在样车上进行试验、改进，再试验、再改进的原始办法解决，不仅费时费钱费力，而且效果不佳。

国外摩托车工业中的计算机数值模拟技术应用较旱，自主开发的技术水平也较高，欧美日有很多专业设计开发机构，计算机模拟技术分析运用非常普遍。

从制造工艺及设计技术层面讲，由于全地形车（ATV）的结构较一般的摩托车要复杂得多，而且其使用的环境更加复杂，因此ATV在结构设计以及制作工艺上均十分讲究：
（1）首先，ATV的车身采用的是网状分布的骨架式结构（图2），其结构非常复杂，设计十分困难，依赖传统的试验方法不仅成本高昂，而且很难做到最优结构。

为了解决上述难题，国外知名ATV厂商都采用了先进的虚拟样机进行设计、试验和分析。

如日本本田(HONDA)、铃木(SUZUKI),雅马哈(YAMAHA)和美国的哈雷等国际著名的摩托车企业都有自己的完整的从事虚拟样机技术研究
与应用的专门研究队伍，并使虚拟样机技术贯穿于新产品的整个设计周期，提高了设计效率，并能在新产品的设计阶段对产品的主要性能如：整车的安全性、动力性、经济性、舒适性以及结构动态特性、强度、刚度、动态应力、疲劳寿命等进行准确的顶测和评估，及时针对存在的缺陷和不足加以改进和优化，确保了产品具有良好的性能和相当强的市场竞争力。

在国内，也有包括本课题组成员在内的少数企业对ATV的虚拟样机技术进行过研究，并取得了一定成果。

图2 典型全地形车车架示意图
（2）其次，大范围的复杂结构的骨架式结构，也给其制造带来困难，尤其是焊接工艺不够稳定，容易产生变形，不同材料管材难焊接等等（图3）。

在ATV 先进制造技术这方面国外是严格保密的，本课题组经过多年的艰苦探索，基本掌握了复杂管路、不同管材（包括铝合金管材）的焊接工艺，总结出采用多孔喷射氩气保护焊工艺，优化焊缝结构，在焊接时进行适当的预热、退火以及错位错时焊接等经验，极大地减少了车架的变形、残余应力和裂纹等现象。

（3）再者，全地形车（ATV）特殊的使用场地对舒适性和安全性提出了更高
要求，这对其减震器的设计是一大考验。

目前，国外ATV产品以大排量为主，所
使用的减震器基本上为高磅数的减震器，而该类减震器无论在结构设计还是制造
工艺上都要求极高。

本课题单位经过艰苦努力，掌握了先进越野摩托车减震器的
设计与制造方法并应用到高档越野摩托车上（获07省科技奖二等奖）：
a）提出结构新颖的倒置式阻尼可调油气减振器技术方案，它可根据不同路
各种高档次的后减震。

况、不同冲击和不同司乘载荷的状况，通过可调针阀和高压气嘴快捷调整减震器
的阻尼特性，实现减震器的性能最优。

该技术方案具有完全自主知识产权，已经
获得国家专利（图4）。

图4 新型阻尼可调高磅数油气式减震器结构与实物图b）采用微弧氧化技术处理ATV减震器及其他关键零部件，微弧氧化技术是
指利用弧光放电增强并激活在工件阳极上发生的微等离子氧化反应，从而在以铝、钛、镁等金属及其合金为材料的工件表面原位生成优质的强化陶瓷膜，大幅
度地提高了铝合金材料的表面硬度，达到1000HV至2000HV，甚至3000HV以上，可与硬质合金相媲美，大大超过热处理后的高碳钢、高合金钢和高速工具钢
的硬度，因而具有良好的耐磨损性能、耐热性及抗腐蚀性，克服了铝合金材料在
应用中的缺点。

其工艺流程如下（图5-图6）：
图5 微弧氧化工艺流程图
1.电极
2.热电偶
3.搅拌部分
4.微弧氧化电源
5.工件
6.冷却部分
7.绝缘板
图6 微弧氧化装置示意图
（4）最后，ATV连续不断的新款设计是ATV企业持续发展、长期生存的必然要求。

而结构新颖、符合力学原理、满足人们审美要求的创新产品无疑具有更大的产品附加值，是世界各大ATV厂商努力追求的目标。

本课题申请单位长期从事高档越野摩托车的开发，在产品设计方面积累了丰富的经验，特别是在摩托车仿生设计方面获得过巨大成功（图7），多次在国外著名车展上获得褒奖。

a)恐龙车架及样车（06年美国越野摩托车市场中销量排行第8）
b)袋鼠车架及样车（获2007年度广东省科学技术奖二等奖）
图7 仿生车架及其在高档越野摩托中的应用
综上所述，我国企业要想在全地形车这块新兴市场上有所作为，就必须不断地快速开发出拥有自主知识产权、质量过硬、造型新颖且成本低廉的产品，一方面在制造工艺上进行创新，不断采用新技术、新材料和新工艺，在降低成本的同时保证高的技术附加值，另一方面在结构设计和优化方面借助计算机辅助设计。

