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Über dieses Buch

Da die Technik heutiger Motorräder immer komplexer wird, gibt dieses Buch Einblicke in Hochleistungsmotoren und deren Mechanik, Nockenwellenauslegung, Ladungswechsel und Verbrennung, digitale Motorsteuerungen, ABS oder Antriebsschlupfregelungen. Diese erfordern ebenso Erklärungen, wie die physikalischen Gesetzmäßigkeiten zur Fahrstabilität oder auch zum Pendeln und anderen kritischen Fahrzuständen. Man muss aber weder Kfz-Meister sein noch Maschinenbau studiert haben, um das Buch verstehen zu können. Fundiert, zugleich aber anschaulich und verständlich, spricht der Autor Fachleute wie auch technikbegeisterte Motorradfahrer an, die alles über die Grundlagen und die Entwicklung moderner Hochleistungsmotorräder wissen wollen.

Neu aufgenommen wurde das Kapitel „Elektrik und Elektronik“, denn die Bedeutung dieses Thema hat beim Motorrad mittlerweile einen hohen Stellenwert erreicht. Im Zusammenhang damit werden auch Regelungssysteme beim Motor und beim Fahrwerk vertiefter als

in den vorhergehenden Auflagen betrachtet und um neue Entwicklungen ergänzt. Deutlich erweitert wurden auch die Kapitel über die Fahrwerksgeometrie, die Fahrwerkskinematik und die Betriebsfestigkeit. Neue Fahrzeug-Neuentwicklungen wurden aufgenommen und hierbei auch kleinere Hubraumsegmente erstmals intensiver betrachtet. Damit deckt das Buch erstmalig auch Entwicklungen ab, wie sie für die aufstrebenden Länder in Asien und Südamerika typisch sind. Aufgrund der Marktentwicklungen wird dieses Motorradsegment in Zukunft eine wichtige Rolle auch für die etablierten und bekannten Motorradhersteller spielen. Wie bisher wird dem Zubehör ein eigenes Kapitel gewidmet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Fahrzeugcharakteristik, Mobilität, Fahrzeugphysik

Frontmatter

1. Einführung

Motorräder und Motorradfahren üben auf viele Menschen eine große Faszination aus. Sie beruht im Wesentlichen auf der Unmittelbarkeit des Fahrerlebnisses, der Dynamik und der Intensität der Sinnenbeanspruchung. Motorradfahren bedingt ein sehr enges Zusammenspiel aller Sinne und des Körpers und eine permanente Rückkoppelung und Interaktion zwischen dem Fahrer und der Technik seiner Maschine. Man kann es als sinnliches Technikerleben beschreiben und Bernt Spiegel spricht in seinem sehr interessanten Buch [1.1] von hoch entwickeltem Werkzeuggebrauch. Diese Emotionalität und die Vielfalt des Erlebens sind wesentliche Gründe, dass sich trotz einer Zeitströmung, die den Individualverkehr kritischer als früher betrachtet, Motorräder zunehmender Beliebtheit erfreuen.
Obgleich sich dieses Buch mit der Technik befasst, soll zu Beginn das Motorrad kurz in seinem wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Umfeld sowie in seiner Rolle als Verkehrsmittel betrachtet werden. Denn das Umfeld wirkt zusammen mit den emotionalen Faktoren auf die technische Entwicklung unmittelbar ein. Von erheblicher Bedeutung für die Technik des Motorrades sind auch seine ganz speziellen Eigenschaften, die sich z. T. erheblich von denen anderer Straßenfahrzeuge unterscheiden. Auch diese muss man sich bewusst vor Augen führen, wenn man technische Entwicklungen im Motorradbau verstehen will.
Jürgen Stoffregen

2. Fahrwiderstände, Leistungsbedarf und Fahrleistungen

Bei der Geradeausfahrt eines Motorrades treten wie bei jedem Fahrzeug Widerstände auf, die die Fortbewegung hemmen wollen und überwunden werden müssen. Die zusätzlichen Widerstände bei der Kurvenfahrt werden üblicherweise vernachlässigt, weil sie insbesondere beim Motorrad betragsmäßig klein sind und ihre genaue Berücksichtigung unverhältnismäßig kompliziert wäre. Die Höhe der Fahrwiderstände bestimmt die Motorleistung, die zur Erzielung einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit erforderlich ist. Man unterscheidet zwischen den Widerständen, die bei stationärer Fahrt (Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit) und instationärer Fahrt (Beschleunigung) auftreten, Abb. 2.1.
Jürgen Stoffregen

