Motorradtechnik: Grundlagen und Konzepte von Motor, Antrieb und Fahrwerk

332 Pages·1995·10.985 MB·German

by  Jürgen Stoffregen (auth.)

Jilrgen Stoffregen
Motorradtechnik
Aus dem Programm ___________ _.....
Kraftfabrzeugtechnik
Fahrwerktecbnik
von E. Henker
Elektrische Motorausriistnng
von G. Henneberger
Grundziige des Kolbenmaschinenbaus I
Verbrennungskraftmaschinen
von K. Groth
Motorradtechnik
von J. Stoffregen
Recbenmethoden in der Fahrzeugentwicldung
von W. Dirschmid (Hrsg.)
Keramikbanteile in Verbrennungs-Motoren
von F. Eisfeld (Hrsg.)
Stromungs- und Kolbenmaschinen
von H. Th. Wagner, Klaus J. Fischer und
J.-D. von Frommann
Kraftfahrzeugtechnik
Lehr- und Ausbildungswerk fiir die berutliche Bildung
von W. Staudt (Hrsg.)
Kraftfahrzeng-Elektrik nnd Kraftfahrzeug-Elektronik
von F. Gretzmeier, W. Staudt und S. Bluml
Technische Lehrginge
fUr Ausbildnng und Praxis in der Kfz-Technik
Stadtauto
von H. Appel (Hrsg.)
Vieweg _________________________________ _
J iirgen Stoffregen
Motorradtechnik
Grnndlagen nnd Konzepte von
Motor, Antrieb nnd Fahrwerk
Mit 208 Abbildungen und 12 Tabellen
I I
Vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Stoffregen, Jiirgen:
Motorradtechnik: Grundlagen und Konzepte von Motor,
Antrieb und Fahrwerk; mit 12 Tabellen / Jiirgen Stoffregen. -
Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1995
(Viewegs Fachbiicher der Technik)
ISBN-13: 978-3-528-04940-9 e-ISBN-13: 978-3-322-90129-3
DOl: 10.1007/978-3-322-90129-3
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© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, BraunschweiglWiesbaden, 1995
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besondere fiir Vervielfiiltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und
die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Gedruckt auf saurefreiem Papier
v
Vorwort
Die Motorradtechnik ist eines der faszinierendsten Gebiete der Kraftfahrzeugtechnik. Das
Motorrad vereinigt wie kaum ein anderes Fahrzeug auf engstem Bauraum modemste
Motoren-, Fahrwerks- und Werkstofftechnologie. In vielen Bereichen des Fahrzeugbaus hat
das Motorrad Schrittmacherfunktionen rur die Einruhrung neuer Technologien geleistet.
Erinnert sei hier an die Mehrventiltechnik, die, im Motorrad langst Standard, erst in neuester
Zeit den Einzug in die GroBserienmotoren des Automobils gefunden hat. Ein weiteres
Beispiel ist der Rahrnenbau. GeschweiBte Verbundkonstruktion aus Aluminium-StrangpreB
profilen und Aluminium-GuBteilen sind im Motorradbau langst auf breiter Basis eingeruhrt,
wamend beim Automobil diese Technik noch in den AnHmgen steckt.
Auch die modeme Forschung befaBt sich seit einigen Jahren aufgrund der Initiative einiger
Hochschulinstitute intensiver mit der Technik des Motorrades. Wichtige Fragen der Fahr
dynamik und der Fahrinstabilitaten konnten dadurch in den letzten Jahren aufgeklart werden,
was wesentlich dazu beigetragen hat, die Hochgeschwindigkeitsstabilitat modemer Motor
rader zu verbessem.
Die Erkenntnisse modemer Forschungs- und Entwicklungarbeiten dringen uber den Kreis
der damit befaBten Fachleute oft nur wenig hinaus. Gleichwohl besteht bei vielen, die sich
beruflich oder auch nur privat mit dem Motorrad beschaftigen der Wunsch, die technischen
Zusammenhange naher kennenzulemen. Dieses Buch wurde geschrieben, urn dem interes
sierten Leser das aktuelle Wissen neuzeitlicher Motorradtechnik zuganglich zu machen.
