É lenda também seu clássico motor V-Twin, o qual produz grande potência e um som característico. Este motor está composto de dois cilindros em V, inclinados em um ângulo de 45 graus. As primeiras motocicletas Harleys utilizaram motores experimentais, mas depois vieram os seguintes desenhos:
Primeiros modelos
•Silent Grey Fellow, 1903, monocilíndrico, motor De Dión 2 CV.
•The Flathead, 1929-1974, 45 polegadas cúbicas (700cc)
Os Big Twins
•Knucklehead, 1909-1947, 60 e 74 polegadas cúbicas (1000cc e 1200cc)
•Panhead, 1948-1965, 60 e 74 polegadas cúbicas (1000cc e 1200cc)
•Shovelhead, 1966-1985, 74 polegadas cúbicas (1200cc) e 80 pulgadas cúbicas (1310cc) até fins de 1978
•Evolution (também conhecido como "Evo" e "Blockhead"), 1984-1999, 80 polegadas cúbicas (1340cc)
•Twin Cam 88 (também conhecido como "Fathead") 1999-2006, 88 polegadas cúbicas (1450cc)
•Twin Cam 96 2007, 96 polegadas cúbicas (1584cc)
Sportster Evolution
Os Sportsters
•Ironhead, 1957-1985, 900, 1000 e 1100cc
•Evolution, 1985-presente, 883cc e 1200cc
Novo motor em V de 60°, enfriado por água
•Revolution 2002, 1130cc V-Twin a 60° 4 tempos, duas árvores de levas em cada cabeça ,4 válvulas por cilindro acondicionadas por pulsadores, referigeração por líquido é usado na família VRSC (V-Rod, Night Rod, Night Rod Special, Street Rod), é o primeiro motor montado em uma Harley Davidson que não tem sido desenvolvido pela marca, senão pela Porsche, e também é o primeiro que montam com alimentação mediante injeção em lugar de carburadores.
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