Motor und Antrieb

Frontmatter

3. Arbeitsprozess, Funktion und konstruktive Ausführung von Motorradmotoren

Nachdem im vorigen Kapitel der Leistungsbedarf für das Motorrad betrachtet wurde, soll nun auf den Motor als Leistungserzeuger eingegangen werden.
Motorradmotoren zeichnen sich gegenüber allen anderen Fahrzeugmotoren durch höchste Leistungsdichte, kompakteste Bauart und geringes Gewicht aus. Sie zeigen darüber hinaus eine große Vielfalt und Variantenreichtum in der konstruktiven Bauausführung. Zusatzanforderungen, die in der heutigen Zeit an Motorradmotoren gestellt werden müssen, sind Umweltverträglichkeit, d. h. Schadstoff‐ und Geräuscharmut, geringer Kraftstoffverbrauch, Zuverlässigkeit und Wartungsarmut. Dennoch ist beim Motorradmotor nach wie vor die maximale Hubraumleistung ein vorrangiges Entwicklungsziel, weil der Wunsch des Motorradfahrers nach höchsten Fahrleistungen ungebrochen ist.
Alle Faktoren, die Einfluss auf die Leistungsentwicklung eines Verbrennungsmotors haben, lassen sich aus einer theoretischen Betrachtung des motorischen Arbeitsprozesses ableiten. Diese wird daher allen weiteren Kapiteln zum Thema Motor vorangestellt und mündet in einer Formel, mit der die Motorleistung grundsätzlich vorausberechnet werden kann. Eine solche Vorgehensweise hat sich als sehr nützlich erwiesen, weil sie zum Grundverständnis der komplexen Zusammenhänge und Wechselwirkungen beim Verbrennungsmotor beiträgt. Es schließt sich eine Betrachtung der Ladungswechselvorgänge an, die für die Leistung des Motors von ausschlaggebender Bedeutung sind. Danach wird auf die grundsätzlichen Vorgänge und Mechanismen bei der Verbrennung im Motor eingegangen.
Jürgen Stoffregen

4. Motorleistungsabstimmung im Versuch

Durch die konstruktive Ausführung der Motorbauteile werden die grundlegenden Voraussetzungen für eine hohe Leistungsausbeute des Motors geschaffen. Die eigentliche Leistungsabstimmung, d. h. die Festlegung des Drehmomentenverlaufs über der Motordrehzahl, erfolgt in Versuchsreihen mit dem Motor auf dem Prüfstand. Wie einleitend im Kap. 3 dargestellt, ist das Ziel dieser Abstimmung die Erreichung eines möglichst hohen Luftliefergrades über einen weiten Drehzahlbereich des Motors. Die Einflussfaktoren, die im Motorversuch dazu untersucht werden, sind die Steuerzeit zusammen mit der Ventilerhebung, die Sauganlage und die Abgasanlage. Voraussetzung zum Verständnis dieser Abstimmungsarbeiten ist die grundlegende Kenntnis der gasdynamischen Vorgänge beim Ladungswechsel, die nachfolgend in einem knappen Abriss zusammengefasst sind.
Jürgen Stoffregen

5. Motorentuning

Das klassische Tuning von Motoren hat immer zwei Verbesserungen zum Ziel, die Anhebung der nominellen Leistung und die Gewichtserleichterung, insbesondere von bewegten Teilen. Behandelt werden die Grundlagen des Tunings von Viertaktmotoren, ohne jedoch detaillierte handwerklichen Anleitungen zur Ausführung zu geben. Ziel ist vielmehr, die leistungssteigernden Maßnahmen im Gesamtzusammenhang mit all ihren Vor‐ und Nachteilen zu erläutern und einen Überblick über wirksame, aber auch über unwirksame bzw. schädliche Tuningmaßnahmen zu geben. Zweitaktmotoren müssen von der Betrachtung weitgehend ausgenommen werden, weil sie aufgrund ihres störungsanfälligeren Ladungswechsels in Abhängigkeit von ihrer Bauart sehr individuell betrachtet werden müssen, was über den Rahmen dieses Buches hinausgehen würde.
Alle physikalischen und z. T. auch die praktischen Grundlagen des Tunings wurden bereits in vorangegangenen Kapiteln des Buches behandelt, so dass bei der Erläuterung von Tuningmaßnahmen darauf zurückgegriffen wird. Der Leser wird gebeten, auf die entsprechenden Hinweise im Text zu achten und ggf. in den entsprechenden Abschnitten noch einmal nachzuschlagen.
Es ist zu Beginn sicher nützlich, sich an die Definition der Leistung zu erinnern. Physikalisch ist Leistung definiert als Arbeit pro Zeit. Die Leistungsabgabe an der rotierenden Kurbelwelle beschreibt folgende allgemeine Formel:
$$ P = M_{\text{d}} \cdot \omega = M_{\text{d}} \cdot 2 \uppi \cdot n $$
(5.1)
Jürgen Stoffregen