事实表明，应用虚拟样机技术(virtual Prototyping)开发ATV新产品，是ATV行业发展的必然趋势，也是借鉴、消化、吸收国内外先进制造技术，增强我国ATV 企业自主开发和技术创新能力的有效途径。

虚拟样机技术是指在产品开发过程中，将分散的零部件设计CAD和分析技术CAE揉和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，顶测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。

目前，国内对全地形车虚拟样机及其相关技术的研究尚处于起步阶段。

事实上，我国一些企业在某些特种摩托车领域如越野摩托车方面取得很大成功，积累了一些经验，比如本课题申请单位就在越野摩托车的研究和生产上成功开发出一些先进的制造工艺，攻克了一些关键技术难关，如全铝合金车架的液态模锻技术、新型高磅数减震器、微弧氧化技术等等，由于全地形车的工作环境和使用方式与越野摩托车有着非常相似的地方，因此上述技术和工艺可以并已经借鉴、移植、应用到ATV产品的开发上。

另一方面，课题组在摩托车的仿生设计、虚拟设计、虚拟试验和虚拟分析领域也进行过卓有成效的工作，因此可以采用虚拟样机技术对ATV产品进行研究，比如运用多体系统动力学分析软件ADAMS，可以建立典型ATV整车虚拟样机模型，重点对ATV的振动和减震进行虚拟设计、虚拟分析和虚拟实验，找出影响ATV平顺性和操纵稳定性的主要因素并据此提出改进意见。

本课题的研究工作对缩短全地形车新产品的设计周期、提高设计质量、降低开发费用、提高响应市场能力有着重要的现实意义。

（三）市场预测和发展趋势
目前，世界全地形车的市场主要集中在北美和欧洲，其中北美是全球头号ATV市场，约占世界80％的市场份额，北美的ATV用户主要分布于中西部地区，主要用于牧场、农场、森林、巡逻及娱乐。

ATV客户群最大的是家庭年收入在41，000-60，000美金的家庭。

ATV的用途还是主要用于实用，占50.6%，而各种途径的休闲和娱乐用途加起来只占44%。

据美国摩托车产业协会统计，全球市
场规模120万辆左右，并呈逐年上升的趋势。

我国已发展成为全地形车生产大国，其中95％以上的产品用于出口。

据查阅美国海关网站2004年度的ATV进口报告及美国ATV组织、企业和相关政府组织的资料：在北美地区，实用型ATV2001-2004年度发展迅速，其在卡车和小拖拉机中找到市场（替代品），其中，加洲和俄洲增长较快，美国本土的polaris公司（2004年度北美市场排名第二）在2004年销售较2003年度增长11%，达到861，000辆；紧随其后的庞巴迪（Bombardier），销售额较2003年增长5%；排名第一的本田（Honda）公司在2004年度的销售量达到1，561，272辆，比2003年增长16%（查阅本田网站年度报告），占美国市场的32%，以上除去某些份额的娱乐型、运动型ATV，实用型ATV增长比重较大（实用型也兼具娱乐、运动性）。

中国台湾省的Dinli（鼎力）公司（无锡新田曾与其合作过）在2004年3月出资收购美国本土的Cannondale公司，涉足北美实用型ATV市场。

同时，光阳公司也推出300cc轴传动ATV进入美国市场。

至2004年底，在北美的ATV OEM厂家达到20多家。

2005年5月，北美本土第二大ATV制造商Ploaris（为美国军方做军用ATV的厂家）与澳大利亚KTM公司合作，在澳洲开始生产ATV，进入澳洲市场。

同时，根据powersys调查组织对北美市场实用型ATV（Adult-Size，Utility ATV）2005年1月至2005年6月的市场情况分析报告：对150家ATV代理商的调查得出，北美地区ATV零售在前五个也较2004年同期增长1%，2005年5月比2004年5月同期增长5-6%。

这些增长都与实用型ATV 的增长有关，因为经济的持续发展，可预见2005年ATV销量将持续增长，多种调查显示，2005年ATV销量将稳定增长。

由统计数据看出，250cc在北美地区将持增长态势，因其的实用性和娱乐性，价格也低廉，质量亦成熟稳定，但相关厂家太多。

同时，powersys报告指出，2005年1月至2005年6月的市场情况分析报告中的数据，北美地区这些增长将不包括，从中国大陆及台湾地区进口的150ccATV（国外定义：youth ATV 50-90cc；Utility+Sport ATV 250cc以上；Youth+ Sport ATV 100-150cc，而150cc日本厂家不做，美国做的也少），根据调查显示，估计150ccATV的增长将达到2%。

当前世界ATV发展趋势具体表现在以下五个方面：1）多样性：ATV即是一种技术，也是一种文化，反映着主人的个性、爱好和修养。

因此，未来的ATV 会更有特色，根据其不同用途或类型，ATV不仅在结构上和配置上不同，而且在形状上也差异极大。

2）操控性：众所周知，ATV的使用环境非常恶劣，不仅其行驶的路面凹凸不平，而且还要承受腾空跳跃以及急剧转弯的严酷考验，因此ATV的操控性必须灵活可靠。

3）安全性：安全事故问题是ATV产品最重视的问题。

影响行车安全性的主要因素有制动性、操纵稳定性及可靠性。

为了提高ATV的安全性，各国出台了一些强制措施，如美国消费品委员会颁布《2008年
消费品安全改进法案》（CPSIA）将四轮全地形车ANSI/SVIA—2007美国国家标准转为强制性标准。

