JürgenStoffregen Motorradtechnik Kraftfahrzeugtechnik Handbuch Verbrennungsmotor herausgegeben von R. vanBasshuysen und F. Schäfer Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik herausgegeben von H.-H. Braess und U.Seiffert Automobildesign und Technik herausgegeben von H.-H. Braess und U.Seiffert Bremsenhandbuch herausgegeben von B.Breuerund K. H. Bill Handbuch Verkehrsunfallrekonstruktion herausgegeben von H.BurgundA. Maser Fahrwerkhandbuch herausgegeben von B.Heißing und M. Ersoy Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen von F. Kramer Fahrzeugreifen und Fahrwerkentwicklung von G.Leister Grundlagen Verbrennungsmotoren herausgegeben von G. P. Merker und ehr. Schwarz Virtuelle Produktentstehung für Fahrzeug und Antrieb im Kfz herausgegeben von U. Seiffert und G. Rainer Rennwagentechnik von M. Trzesniowski Handbuch Kraftfahrzeugelektronik herausgegeben von H. Wallentowitz und K. Reif Handbuch Fahrerassistenzsysteme herausgegeben von H. Winner, S. Hakuli und G.Wolf www.viewegteubner.de --. Iürgen Stoffregen Motorradtechni k Grundlagen und Konzepte von Motor, Antrieb und Fahrwerk 7., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 391Abbildungen I POPULÄR ATZj MTZ-Fachbuch 11 VIEWEG+ TEUBNER Bibliografische InformationderDeutschen Nationalbibliothek DieDeutsche NationalbibliothekverzeichnetdiesePublikation inder Deutschen Naticnatbibliograüe;detailliertebibliografische DatensindimInternetüber <http://dnb.d-nb.de>abrufbar. 1. Auflage1995 2.,verbesserte Auflage1996 3.,überarbeiteteunderweiterteAuflage 1998 4.,überarbeiteteunderweiterteAUflage 2001 5.,überarbeiteteunderweiterteAuflage 2004 6.,durchgesehene underweiterteAuflage 2006 7.,überarbeiteteunderweiterteAuflage 2010 AlleRechtevorbehalten ©Vieweg-teubner I GWVFachverlage GmbH,Wiesbaden 2010 Lektorat:Ewald Schmitt I Elisabeth lange Vieweg+TeubneristTeil derFachverlagsgruppe Springer Seience-Business Media. www.viewegteubner.de DasWerkeinschließlich aller seinerTeileist urheberrechtflehgeschützt.Jede Verwertungaußerhalb derengenGrenzen desUrheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässigund strafbar. Dasgilt insbesondere für Vervielfältigungen,Übersetzungen,Mikroverfilmungen unddieEinspeicherung undVerarbeitunginelektronischen Systemen. DieWiedergabe vonGebrauchsnamen. Handelsnamen. Warenbezeichnungen usw.in diesemWerk berechtigt auch ohne besondereKennzeichnung nichtzuder Annahme, dasssolcheNamen im SinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddaher vonjedermannbenutztwerdendürften. Umschlaggestaltung:KünkellopkaMedienentwicklung, Heidelberg Satz:KlEMENTZ publishingservrces,Gundelfingen Druckundbuchbindensehe Verarbeitung: MercedesDruck,Berlin GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. Printed inGermany ISBN 978-3-8348-0698-7 v Vorwort zur 7. Auflage Auch imZeitalter virtuellerWelten bleibt dieFaszinationdes Motorradfehrens.derMechanik und der sichtbaren wie hautnah zu spürendenTechnik ungebrochen. Die Unmittelbarkeit und die Dynamikder Bewegungsabläufesowiedieenge Koppelung zwischenMenschundMaschi nemachendasErlebnisaufeinem