Motore a due cilindri contrapposti

Motore bicilindrico bixer di una Douglas 80 Plus degli anni 50

Un motore a due cilindri contrapposti, chiamato anche motore a due cilindri orizzontali, è un motore a combustione interna a pistoni, con i due cilindri posizionati ai due lati opposti dell'albero motore. Il tipo più comune di questo motore è il bicilindrico boxer, dove entrambi i cilindri si muovono contemporaneamente verso l'interno e verso l'esterno.

Il progetto del bicilindrico contrspposto fu brevettato da Karl Benz nel 1896 e il primo motore di produzione fu utilizzato nell'auto Phaeton Lanchester da 8 hp costituita nel 1900. Il motore bicilindrico è stato utilizzato sia nella produzione automobilistica che in misura maggiore in quella motociclista; i primi modelli orientavano i cilindri in linea con il telaio, tuttavia i modelli successivi passarono ai cilindri perpendicolari al telaio per fornire un raffreddamento uniforme su entrambi i cilindri.

I motori a due cilindrici contrapposti furono utilizzati anche in diversi velivoli tra la fino degli anni '30 agli anni '60.

Design tipico

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Configurazione albero motore Boxer

La maggior parte dei motori bicilindrici piatti utilizzano una configurazione boxer per l'albero motore e sono quindi chiamati motori "bicilindrici boxer". In un motore bicilindrico boxer, l'albero motore di 180° muove i pistoni in fase tra loro, quindi le forze generate da un pistone vengono annullate dall'altro, determinando un ottimo bilanciamento primario. L'ordine di accensione equidistante aiuta anche a ridurre le vibrazioni. Le forze uguali e opposte in un motore bicilindrico boxer generano tuttavia una coppia oscillante, a causa della distanza di offset tra i pistoni lungo l'albero motore.[1] Un sistema di accensione comunemente usato è la scintilla persa[2], che è un semplice sistema di accensione che utilizza una bobina a doppia estremità che accende entrambe le candele ad ogni giro (cioè durante la compressione e la corsa di scarico). Questo sistema è senza distributore e richiede solo un interruttore di contatto e una bobina per il motore.[3]

Sistema di accensione a scintilla sprecato

Pressione del carter

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La configurazione boxer bicilindrica può causare la pressione del basamento durante ciascuna corsa del pistone verso l'interno e la depressurizzazione durante ciascuna corsa del pistone verso l'esterno, poiché entrambi i pistoni si muovono contemporaneamente verso l'interno o verso l'esterno. Questo effetto di pompaggio del basamento (presente anche sui motori monocilindrici e sui motori bicilindrici paralleli a 360°) viene solitamente risolto mediante uno sfiato del basamento.[4]

Il boxer bicilindrico Citroën 2CV ha sfruttato questo effetto di pompaggio per mantenere un vuoto parziale all'interno del carter, al fine di ridurre le perdite di olio in caso di malfunzionamento del paraolio. Ciò è stato ottenuto utilizzando una valvola unidirezionale (un lembo in pelle o gomma sopra un foro nel basamento), per far uscire l'aria dal basamento ma non entrare.[5]

Applicazioni

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Automobili

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Motore Citroën 2CV (visto dal retro)

Gli inizi del motore bicilindrico furono nel 1896, quando Karl Benz ottenne un brevetto per il design. Un anno dopo, la sua azienda Benz & Cie ha presentato il primo motore bicilindrico piatto, un design boxer chiamato "motore contra".[6]

Nel 1900, la Lanchester Engine Company iniziò la produzione del Lanchester 8 hp Phaeton, che utilizzava un motore bicilindrico piatto.[7][8] Questo motore aveva un design insolito di due alberi a gomiti controrotanti, con ogni pistone attaccato al suo albero a gomiti da una biella spessa.[7] Ogni pistone era anche collegato all'altro albero motore da due bielle più sottili, facendo muovere i due pistoni sullo stesso asse.[7][8] Inoltre, la reazione di coppia di un albero motore annulla la reazione di coppia dell'altro, annullando la reazione di coppia nel motore.[7] Lanchester ha utilizzato questo motore fino al 1904.[8]

Altri primi utilizzi dei motori bicilindrici orizzontali furono il Ford Model A del 1903-04, il Ford Model C del 1904-1905, il Ford Model F del 1905-1906.[9][10] e diversi modelli di Jowett Cars dal 1910 al 1937.[11][12]