6. Kupplung, Schaltgetriebe und Radantrieb

Die Leistung von Verbrennungsmotoren kann nicht direkt auf das Hinterrad übertragen werden. Das liegt daran, dass ein verwertbares Drehmoment erst ab einer bestimmten Drehzahl abgegeben wird und darüber hinaus das Drehmoment des Motors (MAngebot) zum Anfahren und für das Befahren von Steigungen (Bedarfsdrehmoment MBed, vgl. auch Kap. 2) nicht ausreicht, Abb. 6.1. Drehmoment und Drehzahl des Motors müssen daher mittels geeigneter Übersetzungen an die Fahrwiderstände und den gewünschten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs angepasst werden. Diese Aufgaben übernehmen beim Motorrad das Schaltgetriebe und der Radantrieb. Zusätzlich ist eine Kupplung erforderlich, die eine Drehzahlangleichung zwischen Motor und Getriebe beim Anfahren bewirkt und für die notwendige Unterbrechung des Kraftflusses beim Schalten sorgt.
Jürgen Stoffregen

7. Kraftstoff und Schmieröl

Kraftstoffe und Schmieröle sind heutzutage sehr genau auf die Anforderungen moderner Motoren und Antriebe zugeschnitten. Erst die kontinuierliche Weiterentwicklung der Schmieröle parallel zu den konstruktiven und fertigungstechnischen Fortschritten hat ermöglicht, was uns heute schon fast als selbstverständlich erscheint: den praktisch verschleiß‐ und störungsfreien Dauerbetrieb der Motoren auf höchstem Leistungs‐ und Drehzahlniveau über zigtausend Kilometer. Trotz ihrer hohen spezifischen Leistung und der daraus resultierenden höheren Beanspruchungen der Bauteile benötigten die meisten Motorräder bisher in der Regel keine besonderen Ölqualitäten (Ausnahme: spezielle Herstellerempfehlungen).
Seit Einführung der sogenannten Leichtlauföle für Pkw entwickelt sich allerdings eine zunehmende Diskrepanz zwischen den Anforderungen moderner Pkw und moderner Motorräder an Motorenöle, die schon jetzt und mehr noch in Zukunft zu spezifischen Problemen bei Motorrädern führen kann. Als Reaktion darauf hat 1999 die japanische Motorradindustrie erstmals mit der Veröffentlichung eines speziellen Anforderungsprofils für Viertakt‐Motorradmotorenöle reagiert (JASO‐Spezifikationen), der einige Unternehmen der Mineralölindustrie mit einem Angebot spezieller Motoröle für Motorräder schon heute Rechnung tragen.
Die chemischen, physikalischen und technischen Eigenschaften von Kraftstoffen und Ölen werden nachstehend in ihren Grundzügen erläutert. Eingegangen wird auch auf die entsprechenden Spezifikationen sowie die Bedeutung gebräuchlicher Bezeichnungen und Abkürzungen.
Jürgen Stoffregen