Motorradeinzigartig wiebei keinemanderenLandfahrzeug. Dieses Buch möchte Einblicke in den technischen Aufbau von Motorrädern geben und die Techniksowieihre Hintergründe ineinemGesamtzusammenhangerläutern. Die erste Auflage des Buches Motorradtechnikkam 1995 aufdenMarkt. und dieses Buch hat sich mittlerweile als Standardwerk etabliert. Zuschriftenzeigen, dass sein Konzept die Leser begeistertund das BuchseineZielsetzungerreichthat:DieTechnikmodernerMotorräder wr stündlich und fesselnd darzustellen und neben Fachleuten auch interessierte Motorradfahrer anzusprechen.Dieseswarund bleibt demAutor einbesonderesAnliegen. Inden 14JahrenseitseinemErscheinenwurdedas Buch regelmäßigaktualisiert underweitert. Längst überfällig war die Aufnahme eines Kapitels über elektronische Systeme und moderne Bordnetze im Motorrad. Dieseswirdmitdervorliegenden7.Auflage nachgeholt. Dieneuesten Entwicklungen bei Regelungssystemenfürden Antrieb wieauch beidenBremsen(ASS)wur denindiebisherigen Kapitelintegriert. Die seit einiger Zeit verstärkt geführte Diskussion über die Endlichkeit des Erdöls und die resultierenden Forderungen nach Senkung des Kraftstoffverbrauchs für Kraftfahrzeuge hat die motorisierten Zweiräder erneut als Individualverkehrsmittel für Transportaufgaben ins Gespräch gebracht. Motorräder mit elektrischen Antriebenmachen die ersten Schritte inden Markt. Diese Entwicklungen werden im Kapitel Zukunftsentwicklungen kurz angerissen. Dennoch wirddieMarktsteIlungdes Motorradesals Freizeitfahrzeug auchindennächsten 15 Jahren erhalten bleiben und der Verbrennungsmotor wird auch nach 2020 die dominierende Antriebsquelle fürMotorrädersein.Deshalbwirddieses Fachbuchweiterhinseinerbisherigen Hauptausrichtung treu bleiben. Es bleibt also auch in der Zukunft bei dem, was schon in der erstenAuflage 1995gesagtwurde: Das Motorrad vereint aufengstem Bauraum modernste Motoren-, Fahrwerks-und Werkstoff technotogie. InvielenBereichendes Fahrzeugbaushatdas Motorrad Schrittmacherfunktionen für die Einführung neuer Technologjen geleistet. Erinnert sei hier an die Mehrventiltechnik. die,im Motorradseit rund 30 Jahren Standard,erst viele Jahre nachdem Motorrad Einzug in dieGroßserienmotorendesAutomobilsgefundenhat. Einweiteres Beispielistder Rahmenbau. Geschweißte Verbundkonstruktionen aus Aluminium-Strangpressprofilen und Aluminium Gussteilen sind im Motorradbau längst aufbreiter Basiseingeführt, während beim Automobil dieseTechniknachwie vornur inEinzelfallenangewandtwird. Auchdiemoderne ForschungbefasstsichseitJahrenaufgrundderInitiativeeinigerHochschul instituteintensivermitderTechnikdesMotorrades.WichtigeFragenderFahrdynamikundder Fahrinstabilitäten konnten dadurch aufgeklärt werden, was wesentlich dazu beigetragen hat, die HochgeschwindigkeitsstabilitätmodernerMotorräder zu perfektionieren. Die Erkenntnisse moderner Forschungs-und Entwicklungsarbeitendringen überdenKreisder damitbefasstenFachleuteimmernochnurwenighinaus.Gleichwohlbestehtbeivielen,diesich beruflich oder auch nur privat mit dem Motorrad beschäftigen der Wunsch, die technischen VI Vorwortzur7.Auflage Zusammenhänge näher