La Citroën 2CV, prodotta dal 1948 al 1990, è stata una delle prime auto a trazione anteriore a utilizzare un motore piatto. La 2CV era alimentata da un motore bicilindrico boxer raffreddato ad aria. Sempre nel 1948, la Panhard Dyna X fu lanciata con trazione anteriore e un motore bicilindrico boxer raffreddato ad aria. Altre auto dopo la seconda guerra mondiale che utilizzavano motori boxer bicilindrici furono il furgone Jowett Bradford[12], il DAF Daffodil del 1961-1976, la Toyota Publica del 1961-1978, la vettura sportiva Toyota Sports 800 del 1965-1969 e diversi modelli a trazione anteriore di Citroën e Panhard. Diverse auto con motore posteriore furono prodotte anche con motori boxer bicilindrici originariamente progettati per motociclette, come la Puch 500 del 1957-1975, la BMW 600 del 1957-1959 e la BMW 700 del 1959-1965. Il produttore brasiliano Gurgel Motores ha utilizzato un motore bicilindrico boxer raffreddato ad acqua (boxer quattro cilindri raffreddato ad aria Volkswagen) in diversi modelli dal 1988 al 1994.

Il motore Toyota U era un bicilindrico piatto raffreddato ad aria prodotto dal 1961 al 1976. Introdotto nell'utilitaria Toyota Publica, il motore a U è stato utilizzato anche nel piccolo veicolo commerciale Toyota MiniAce e nell'auto sportiva Toyota Sports 800.

Motociclette

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Montaggio traversale

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Motore Douglas N3 del 1912

I vantaggi dell'utilizzo di un motore bicilindrico piatto montato con l'albero motore perpendicolare al telaio (quindi i cilindri sono in linea con il telaio) sono un baricentro basso[13] e un sistema di trasmissione a cinghia o a catena per trasmettere la trazione alla ruota posteriore.[13][14] Tuttavia, i lati negativi sono la distribuzione del calore non uniforme (il cilindro anteriore è raffreddato più pesantemente del cilindro posteriore)[13][14] e spesso è richiesto un passo più lungo a causa della lunghezza del motore.[13]

Il primo motore motociclistico bicilindrico piatto fu costruito nel 1905 dalla Light Motors Company nel Regno Unito. Originariamente chiamato Fée (ribattezzato "Fairy" subito dopo la sua introduzione)[15], è stato progettato come un "sistema motrice per biciclette" che trasmetteva potenza a una puleggia sulla ruota posteriore tramite una catena.[16] La fabbricazione del Fairy fu assegnata alla Douglas Engineering Company, uno dei fornitori di Light Motors, quando la Light Motors Company si sciolse.[1] Più tardi, nel 1907, Douglas cambiò la trasmissione dal design della catena e della puleggia a un sistema di trasmissione a cinghia azionato direttamente dal motore. Gli sviluppi successivi della motocicletta Douglas furono fatti con i cilindri in linea con il telaio fino alla seconda guerra mondiale.[1]

Altre prime motociclette con motori bicilindrici piatti usavano una disposizione simile, con i loro cilindri allineati lungo il telaio e quindi con l'albero motore che correva trasversalmente al telaio.

Nel 1914 il principale fornitore di cambi con mozzo posteriore, Sturmey-Archer, introdusse un cambio a contralbero a 3 velocità con avviamento a pedale integrato[17], che poneva un problema di progettazione per motociclette con motori bicilindrici piatti montati trasversalmente. Questo cambio potrebbe essere posizionato relativamente facilmente dietro un motore monocilindrico o bicilindrico a V, tuttavia questa disposizione comporterebbe un passo eccessivamente lungo per i motori bicilindrici. Le soluzioni a questo problema includevano l'uso di un contralbero sotto il motore (come usato dalla Douglas Fairy)[18], o un cambio situato sopra il motore[19][20], anche se in alcuni casi i cilindri erano abbastanza corti per usare il cambio nella tradizionale posizione dietro il motore.[21]

