Приступая к столь непростому делу, конструкторы решили существенно усовершенствовать двигатель. В то время за рубежом уже использовали впускные лепестковые клапаны, а в выпускной системе мотора — резонатор, позволявший улучшить наполнение цилиндров и впервые примененный инженером из ГДР Циммерманом. Эти технические решения обещали без форсирования двигателя, за счет повышения степени сжатия и увеличения частоты вращения коленвала заметно повысить мощность, стабилизировать работу на средних и малых оборотах, улучшить приспособляемость машины к сложным дорожным условиям. Отработкой клапана-гомонизатора на впуске и оптимизацией характеристик мотора занимались А. А. Плешаков и А. И. Балахтар под руководством начальника КБ Е. И. Гололобова. Проектировали же новый мотоцикл В. В. Белов, Е. Д. Власов, И. Г. Лерман и др. — при творческом участии главного конструктора В. И. Пудовеева.
Тем временем в Ленинградском филиале Всесоюзного института технической эстетики разрабатывали под руководством С. М. Николаева дизайн новой машины. Перед художниками стояла непростая задача. Требовалось создать стремительный силуэт; очень плотно скомпоновать силовой агрегат; сильно открыть колеса, достаточно высоко приподняв над ними крылья; придать линиям бензобака, резонатора и сиденья элегантные изгибы — словом, сделать гармоничную, радующую глаз конструкцию.
Однако последнее слово было все-таки за компоновщиками ТМЗ. Особенности серийного производства не всегда позволяют учесть все проработки дизайнеров, стремящихся, по законам своего жанра, к изысканности художественных решений, когда выбранные формы, будь то изделие в целом или его отдельная часть, становятся уникальными, неповторимыми, ни на что не похожими. Заводчанам же, напротив, очень даже желательно собирать новую машину из унифицированных узлов, а то и целых агрегатов. На новом мотоцикле применили переднюю вилку и амортизаторы задней подвески от мотоцикла «Восход», приборный щиток — от «ИЖа», а задний фонарь, фару, световозвращатели и немало других узлов и деталей — от ряда прочих отечественных байков. Иначе говоря, в вопросе эстетической уникальности модели выбрали компромиссное решение.
Вот как был устроен первый тульский мотоцикл, обозначенный «Тула-5.951». Рама, сваренная из тонких цельнотянутых труб, представляла собой две соединенные вместе симметричные половины. Между ними располагался двигатель, а выше, около рулевой трубы, крепился бензобак, состоявший из двух одинаковых, как бы зеркально отраженных, емкостей, сообщавшихся между собой с помощью установленного снизу патрубка. Образовавшуюся нишу прикрыли специальной крышкой. Поверх части бензобака, мотора и заднего крыла поместили двойное сиденье, привинтив его к раме, приукрашенной боковыми накладками, между которыми разместили воздушный фильтр и аккумулятор. Позади сиденья закрепили миниатюрный багажник. С правой стороны мотора установили центробежный вентилятор, с левой — выхлопную систему с расположенными в общем корпусе резонатором и глушителем. Рычаги переключения передач и кик-стартера поместили с левой стороны, педаль управления задним тормозом — с правой. Подножки пассажира были откидными.
В рычаг задней подвески упирались два пружинно-гидравлических амортизатора одностороннего действия, обеспечивавших ход подрессоривания ведущего колеса 120 мм. Цепь главной передачи заключили в пылезащитные чехлы. Рулевая площадка опиралась на плоский шарикоподшипник. Передняя телескопическая вилка имела амортизаторы аналогичной конструкции, а ход колеса в ней достигал 140 мм. Ниши обоих крыльев были столь значительными, что в них не скапливалась грязь при езде по размокшей от дождя грунтовой дороге. Тормоза были барабанными. Управление передним осуществлялось расположенным справа на руле рычагом через тросовый привод, а задним — тягой от педали. Передачи крутящего момента к коробке скоростей и ведущему колесу были цепными.
Во впускной системе двигателя применили лепестковый клапан, повысивший экономичность мотора. Выпускной канал совмещал в общем корпусе резонатор и глушитель. Оптимизация конструкции мотора и режимов его работы позволила увеличить мощность с 8 л.с. — такой она была у мотороллера Т-200 — до 12,5 л.с. Принудительное охлаждение движка «отбирало» 1 л.с. Запуск мотора осуществлялся диностартером либо кик-стартером.
Главный конструктор мотоцикла В. М. Пудовеев рассказал: «Это была первая в стране машина такой классификации. Ее мотор работал с уменьшенной — до 1:33 — долей масла в бензине и расходовал всего 4 л топлива на 100 км пути по шоссе. Мы с волнением ожидали, как примет новинку потребитель. И чтобы скорее собрать необходимые сведения о ее эксплуатационных качествах, в 1984 г. на первую партию из 100 машин установили повышенную до двух лет гарантию, обеспечив систематическое техобслуживание владельцам, но только тем, кто регулярно, через каждые 3000 км пробега, представлял письменные отчеты об отказах и особенностях поведения байка». Эта акция помогла специалистам завода выявить недоработки конструкции и технологии, облегчив освоение серийного производства новой модели.