kennenzulernen.Dieses Buchwurde geschrieben,um dem interessier tenLeserdasaktuelle Wissen neuzeitlicherMotorradtechnikzugänglichzumachen.Abgeleitet ausdentheoretischenGrundlagenwerdendie KonstruktionsprinzipienvonMotor,Antriebund Fahrwerk ausführlich erläutert und die praktische Entwicklung moderner Motorräder darge stellt.Ausdem Blickwinkelder industriellenPraxisheraus,werdendabeiauchdieZielkonflik te zwischendem technisch Möglichen undwirtschaftlichSinnvollennichtausgeklammert. Das Buchist entstanden ausdergleichnamigen Lehrveranstaltung,diederAutorander Hoch schuleMünchenseitnunmehr22Jahrenhält.HauptberuflichwarervieleJahrebei BMWinder Motorradentwicklung und späterals Pressesprecher fürdenGeschäftsbereich Motorrad tätig. Heute leitet er das Produktmanagement für Fahrerausstattung und Sonderzubehör im Hause BMW Motorrad. DasBuchwendetsichgleichermaßenanStudierende vonFach-und Hochschulen,wiean Zwei radmechaniker und Meister sowie an alle technikinteressierten Motorradfahrer. Durch den Verzichtaufschwierige mathematische HerleitungenzugunsrenanschaulicherZusammenhän ge und ausführlicher Erläuterung bleibt es auch für den Motorradfahrer mit physikalischem Grundverständnis gut lesbar. Wichtige technisch-physikalische Grundlagen können auch im Glossartechnischer GrundbegriffeamEndedes Buchesnachgeschlagenwerden. Es ist dem Verfasserals begeistertem Motorradfahrereinbesonderes Anliegen,dass statt tro ckener Theorie anwendbares Praxiswissen im Vordergrund steht und damit das Lesen auch Freude bereitet. Dass das gewählte Konzept eines lesbaren Fachbuchs beim Leser ankommt, zeigt sichdaran,dassdiebisherigen Auflagenjeweils raschvergriffenwaren.Studierende und Fachleute der Fahrzeugtechnik und verwandter Fachrichtungen. die sich an manchen Stellen vielleichteinestrengerwissenschaftlicheDarstellungwünschen.seienaufdiezahlreichenLite raturstellen verwiesen. Eine tiefere Einarbeitung in die Problemstellungen wird damit leicht möglich. Fürdie ÜberlassungvonBildmaterialund Unterlagenbedanke ichmichwiederumbeiallenIns titutionenundUnternehmender Motorradindustrie.sowiebeibefreundeten Motorrad-Fachzeit schriften.Mein DankgiltebensoallenKollegen,StudentenundMotorradfahrern,dieinGesprä chen und Diskussionen mit vielen Ideen und Gedanken fortlaufend zur weiteren Gestaltung dieses Buches beigetragen haben. Namentlich erwähnen möchte ich Herrn Dipt.-lng. Themas Ringholz, Herrn Dipl.-lng.Claus Polapund Herrn Dipl.-Ing.Gert Fischer,die beider Konzep tion derersten Auflage wichtige Beiträge zu einigen Kapitelngeleistet haben. Nicht vergessen möchte ichmeine Frau,ohnederen Verständnis fürmeinen Zeitaufwanddieses Buchnie hätte entstehenund weiterentwickeltwerdenkönnen. Wie vonBeginn an,hat Herr Dipl.-Ing. Ewald Schmitt auchdie vorliegende 7.Auflage wieder mit großempersönlichenEngagement gefördert.Ihm und dem Verlag Vieweg+Teubnerdanke ichfürdiefachliche undfreundschaftliche UnterstützungundBeratung. München undOlching,Oktober 2009 Jiirgen StojJregen VII Inhaltsverzeichnis Gesamtfahrzeug Ernrührung . I 1.1 VerkehrsmittelMotorradund wirtschaftliche Bedeutung I 1.2 CharakteristischeEigenschaften vonMotorrädern .. .. . 