Abgeleitet aus den theoretischen Grundlagen werden die Konstruktionsprinzipien von
Motor, Antrieb und Fahrwerk ausruhrlich eriautert und die praktische Entwicklung modemer
Motorrader dargestellt. Aus dem Blickwinkel der industriellen Praxis heraus, werden dabei
auch die Zielkonflikte zwischen dem technisch Moglichen und wirtschaftlich Sinnvollen
nicht ausgeklammert.
Das Buch ist entstanden aus der gleichnamigen Lehrveranstaltung, die der Autor an der
Fachhochschule Munchen halt. Hauptberuflich ist er als Entwicklungsingenieur bei der BMW
AG tatig und hat viele Jahre in der Motorradentwicklung des Untemehmens gearbeitet. Das
Buch wendet sich gleichermaBen an Studierende von Fach- und Hochschulen, wie an
Zweiradmechaniker und Meister, sowie an aile technikinteressierten Motorradfahrer. Durch
den Verzicht auf schwierige mathematische Herieitungen zugunsten anschaulicher
VI Vorwort
Zusammenhange und ausfiihrlicher Erlauterung bleibt es auch fur den Motorradfahrer mit
physikalischem Grundverstandnis gut lesbar. Wichtige technischlphysikalische Grundlagen
konnen auch im Glossar technischer Grundbegriffe am Ende des Buches nachgeschlagen
werden.
Es ist dem Verfasser als begeistertem Motorradfahrer ein besonderes Anliegen, daB statt
trockener Theorie anwendbares Praxiswissen im Vordergrund steht und damit das Lesen auch
Freude bereitet. Studierende und Fachleute der Fahrzeugtechnik und verwandter
Fachrichtungen, die sich an manchen Stellen vielleicht eine strenger wissenschaftliche
Darstellung wiinschen, seien auf die zahlreichen Literaturstellen verwiesen. Eine tiefere
Einarbeitung in die Problemstellungen wird damit leicht moglich.
Aus Platzgriinden muBte aus dem sehr groBen Gebiet der Motorradtechnik einiges ausge
klammert werden. So werden Leichtmotorrader nicht behandelt, ebensowenig Spezial- bzw.
Rennrnotorrader, Gespanne und Motorroller. Trotz ihrer groBen, auch historischen Bedeutung
und ihrer unangefochtenen Dominanz bei Rennrnotorradem, konnten Zweitaktmotoren in
diesem Buch nicht beriicksichtigt werden.
FUr die Uberlassung von Bildmaterial und Firrnenunterlagen bedanke ich mich bei allen
Institutionen und Untemehmen der Motorradindustrie. Mein Dank gilt ebenso allen Kollegen,
Studenten und Motorradfahrem, die in Gesprachen und Diskussionen mit vielen Ideen zur
Gestaltung dieses Buches beigetragen haben. Namentlich erwiihnen mochte ich Herrn Dipl.
Ing. Thomas Ringholz, Herrn Dipl.-Ing. Claus Polap und Herrn Dipl.-Ing. Gert Fischer, die
wichtige Beitrage zu einigen Kapiteln geleistet haben. Frau Imke Zander vom Verlag Vieweg
danke ich fur die Manuskriptkorrektur. Nicht verges sen mochte ich meine Frau, ohne deren
Verstandnis fur meinen Zeitaufwand dieses Buch nie hatte entstehen konnen.
Bei Herrn Dipl.-Ing. Ewald Schmitt, der das Erscheines des Buches mit groBem personlichen
Engagement gefordert hat, bedanke ich mich ebenso herzlich wie beim Verlag Vieweg fill die
Unterstiitzung und Beratung.