Fahrwerk und Fahrdynamik

Frontmatter

8. Konstruktive Auslegung von Motorradfahrwerken

Das Motorradfahrwerk besteht in seiner ursprünglichen Definition aus dem Rahmen, der Vorderradführung mit der Lenkung, der Hinterradaufhängung, den Rädern mit den Reifen und den Bremsen. Bei näherer Betrachtung ist dieser klassische Fahrwerksbegriff eigentlich zu eng gefasst, denn beim Motorrad wirken mehr als diese fünf Komponenten auf das Fahrverhalten ein. Anders als beim Automobil gibt es zum Beispiel eine sehr enge Koppelung zwischen dem (der) Fahrer(in)/Beifahrer(in) und dem gesamten Fahrzeug mit entsprechend vielfältigen Rückwirkungen. Dehnt man den Fahrwerksbegriff entsprechend aus, dann gehören folgende Baukomponenten des Motorrades zum Fahrwerk:
Natürlich beeinflussen auch die Verkleidung und die gesamte Aerodynamik das Fahrverhalten und indirekt auch der Antrieb. Diesen Bauteilen und Funktionen sind aber ebenso wie den Bremsen eigene Kapitel gewidmet.
Als wichtigste Bauteile werden wir uns zunächst den ersten fünf Fahrwerkskomponenten zuwenden. Der Leser wird um Einsicht gebeten, dass es im Rahmen eines Grundlagenbuchs für Motorradtechnik nicht möglich ist, alle Teilbereiche des Fahrwerks mit gleicher Ausführlichkeit zu behandeln und ein Setzen von Schwerpunkten unumgänglich ist.
Jürgen Stoffregen

9. Betriebsfestigkeit und Steifigkeit von Motorradfahrwerken

Im Mittelpunkt unserer Betrachtungen zum Motorradfahrwerk stand bisher die Erfüllung der geometrischen und kinematischen Funktionen. Einen gleich hohen Stellenwert haben die Steifigkeit der Komponenten und die Gewährleistung einer ausreichenden Festigkeit aller Fahrwerksbauteile über die Lebensdauer des Motorrads. Darüber hinaus muss sich ein Motorradhersteller im Rahmen seiner Produktverantwortung und Produzentenhaftung auch mit dem Verhalten seiner Produkte bei grenzwertiger, unüblicher und extremer Benutzung bis hin zum Missbrauch auseinandersetzen. Auf dieses spezielle und umfangreiche Thema wird am Ende dieses Kapitels eingegangen, es wird aber auch auf die Literatur [9.2] verwiesen.
Jürgen Stoffregen

10. Fahrdynamik und Fahrversuch

Die Stabilisierung des Motorrads erfolgt durch Kreiselkräfte und auf dieser Grundlage muss auch die Fahrdynamik betrachtet werden. Die Zusammenhänge sind kompliziert und für eine präzise Beschreibung aller Vorgänge wäre eine Darstellung der Kreiselmechanik vonnöten. Diese setzt jedoch Kenntnisse der Mathematik und Mechanik voraus, die auch beim technisch vorgebildeten Leser nicht erwarten werden kann. Deshalb wird für dieses Buch eine vereinfachte, dafür aber anschauliche Darstellung gewählt, die allgemein verständlich ist. Unschärfen werden dabei in Kauf genommen und sind für die Praxis kaum relevant. Der wissenschaftlich interessierte Leser, der sich eine exakte Darstellung wünscht, wird an dieser Stelle auf die Fachliteratur zur Kreiselmechanik verwiesen.
Behandelt werden in diesem Kapitel die Vorgänge der Geradeausstabilisierung, die Grundlagen der Kurvenfahrt und die Instabilitäten, die beim Fahren auftreten können. Ein wichtiger Aspekt bei der Motorrad‐Fahrdynamik ist das enge Zusammenspiel zwischen Fahrwerksreaktionen und Fahrer sowie die ausgeprägte Rückwirkung des Fahrers auf das Fahrverhalten. Es sind u. a. diese menschlichen Einflussfaktoren, die es mit sich bringen, dass bei der Fahrdynamik manche Vorgänge (noch) nicht exakt berechenbar sind, sondern man auf das subjektive Fahrerempfinden bei der Beurteilung weiterhin angewiesen ist.
Jürgen Stoffregen