6 1.3 BaugruppendesMotorradesundtechnischeTrends 7 2 Fahrwlderstände, Leistungsbedarfund Fahrleistungen 10 2.1 StationäreFahrwiderstände 10 2.1.1 Rollwiderstand 10 2.1.2 Luftwiderstand 12 2.1.3 Steigungswiderstand 14 2.2 InstationäreFahrwiderstände 15 2.2.1 TranslatorischerBeschleunigungswiderstand 15 2.2.2 Rotatoriseher Beschleunigungswiderstand 15 2.3 LeistungsbedarfundFahrleistungen 16 xtotor und Antrieb 3 Arbeitsweise, Bauformen und konstruktiveAusführungvon ötcrorradmotoren . 21 3.1 MotorischerArbeitsprozess undseinewichtigstenKenngrößen 21 3.1.1 EnergiewandlungimViertakt-und Zweitaktprozess 22 3.1.2 RealeProzessgrößenundihrEinflussaufdie Motorleistung 28 3.2 Ladungswechselund Ventilsteuerungbeim Viertaktmotor ................. 33 3.2.1 Ventilöffnungsdauer und Ventilsteuerdiagramm 33 3.2.2 Ventilerhebungund Nockenform 36 3.2.3 GeometriederGaskanäle imZylinderkopf 47 3.3 Ladungswechselund SteuerungbeimZweitaktmotor 49 3.3.1 GrundlagendesLadungswechselsbeider Schlitzsteuerung ......... . 49 3.3.2 Membransteuerungfürden Einlass 56 3.3.3 Schiebersteuerungfür Ein-undAuslass 58 3.3A Externes Spülgebtäse 59 3.3.5 KombinierteSteuerungenund Direkteinspritzung 62 3A ZündungundVerbrennungimMotor .................................. 64 3A.1 ReaktionsmechanismenundgrundsätzlicherVerbrennungsablauf 64 3A.2 Beeinflussungder VerbrennungdurchdenZündzeitpunkt 67 3A.3 IrreguläreVerbrennungsabläufe 72 3AA Bildungder Abgasschadstoffe 77 3.5 Gas- und Massenkräfte imMotor 78 3.5.1 Gaskraft 79 3.5.2 Bewegungsgesetzdes Kurbeltriebsund Massenkraft 80 3.5.3 AusgleichderMassenkräfteund -momente 84 VIII Inhaltsverzeichnis 3.6 MotorkonzeptionundgeometrischeGrundauslegung 107 3.7 KonstruktiveGestaltungderMotorbauteile 111 3.7.1 Bauteiledes KurbeltriebsundderenGestaltung 111 3.7.2 Gestaltungvon KurbelgehäuseundZylinder ...................... 129 3.7.3 GestaltungvonZylinderkopfundVentiltrieb 137 3.7.4 BeispieleausgeführterGesamtmotoren 163 3.8 KühlungundSchmierung............................................ 166 3.8.1 Kühlung .................................................. 166 3.8.2 Schmierung ................................................ 171 3.9 SystemezurGemischaufbereitungundSauganlagen 173 3.9.1 Vergaser .................................................. 173 3.9.2 Einspritzung ............................................... 179 3.10 Abgasanlagen 188 3.10.1 KonventionelleSchalldämpferanlagen 188 3.10.2 AbgasanlagenmitKatalysatoren 192 3.11 ElektrischeSysteme- Energieversorgung. Elektronikund Bordnetz 196 3.11.1 ElektrischeEnergieversorgung 196 3.11.2 Bordnetz 198 4 Motorleistungsabstimmungim Versuch . 200 4.1 GrundlagenderGasdynamikbeimLadungswechsel . 200 4.2 EinflussderSteuerzeit . 202 4.3 AuslegungderSauganlage . 204 4.4 AuslegungderAbgasanlage . 209 5 Meterentuning . 211 6 Kupplung,Schaltgetriebe und Radantrieb . 223 6.1 Kupplung . 223 6.2 Schaltgetriebe . 228 6.3 Radantrieb . 233 7 KrartstorrundSchmieröl 238 7.1 Erdölals BasisfürdieHerstellungvon Kraft- undSchmierstoffen 238 7.1.1 KettenförrnigeKohlenwasserstoffe . 