Miinchen, Januar 1995 Jurgen Stoffregen
VII
Inhaltsverzeichnis
Gesamtfahrzeug
1 Einfiihrung
1.1 Verkehrsmittel Motorrad und wirtschaftliche Bedeutung .............. 1
1.2 Charakteristische Eigenschaften von Motorradem ................... 4
1.3 Baugruppen des Motorrades ..................................... 6
2 Fahrwiderstiinde, Leistungsbedarf und Fahrleistungen
2.1 Stationare Fahrwiderstande ..................................... 8
2.1.2 Rollwiderstand .......................................... 9
2.1.2 Luftwiderstand .......................................... 10
2.1.3 Steigungswiderstand ..................................... 12
2.2 Instationare Fahrwiderstande .................................... 13
2.2.1 Translatorischer Beschleunigungswiderstand .. . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Rotatorischer Beschleunigungswiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Leistungsbedarf und Fahrleistungen .............................. 15
Motor und Antrieb
3 Arbeitweise, Bauformen und konstruktive Ausfiihrung von Motorradmotoren
3.1 Motorischer ArbeitsprozeB und seine wichtigsten Kenngr6Ben .......... 20
3.1.1 Energiewandlung und ViertaktprozeB ........................ 21
3.1.2 Reale ProzeBgr6Ben und ihr EinfluB auf die Motorleistung . . . . . . . . 25
3 Arbeitweise, Bauformen und konstruktive Ausfiihrung von Motorradmotoren
3.2 Ladungswechsel des realen Motors ............................... 31
3.2.1 Venti16ffnungsdauer und Ventilsteuerdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.2 Ventilerhebung und Nockenforrn ........................... 35
3.2.3 Geometrie def Gaskanale im Zylinderkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Gas- und Massenkrafte im Motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 Gaskraft ... . . . . ... . . . . ...... . . . . . . .... . . . ... . .. . . .. . .. . 51
3.3.2 Bewegungsgesetz des Kurbeltriebs und Massenkraft ............ 53
3.3.3 Ausgleich der Massenkrafte und -momente ................... 58
VIII Inhaltsverzeichnis
3.4 Konstruktive Gestaltung der Motorbauteile ......................... 80
3.4.1 Bauteile des Kurbeltriebs und deren Gestaltung ................ 80
3.4.2 Gestaltung von Kurbelgehause und Zylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.3 Gestaltung von Zylinderkopfund Ventiltrieb .................. 108
3.5 Ktihlung und Schmierung ...................................... 133
3.5.1 Ktihlung .............................................. 133
3.5.2 Schmierung ............................................ 137
3.6 Systeme zur Gemischaufbereitung 139
3.6.1 Vergaser .............................................. 139
3.6.2 Einspritzung ........................................... 146
3.7 Abgasanlagen ............................................... 149
4 Motorleistungsabstimmung im Versuch
4.1 Grundlagen der Gasdynamik beim Ladungswechsel 153
4.2 EinfluB der Steuerzeit ......................................... 156
4.3 Auslegung der Sauganlage ..................................... 159
4.4 Auslegung der Abgasanlage .................................... 164
5 Kupplung, Schaltgetriebe und Radantrieb
5.1 Kupplung................................................... 166
5.2 Schaltgetriebe................................................ 171
5.3 Radantrieb................................................... 176
Fahrwerk
6 Konstruktive Auslegung von Motorradfahrwerken
6.1 Begriffe und geometrische Grunddaten ........................... 182
6.2 Krafte am Motorradfahrwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.3 Rahmen und Radftihrungen .................................... 187
6.3.1 Bauarten und konstruktive Ausftihrung von Motorradrahmen. . . . . 188
6.3.2 Bauarten und konstruktive Ausftihrung der Vorderradftihrung .... 198
6.3.3 Bauarten und konstruktive Ausftihrung der Hinterradftihrung .... 215
6.3.4 Federung und Dampfung ................................. 232
6.4 Lenkung ................................................... 239
6.4.1 Steuerkopflenkung ...................................... 239
6.4.2 Achsschenkellenkung ................................... 240