Nel 1916, la maggior parte delle motociclette con motori bicilindrici piatti utilizzava ancora un motore montato trasversalmente. I modelli europei in questo momento includevano il Bradbury da 3,5 CV, il Brough HB, il Douglas da 2,78 CV e 4 CV, l'Humber da 3,5 CV e 6 CV, il Matchless da 6 CV, il Montgomery da 6 CV, il Williamson Flat Twin da 8 CV e il Bayerische Flugzeugwerke Helios (il predecessore della prima motocicletta BMW). I modelli prodotti negli Stati Uniti includevano l'Indian Model O e l'Harley-Davidson Model W.[1][14][22][23][24][25]

Montaggio longitudinale

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Motore Harley-Davidson XA del 1942

Il vantaggio principale di montare un motore bicilindrico piatto con l'albero motore in linea con il telaio (quindi i cilindri seduti lateralmente nel telaio) è che un motore raffreddato ad aria riceve la stessa quantità di raffreddamento per ciascun cilindro.[19][26] L'Harley-Davidson XA, che utilizzava un motore bicilindrico piatto con i cilindri sul telaio, manteneva una temperatura dell'olio di 56 °C più fredda di una Harley-Davidson WLA con bicilindrico a V con i cilindri in linea con il telaio.[27] Un vantaggio collaterale è che i cilindri forniscono protezione al ciclista in caso di collisione o caduta e mantengono i piedi caldi quando fa freddo.[19][26] Gli svantaggi sono che il motore non può essere montato il più vicino possibile al suolo (altrimenti i cilindri possono raschiare il suolo in curva)[28] e che espone i cilindri e le coperture delle valvole al pericolo di danni da collisione.[19][26] Dato il montaggio longitudinale, la reazione della coppia ruoterà la motocicletta su un lato (come in caso di forte accelerazione/decelerazione o quando si apre l'acceleratore in folle) invece di spostare il bilanciamento del peso tra le ruote anteriori e posteriori. Tuttavia, molte motociclette moderne riducono questo effetto ruotando volani o alternatori nella direzione opposta a quella dell'albero motore.[29][30]

Una delle prime motociclette con un motore bicilindrico piatto montato longitudinalmente fu la ABC del 1916, costruita nel Regno Unito.[22] Per adattarsi alla trasmissione a catena, l'ABC ha utilizzato una trasmissione conica sul cambio per cambiare la direzione della trasmissione di novanta gradi.[1] La prima motocicletta BMW, la BMW R 32 del 1923, fu un altro dei primi esempi di motore bicilindrico piatto montato longitudinalmente, sebbene in questo caso la potenza fosse trasmessa alla ruota posteriore tramite una trasmissione a cardano.[1]

Nel tempo, il montaggio longitudinale è diventato più comune per i motori bicilindrici. BMW ha una lunga storia di motociclette a motore piatto[1][31], come Ural (Russia) e Dnepr (Ucraina).

Aviazione

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Bristol Cherub II installato sugli aerei

Nel 1902, il monoplano Pearse (che in seguito sarebbe diventato uno dei primi aerei a raggiungere il volo) era alimentato da un motore bicilindrico piatto costruito in una fattoria da un inventore hobbista.[32][33][34] Questo motore utilizzava il design insolito di un singolo perno di manovella condiviso e pistoni a doppio effetto.[35][36] Nel 1908, la società francese Dutheil-Chalmers iniziò la produzione di motori per aerei bicilindrici, che utilizzavano due alberi motore controrotanti.[37][38] Il motore Dutheil-Chlamers fu utilizzato dall'aereo sperimentale Santos-Dumont Demoiselle n. 20 del 1907, con versioni successive di questo aereo prodotte con motori bicilindrici Darracq e Clément-Bayard.

La maggior parte degli aerei con motore a pistoni utilizzava più di due cilindri, tuttavia altri motori per aeromobili bicilindrici degli anni '20 e '30 includono gli americani Aeronca E-107 e Aeronca E-113, il britannico Bristol Cherub e il cecoslovacco Praga B2. L'HKS 700E è un bicilindrico piatto raffreddato ad olio per velivoli ultraleggeri attualmente in produzione.[39]

Negli aerei più grandi, i motori bicilindrici piatti sono stati utilizzati nelle unità di potenza ausiliarie (APU). Un esempio notevole è stato fatto dalla ABC Motors negli anni '20 e '30.[40] Durante la seconda guerra mondiale, la ditta Reidel in Germania progettò e fabbricò un motore a due tempi bicilindrico piatto come motorino di avviamento per i motori a reazione Junkers Jumo 004, BMW 003 e Heinkel HeS 011.[41][42]