239 7.1.2 RingförmigeKohlenwasserstoffe . 242 7.1.3 WeitereinderPetrochemiegebräuchliche Bezeichnungen .. 243 7.2 Rohölverarbeitung . 244 7.2.1 Destillation . 244 7.2.2 Konversionsverfahren . 246 7.2.3 EntschwefelnimHydrotreater . 247 7.3 Ottokraftstoffe . 247 7.3.1 ZusammensetzungvonOttokraftstoffen . 247 7.3.2 Unerwünschte BestandteileimOttokraftstoff . 248 7.3.3 Kraftstoffzusätze(Additive) . 248 7.3.4 Wesentliche EigenschaftenvonOttokraftstoffen . 249 7.3.5 Rennkraftstoffe . 253 Inbaltsverzeichms IX 7.4 Motorenöle 253 7.4.1 Grundöle 256 7.4.2 Additive 257 7.4.3 Viskositätsindexverbesserer ................................... 259 7.4.4 KlassifizierungvonMotorenölen 261 7.4.5 Zweitaktöle 265 7,4.6 Rennöle 266 7.5 Getriebeöle 268 7.6 Ölzusetze 270 Fahrwerk 8 KonstruktiveAuslegung vonl\fotorradfahrwerken 271 8.1 BegriffeundgeometrischeGrunddaten . 271 8.2 KräfteamMotorradfahrwerk . 273 8.3 Rahmenund Radführungen . 277 8.3.1 BauartenundkonstruktiveAusführungvonMotorradrahmen 277 8.3.2 Bauarten undkonstruktiveAusführungderVorderradführung 291 8.3.3 BauartenundkonstruktiveAusführungder Hinterradführung 306 8.3.4 FederungundDämpfung 321 8,4 Lenkung . 327 8.4.1 Steuerkopflenkung .. 328 8.4.2 Achsschenkellenkung 329 8.4.3 Radnabenlenkung . 330 8.5 Bremsen . 331 8.6 Räderund Reifen . 333 9 Festigkeits- und Sretügketrsuntersuchungenan Motorradfahrwerken 340 9.1 BetriebsfestigkeitvonFahrwerkskomponenten 340 9.2 Steifigkeitsuntersuchungen . 344 9.3 DauererprobungdesGesamtfahrwerks .. 345 10 Fahrdynamik und Fahrversuch . 347 10.1 Geradeausfahrt undGeradeausstabilität . 347 1O.1.1 KreiselwirkungundGrundlagenderdynamischenStabilisierung 347 10.1.2 FahrinstabilitätenFlattern,PendelnundLenkerschlagen . 353 10.2 Kurvenfahrt . 362 10.2.1 EinlenkvorgangundGrundlagenderidealisiertenKurvenfahrt 362 10.2.2 Reale EinflüssebeiKurvenfahrt .. 364 10.2.3 Handling . 367 11 Regelungssystemefür Bremsen und Antriebsschlupf . 369 11.1 GrundlegendeGesetzmäßigkeitenbeider Bremsung . 369 11.2 StabilitätsverlustbeimBremsenundGrundfunktiondesABS . 374 11.3 ABS-Komponentenundausgeführte Seriensysteme . 378 x Inhaltsverzeichnis 11,4 Kurvenbremsurig 395 11.5 Antriebsschlupfregelung 397 Karosserie und Gesamtentwurf 12 Design,Aerodynamik und Karosserieauslegung 401 12.1 DesignalsintegralerBestandteilderMotorradentwicklung 401 12.2 Aerodynamikund Verkleidungsauslegung 411 12.3 Fahrerplatzgestaltungund Komfort 418 Indivlduallsierung 13 Zubehör,Spezialteile und technischevertetnerung 419 13.1 Verbesserungen undSpezialteile fürMotor undAntrieb 419 13.2 VerbesserungenundSpezialteile fürdas Fahrwerk 424 13.2.1 Rahmen, Radführungenund Federbeine 424 13.2.2 Räder ..................................................... 429 13.2.3 Bremsanlage 430 13.2.4 Lenker, Bedienelemente. Fußrasten,Sitzbänke 433 13.2.5 Verkleidungen, KarosserieteileundTanks 435 13.3 Gepäcksysteme undsonstiges Zubehör 439 13.4 Komplettumbauten 440 ZukunItsentwicklungen 14 Trends und zukünftigeAnforderungen im Motorradbau 443 Llteraturverzelchnis . 455 Anhang- Glossartechnischer Grundbegriffe 457 Sachwcrtverzetchnts . 465