Il motore classico della Harley-Davidson è il bicilindrico a V con i cilindri inclinati di 45°, il cui progetto è coperto da numerosi brevetti. Le bielle di questo tipo di motore, sono vincolate ad un unica manovella dell'albero motore. Questo fa si che venga prodotto il caratteristico rumore di scarico (reso in inglese come potato-potato). Infatti si viene a creare una differenza di 405° tra uno scoppio e l'altro di ogni cilindro.
La Harley-Davidson cercò anche di brevettare il suono del suo motore ma nel 2000, dopo anni di controversie, di cui non si vedeva la fine, con gli altri costruttori che affermavano al contrario che ogni motore bicilindrico con le stesse caratteristiche tecniche del motore Harley produceva quello stesso rumore, ha ritirato la sua richiesta.
I primi modelli Harley-Davidson avevano dei motori sperimentali, a questi seguirono:
Primi modelli
Flathead, 1929-1974, 700 cc (45in 3)
I grandi bicilindrici
Knucklehead, 1936-47, 1.000 cc (61in3) e 1.200 cc (74in 3)
Panhead, 1948-65, 1.000 cc (61in3) e 1.200 cc (74 in3)
Shovelhead, 1966-85, 1.200 cc (74 in3) e 1.300 cc (80 in3) dalla fine del 1978
Evolution (detto anche "Evo" o "Blockhead"), 1984-99, 1.300 cc (80 in3)
Twin Cam (detto anche "Fathead"), dal 1999 ad oggi, 1.400 cc (88in3)
Gli Sportsters
Ironhead, 1967-1984, 883 poi portato a 1000 cc
Sportster (versione più piccola del motore Evolution), dal 1985 ad oggi, cilindrate da 883 e 1200 cc
I nuovi motori Revolution a 60°, reffreddati a liquido
Revolution dal 2002 ad oggi, 1.100 cc (69 in3), Usato esclusivamente sulla V-Rod.
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