Altri utilizzi

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I motori bicilindrici Maytag "Modello 72", prodotti dal 1937 fino a qualche tempo tra il 1952 e il 1960, furono utilizzati in varie applicazioni, comprese le lavatrici.[43][44][45][46][47]

I generatori elettrici che utilizzavano motori bicilindrici furono costruiti dalla Norman Engineering Company dal 1932 al 1968.[48] Enfield Industrial Engines (parte di Royal Enfield) ha prodotto motori a benzina a due tempi bicilindrici piatti durante la seconda guerra mondiale che sono stati utilizzati per generatori e altri usi militari. Dopo il 1945, Enfield ha prodotto motori diesel bicilindrici piatti, con applicazioni tra cui uso agricolo e marino. Coventry Victor ha introdotto una versione diesel del loro attuale 688 cc a benzina bicilindrico piatto nel 1932, e ha continuato a produrre motori bicilindrici piatti diesel e benzina per una varietà di usi industriali e marini negli anni '50.[49]

I bicilindrici piatti a due tempi erano spesso usati come motori fuoribordo per barche, poiché erano più fluidi dei motori monocilindrici. Negli anni '40, furono in gran parte sostituiti da motori a due tempi bicilindrici in linea, che erano più facili da avviare e non avevano quantità eccessive di vibrazioni.[50]