6.4.3 Radnabenlenkung....................................... 242
6.5 Rader und Reifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Inhaltsverzeichnis IX
7 Festigkeits. und Steitigkeitsuntersuchungen an Motorradfahrwerken
7.1 Betriebsfestigkeit von Fahrwerkskomponenten .............. . . . . . . . 248
7.2 Steifigkeitsuntersuchungen..................................... 253
7.3 Dauererprobung des Gesamtfahrwerks 254
8 Fahrdynamik und Fahrversuch
8.1 Geradeausfahrt und GeradeausstabiliUit ......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
8.1.1 Kreiselwirkung und Grundlagen der dynamischen Stabilisierung. 257
8.1.2 Fahrinstabilitaten Flattem, Pendeln und Lenkerschlagen ........ 264
8.2 Kurvenfahrt ................................................ 271
8.2.1 Einlenkvorgang und Grundlagen der idealisierten Kurvenfahrt ... 271
8.2.2 Reale Einflusse bei Kurvenfahrt ........................... 273
8.2.3 Handling ............................................. 276
9 Bremsen
9.1 Grundlagen................................................. 278
9.2 Bremsenregelung CABS) und Fahrstabilitat beim Bremsen . . . . . . . . . . . . 282
9.3 Kurvenbremsung ............................................ 293
10 Aerodynamik und Fahrerplatzgestaltung
10.1 Aerodynamische Krafte und Verkleidungsgestaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . 298
10.2 Fahrerplatzgestaltung und Komfort .............................. 302
11 Ausblick auf mogliche Zukunftsentwicklungen ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 303
Lileraturverzeichnis .................................................. 309
Anhang . Glossar physikalischer GrundbegritTe .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 311
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Gesamtfahrzeug
1 Einfiihrung
Motorriider iiben auf viele Menschen eine groBe Faszination aus, die sich einer rationalen
Betrachtung haufig entzieht. Sie beruht im wesentlichen auf der Unmittelbarkeit von
FahrerIebnis und Technik, die in dieser Form kein anderes Landfahrzeug zu bieten vermag.
In dieser Emotionalitat diirfte der Grund dafur liegen, daB trotz einer Zeitstromung, die den
Individualverkehr zunehmend kritisch betrachtet, Motorrader sich zunehmender Beliebtheit
erfreuen.
Obgleich sich dieses Buch mit der Technik befaBt, soll zu Beginn das Motorrad kurz in
seinem wirtschaftlichen Umfeld und in seiner Rolle als Verkehrsmittel betrachtet werden.
Denn das Umfeld wirkt, ohne daB es uns immer bewuBt wird, auf die technische
Entwicklung unmittelbar ein. Von erheblicher Bedeutung fur die Technik des Motorrades
sind auch seine ganz speziellen Eigenschaften, die sich z.T. erheblich von denen anderer
StraBenfahrzeuge unterscheiden. Auch diese muB man sich bewuBt vor Augen fuhren, wenn
man technische Entwicklungen im Motorradbau verstehen will.
1.1 Verkehrsmittel Motorrad und wirtschaftliche Bedeutung
Die Bedeutung des Motorrades als Verkehrmittel hat einem stetigen Wandel unterlegen, und
dies wird auch zukiinftig der Fall sein. Von den Anfangsjahren bis etwa Ende der 20er Jahre
waren Motorrader exklusive Fahrzeuge, die von wohlhabenden Leuten vomehmlich fur
Sport-und Freizeitzwecke eingesetzt wurden. Bereits in der 30er Jahren avancierten sie aber
bereits zum Individualverkehrsmittel, das einzige, daB sich eine etwas groBere
Bevolkerungsschicht iiberhaupt leisten konnte. Ein Auto war fur die meisten Menschen in
Europa unerschwinglich. Die verbreitetsten Motorrader jener Zeit waren zumeist einfach
gebaute, leichte Maschinen mit haufig nicht mehr als 200 cm3 Hubraurn.
Unterbrochen yom 2. Weltkrieg setzte sich diese begonnene Entwicklung des Motorrads als
Gebrauchsfahrzeug in der Wiederaufbauzeit in Westdeutschland fort. Die Bestandszahlen
von Motorradem und Autos in der Bundesrepublik Deutschland des Jahres 1955 spiegeln
dies eindruckvoll wider. Bild 1.1 zeigt in der oberen Grafik den Motorradbestand von 1955
bis 1992 fur die BRD (ohne ehemalige DDR) und darunter die Aufteilung der Fahrzeuge auf
die erwachsene Bevolkerung (alter als 18 Jahre) als MaBstab fur die Motorisierung. Der
Bestand war 1955 bei Motorradem urn 50% hoher als bei Autos. Das Motorrad war das