11. Regelungssysteme für Bremsen und Antriebsschlupf

Regelungssysteme für Motorradbremsen (ABS = Anti‐Blockier‐System) wurden erstmals 1988 von BMW für die Serie vorgestellt. Andere Motorradhersteller folgten nur zögerlich und es dauerte bis nach 2010, bevor ABS bei den namhaften Motorradherstellern für die meisten Modelle im Angebot war. Ab Januar 2017 müssen aufgrund einer Gesetzesvorschrift alle in der EU neu zugelassenen Motorräder über 125 cm3 mit einem ABS‐System ausgerüstet sein.
Die Regelungssysteme sowohl für Bremsen als auch für den Antrieb von Motorrädern müssen speziell auf die Eigenheiten der Motorrad‐Fahrdynamik ausgelegt und abgestimmt werden. Beim ABS können vom Automobil lediglich einige hydraulische Systemkomponenten, allerdings auch diese nur in abgewandelter Form, übernommen werden. Unter anderem arbeitet die Bremshydraulik aufgrund der höheren Steifigkeit des Gesamtsystems in einem niedrigeren Druckbereich (ca. 12 bar), und aus Stabilitätsgründen ist bei der Regelung eine größere Überdruckruckabsenkung als beim PKW bis auf Werte nahe Null notwendig. Da die grundsätzlichen und physikalischen Zusammenhänge bei der Motorrad‐Bremsung komplex und wichtig für das Verständnis der Bremsenregelung sind, wird zunächst auf diese eingegangen.
Jürgen Stoffregen

Gesamtsystem Elektrik und Elektronik

Frontmatter

12. Elektrische Energieversorgung, elektrische und elektronische Systeme

Die elektrische Anlage eines Motorrads besteht grundsätzlich aus den Systemkomponenten Energieerzeuger (Generator mit Regler), Energiespeicher (Batterie), Leitungssystem (Kabelbaum), Sicherungen und den Verbrauchern (Beleuchtung, Zündung, etc.). Hinzu kommen Steuergeräte (Motorelektronik für Einspritzung und Zündung, ABS) und ggf. weitere Elektronikkomponenten und Regelungssysteme. Die Versorgungsspannung beträgt bei modernen Motorrädern mit Verbrennungsmotor ausnahmslos 12 V, wobei der Minus‐Pol der Batterie an Masse liegt. Das wird zumindest mittelfristig auch so bleiben.
Jürgen Stoffregen

Karosserie, Ergonomie und Design

Frontmatter

13. Design, Aerodynamik und Karosserieauslegung

Mittlerweile wird auch bei Motorrädern der aus dem Automobilbereich entlehnte Begriff Karosserie als Sammelbezeichnung für die Baugruppen Verkleidung, Kotflügel, Abdeckungen, Seitenverkleidung Sitzbank, Tank, Fußrastenanlage und Lenker verwendet (vgl. Abschn. 1.3). Die Karosserieauslegung ist sehr eng sowohl mit der Aerodynamik als auch mit dem Design verknüpft. Der Designeinfluss geht allerdings über die Karosserieumfänge weit hinaus. Das Design bestimmt nicht nur wesentlich die Entwurfsphase eines neuen Motorrades, das Design spielt eine zentrale Rolle in weiten Teilen des Entwicklungsprozesses. Wegen der sichtbaren Technik ist die Vernetzung zwischen Technik und Design beim Motorrad sogar teilweise enger als beim Automobil.
Jürgen Stoffregen

Individualisierung

Frontmatter

14. Zubehör, Spezialteile und Fahrzeugumbauten

Motorräder von heute haben einen exzellenten technischen Stand und das Angebot an Serienmotorrädern zeigt eine nie dagewesene Vielfalt, die kaum Wünsche offen lässt. Dennoch gibt es eine hohe Nachfrage für Zubehör. Standen früher technische Verbesserungen bis hin zum Motortuning und kompletten Fahrwerksumbauten im Vordergrund, so sind es heute mehr die optische Aufwertung und Individualisierung des eigenen Fahrzeugs, Abb. 14.1; manchmal führt dabei der Wunsch zur Differenzierung auch zu sehr ungewöhnlichen Fahrzeugen mit gewöhnungsbedürftiger Erscheinung.
Es gibt mittlerweile ein nahezu unüberschaubares Angebot an Zubehör und Sonderteilen auch von den Motorradherstellern selber. BMW Motorrad offeriert traditionell sehr umfangreiches funktionales Zubehör, hat aber jüngst auch begonnen, den Markt für optische Aufwertung zu besetzen und bietet seit dem Herbst 2017 die Individualisierungslinie „Spezial“ mit sehr hochwertig ausgeführten Frästeilen und Speziallackierungen an, die auch ab Werk lieferbar sind, Abb. 14.2.
Traditionell stark im Customizing war und ist Harley‐Davidson, mittlerweile entdecken aber weitere Hersteller dieses lukrative Geschäftsfeld, besonders die europäischen Unternehmen Triumph, KTM und Ducati haben ein umfangreiches Teilesortiment, Abb. 14.3.
Jürgen Stoffregen

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