4）经济性：从消费角度来讲，用户希望ATV的功能价格比尽可能高，为此，除了改善燃油经济性，提高摩托车零部件及整车的可靠性外，还将开发和利用新的替代材料以降低成本。

5）社会性：作为竞技和道路交通工具，ATV必将对社会环境产生影响。

其发展也将具有鲜明的社会约束性，主要表现在噪声控制、废气排放控制和节能等方面。

随着科技的进步以及经济的发展，开发全新概念、最新技术、集操控性、安全性、经济性、社会性为一体的具有中国文化特色和符合中国国情新款ATV十分必要，同时也有广阔的市场，这将使我国的ATV行业上一个新的台阶，为国产车型创造名牌，进入国际市场创造有利条件。

二、研究开发内容、方法、技术路线
（一）具体研究开发内容和要重点解决的技术关键问题
具体研究内容：
①设计结构新颖的符合美学及力学原理的新型ATV车架，拟采用仿生学原理进行设计；
②开发适合ATV车架焊接的高效率的焊接工艺，拟开发ATV车架自动焊接装备；
③开发能提高ATV关键零部件性能的成形技术和热处理技术，拟采用液态模锻技术和微弧氧化技术处理ATV 的关键零部件，不仅提高零件的性能，而且节约原材料，减少机加工量；
④研究适合ATV的高磅数的高性能减震器，全面提高ATV的舒适性和安全性；
⑤拟开发出适用于ATV的虚拟样机，包括建模、虚拟设计、虚拟试验等内容，有效缩短开发周期，降低开发成本。

要重点解决的技术关键问题：
①最优焊接工艺参数的获得，因为ATV的使用环境非常恶劣，因此对车架的强度和刚度要求极高，而且要求焊接处不能存在隐患，本课题拟采用20CrMo 材料制造ATV车架，使用气体保护焊，对焊缝进行超声或磁力探伤，上述工艺参数的获得是ATV生产的关键工艺之一；
②高磅数的高性能减震器是ATV的关键零部件，它关系到整车的舒适性和安全性，由于现有摩托车的减震器不适用，故必须重新进行设计，其结构及参数需要认真研究；
③虚拟样机的建立可以有效提高设计的效率，并能大幅度降低研发成本，其
建模包括车辆模型、路面谱和发动机激励等均需要艰苦探索。

（二）项目的特色和创新之处
本项目的特色和创新之处在于：首先，采用先进的设计理念和设计手段对ATV进行全方位的设计，包括采用仿生学原理和虚拟样机技术，使得开发的ATV 产品新颖并符合力学原理，并减少物理样机的制造成本和试验成本，实现绿色设计；其次，采用先进的制造工艺技术，一方面有效提高生产效率，另一方面有效提高产品的可靠性，同时节约原材料并减少加工成本；最后，研发的高性能减震器确保ATV的舒适性和可靠性，提升产品的技术档次，为提高产品的竞争力打下良好基础。

（三）要达到的技术、经济指标及社会、经济效益
①设计制造的ATV排量主排量125cc至250CC，达到欧美日发达国家ATV 厂商的产品的水平，符合欧美相关标准并能进入上述国家；
②开发的自动车架焊接装置能高效可靠运行，并能在较大范围调整工作范围及工作参数，可以适应不同系列产品，方便产品变型，同时能保证焊接的高质量；
③开发的液态模锻技术和微弧氧化技术能有效提高零部件的强度和质量，节约材料，并能适用于其他机电产品，亦即具有共性普适的特点；
④开发的高性能减震器参数指标达到发达国家同类产品的水平；
⑤建立的ATV虚拟样机能覆盖100CC到500CC范围的产品，能模拟山路、水路、泥沙路等各种典型路况，能对减震系统、梁架系统、动力匹配进行优化；
⑥开发的产品具有完全自主知识产权，并向相关企业输出技术，提升国内ATV企业的创新能力和产品的竞争力；
⑦开发的ATV产品售价达到1500—2000美元，接近或达到国外同类产品水平。

（四）采用的方法、技术路线以及工艺流程
首先，在设计手段上采用先进的CAD/CAE技术，对典型全地形车进行几何建模和虚拟设计，获取整车三维实体模型并将其通过文件转换导入到ADAMS 中，根据各部件的相对约束、运动关系，在ADAMS中建立该车整车多体动力学模型；利用谐波叠加算法建立全地形车平顺性试验所需的各级路面谱文件，并编制操纵稳定性试验所需的水平路面。

对发动机激振力进行分析，实现在ADAMS 环境下ATV发动机激振力的模拟。

其次，在制造工艺上借鉴现有成熟的技术如气体保护焊、微弧氧化技术等等，并对其进行创新，探索出适用于ATV的工艺参数；同时借鉴现有成熟的机器人。