Note

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  1. ^ a b c d e f g Hugo Wilson, The A-Z of Motorcycles, in The Encyclopedia of the Motorcycle, London, UK, Dorling Kindersley, 1995, ISBN 0-7513-0206-6.
  2. ^ Flat Twin (Boxer): The famous motorcycle engine used by BMW since 1921/1922, su animatedpiston.com (archiviato dall'url originale il 27 giugno 2017).
  3. ^ Copia archiviata (PDF), su 2CV Stuff. URL consultato il 18 maggio 2013 (archiviato dall'url originale il 16 marzo 2012).
  4. ^ (EN) Kevin Cameron, TDC: Pumped, in Cycle World, vol. 31, n. 1, Hachette Magazines, gennaio 1992, p. 14, ISSN 0011-4286 (WC · ACNP). URL consultato il 17 aprile 2015.
  5. ^ Citroen 2CV engine operation animation (GIF), su discourse.com (archiviato dall'url originale il 19 gennaio 2019).
  6. ^ Bob English, The engine that Benz built still survives, in The Globe and Mail, Toronto, Canada, 29 aprile 2010. URL consultato il 19 dicembre 2013 (archiviato dall'url originale il 20 dicembre 2013).
  7. ^ a b c d Gianni Rogliatti, Period Cars, Feltham, Middlesex, UK, Hamlyn, 1973, p. 140, ISBN 0-600-33401-5.
  8. ^ a b c Car and Driver, http://www.caranddriver.com/features/the-10-most-unusual-engines-of-all-time-feature. URL consultato il 17 maggio 2013.
    «One crank lived above the other, and each piston had three connecting rods—two light outer ones and a heavier one in the center. The light rods went to one crank, the heavy rods to the other, and the two shafts counterrotated.»
  9. ^ Beverly Kimes, Standard Catalog of American Cars 1805-1942, Krause Publications, 1996, p. 572, ISBN 0-87341-428-4.
  10. ^ Lindsay Brooke, Chapter 1 Before the Model T, in Ford Model T: The Car that Put the World on Wheels, Minneapolis, MN USA, Motorbooks, 2008, p. 29.
  11. ^ Specification tables, in The Complete Catalogue of British Cars 1895-1975, p. 189.
  12. ^ a b David Culshaw e Peter Horrobin, The Complete Catalogue of British Cars 1895-1975, Poundbury, Dorchester, UK, Veloce Publishing, 2013 [1974], ISBN 978-1-84584-583-4, e-book.
  13. ^ a b c d Vic Willoughby, Douglas, in Classic Motorcycles, Third impressionª ed., The Hamlyn Publishing Group, 1977 [1975], p. 23, ISBN 0-600-31870-2.
  14. ^ a b c Jan P. Norbye, The Origins of BMW: From Flying Machines to Driving Machines, in BMW - Bavaria's Driving Machines, New York, NY, USA, Beekman House, 1984, p. 15, ISBN 0-517-42464-9.
  15. ^ The engine of the future, in The Motor Cycle, Iliffe & Sons Ltd., 5 ottobre 1916, p. 283.
  16. ^ 1976, ISBN 0-7153-7209-2.
  17. ^ A Sturmey-Archer Countershaft Gear, in The Motor Cycle, Iliffe & Sons Ltd., 27 agosto 1914, p. 274.
  18. ^ Drawing of 1911 Douglas
  19. ^ a b c d Vic Willoughby, Douglas, in Classic Motorcycles, 3ª ed., The Hamlyn Publishing Group, 1977 [1975], p. 23, ISBN 0-600-31870-2.
  20. ^ Drawing of 1932 Douglas K32
  21. ^ Drawing of 1926 Douglas
  22. ^ a b Flat Twins, in The Motor Cycle, Iliffe & Sons Ltd., 9 novembre 1916, pp. 400–403.
  23. ^ (EN) Bill Wood (a cura di), Classics: 1917 Indian Model O, in American Motorcyclist, vol. 55, n. 10, Pickerington, American Motorcyclist Association, ottobre 2001, p. 71, ISSN 0277-9358 (WC · ACNP). URL consultato il 19 aprile 2015.
  24. ^ Doug Mitchel, The Early Years (1903–1928), in Harley-Davidson Chronicle, Lincolnwood, Publications International, 1997, pp. 44–45, ISBN 0-7853-2514-X.
  25. ^ Bill Wood (a cura di), Classics: 1922 Harley-Davidson Sport Twin, in American Motorcyclist, vol. 55, n. 3, Pickerington, American Motorcyclist Association, marzo 2001, p. 127, ISSN 0277-9358 (WC · ACNP).
  26. ^ a b c Hugo Wilson, The A-Z of Motorcycles, in The Encyclopedia of the Motorcycle, London, UK, Dorling Kindersley, 1995, ISBN 0-7513-0206-6.
  27. ^ (EN) Classics: 1942 Harley-Davidson XA, in American Motorcyclist, vol. 53, n. 3, American Motorcyclist Association, marzo 1999, p. 127, ISSN 0277-9358 (WC · ACNP). URL consultato il 19 aprile 2015.
    «Mechanically, the large cooling fins stuck straight out in the breeze, reportedly keeping the XA’s oil temperature 100 degrees cooler than a standard Harley 45.»
  28. ^ Gaetano Cocco, Chapter 11: The Engine, in Motorcycle Design and Technology[collegamento interrotto], Englishª ed., St. Paul, MN USA, Motorbooks International, 2004, p. 118, ISBN 0-7603-1990-1.
    «However, it does create some problems for longitudinal development of the bike because the boxer cylinders have to be positioned high up from the ground in order to protect them from scraping the ground when leant over in turns.»
  29. ^ motorcyclecruiser.com, https://web.archive.org/web/20100502180324/http://www.motorcyclecruiser.com/roadtests/sport_cruisers_comparison/index.html. URL consultato il 10 settembre 2010 (archiviato dall'url originale il 2 maggio 2010).
    «Though the Valkyrie also has a longitudinal crankshaft, this torque reaction has been eliminated by making some of the components, such as the alternator, spin the opposite direction of the engine.»
  30. ^ breganzane.com, 1997, https://web.archive.org/web/20110708092245/http://www.breganzane.com/vm/history/v6/page3.html. URL consultato il 10 settembre 2010 (archiviato dall'url originale l'8 luglio 2011).
    «By arranging the rest of the engine internals to rotate in the opposite direction to the crankshaft their forces are cancelled out without having to resort to the weight, complexity and friction associated with two crankshafts.»
  31. ^ Copia archiviata, su bmwmotorcycles.com. URL consultato il 22 dicembre 2008 (archiviato dall'url originale il 25 gennaio 2009).
  32. ^ nzhistory.govt.nz, https://nzhistory.govt.nz/culture/richard-pearse. URL consultato il 10 agosto 2019.
  33. ^ Copia archiviata, su sciencelearn.org.nz. URL consultato il 7 marzo 2021 (archiviato dall'url originale il 28 luglio 2016).
  34. ^ worldhistory.us, https://worldhistory.us/american-history/richard-pearse-designed-and-built-early-flying-machine.php. URL consultato il 10 agosto 2019.
  35. ^ Drawing of replica engine
  36. ^ monash.edu.au, http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/pearse1.html. URL consultato il 10 agosto 2019.
  37. ^ (EN) oldmachinepress.com, https://oldmachinepress.com/2017/07/20/dutheil-chalmers-eole/. URL consultato il 10 agosto 2019.
  38. ^ oldengine.org, https://web.archive.org/web/20190803093713/http://www.oldengine.org/members/diesel/Duxford/1910.htm. URL consultato il 10 agosto 2019 (archiviato dall'url originale il 3 agosto 2019).
  39. ^ hksengines.com, http://www.hksengines.com/. URL consultato il 10 agosto 2019.
  40. ^ R. H. Chaplin e F. Nixon, Ancillary Power Services, in Flight, vol. 35, n. 1580, 6 aprile 1939, pp. 357–359. URL consultato il 29 dicembre 2010.
    «Both lecturers discussed the claims of the auxiliary engine for supplying service power. This is a well-known British example, the A.B.C. flat twin.»
  41. ^ legendsintheirowntime.com, https://web.archive.org/web/20180929074301/http://legendsintheirowntime.com/LiTOT/Content/1946/Av_4603_DA_BMW003.html. URL consultato il 3 settembre 2016 (archiviato dall'url originale il 29 settembre 2018).
    «Starting procedure is as follows: Starting engine is primed by closing electric primer switch, then ignition of turbojet and ignition and electric starting motor of Riedel engine are turned on (this engine can also be started manually by pulling a cable). After the Riedel unit has reached a speed of about 300 rpm, it automatically engages the compressor shaft of the turbojet. At about 800 rpm of the starting engine, starting fuel pump is turned on, and at 1,200 rpm the main (J-2) fuel is turned on. The starter engine is kept engaged until the turbojet attains 2,000 rpm, at which the starter engine and starting fuel are turned off, the turbojet rapidly accelerating to rated speed of 9,500 rpm on the J-2 fuel»
  42. ^ Bill Gunston, The Development of Jet and Turbine Aero Engines, 2ª ed., Cambridge, England, Patrick Stephens, 1997 [1995], p. 141, ISBN 1-85260-586-3.
  43. ^ Charles L. Shelton, Maytag Twins or 'Look-a-Likes'?, in Gas Engine Magazine, Ogden Publications, marzo–aprile 1999. URL consultato il 28 dicembre 2010 (archiviato dall'url originale il 6 ottobre 2011).
    «The twin, or 72 as it was commonly referred to, was used primarily as a source of power for the Maytag washing machines. Even as late as the early '30s, some brands of washers were hand operated; thus a ready power source such as the twin had a great deal of influence on Americans' work habits.»
  44. ^ Maytag, su herculesengines.com. URL consultato l'8 gennaio 2009 (archiviato dall'url originale il 17 gennaio 2010).
  45. ^ Copia archiviata (PDF), su oldengine.org. URL consultato il 7 marzo 2021 (archiviato dall'url originale il 25 gennaio 2011).
  46. ^ Peter Hunn, Short Profiles of Manufacturers, in The Small-Engine Handbook, collana Motorbooks Workshop, MotorBooks International, 13 giugno 2005, p. 42, ISBN 978-0-7603-2049-5.
    «Often equipped with a foot pedal kick-starter, Maytag motors were available in both single-cylinder and opposed-twin formats.»
  47. ^ Copia archiviata, su maytagclub.com. URL consultato l'8 gennaio 2009 (archiviato dall'url originale il 27 maggio 2009).
  48. ^ Roland Brown, 1955 Douglas Dragonfly, in Motorcycle Classics, Ogden Publications, novembre–dicembre 2007. URL consultato il 28 dicembre 2010.
  49. ^ Nick Baldwin, The World guide to automobile manufacturers, Facts on File Publications, 1987, p. 111, ISBN 0-8160-1844-8.
  50. ^ (EN) Hank Holcolmb, Inside Today's Outboards, in MotorBoating, vol. 114, n. 4, Hearst, ottobre 1964, pp. 34–35, ISSN 1531-2623 (WC · ACNP). URL consultato il 18 maggio 2013.

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