Utvekslingsforhold

Et utvekslingsforhold uttrykker forholdet mellom rotasjonsfarten til to inngripende tannhjul, definert som antall tenner på det drevne tannhjulet delt på antall tenner på det drivende, eller tilsvarende antall omdreininger på inngangen som kreves for å gi én omdreining på utgangen. Det er grunnbegrepet bak enhver utvekslet girkasse, fordi det avgjør avveiningen mellom rotasjonsfart og dreiekraft, altså dreiemoment, i hvert punkt av drivlinjen. Et forhold større enn én betyr at utgangen dreier saktere enn inngangen, men med tilsvarende større dreiemoment, mens et forhold mindre enn én gir det motsatte.

Prinsippet bygger på energibevaring og geometrien til inngripende tenner. Når et lite tannhjul driver et stort, flytter hver omdreining av det lille tannhjulet det store bare en brøkdel av en omdreining, slik at det større dreier sakte, men virker med større armkraft. Effekten, som er produktet av dreiemoment og rotasjonsfart, holder seg stort sett konstant bortsett fra friksjonstap, og derfor kan dreiemomentet bare mangedobles ved å gi avkall på fart. Et forhold på 3:1 omtrent tredobler for eksempel dreiemomentet samtidig som utgangsfarten kuttes til en tredjedel.

Dette har betydning fordi en forbrenningsmotor bare yter brukbart dreiemoment i et begrenset turtallsområde, gjerne noen få tusen omdreininger i minuttet. Ett enkelt fast forhold kunne ikke både sette en tung bil i gang fra stillstand og la den kjøre økonomisk i fart. En girkasse tilbyr derfor et spekter av forhold: lave gir med høyt tallforhold mangedobler dreiemomentet for igangkjøring og bakketak, mens høye gir bytter dette dreiemomentet mot fart og lar motoren dreie lavt og stille ved jevn marsjfart. Trinnene mellom girene velges slik at motoren holder seg nær sitt effektive område etter hvert som veifarten stiger.

De enkelte girkasseforholdene virker ikke alene. De kombineres multiplikativt med sluttutvekslingen, eller akselforholdet, og gir det samlede forholdet mellom motor og hjul. Et førstegir på 3,5:1 gjennom en sluttutveksling på 4,0:1 gir en samlet reduksjon på 14:1, mens et overgirstoppgir på 0,8:1 gjennom samme aksel gir bare 3,2:1. De høyeste girene, med forhold under én, kalles overgir og finnes nettopp for å senke motorturtallet til avslappet og drivstoffgjerrig motorveikjøring.

Utvekslingsforhold påvirker også akselerasjon, slepeevne og forbruk på måter som ingeniørene må balansere. Tett plasserte forhold holder motoren i gang for sportslig ytelse, mens vidt plasserte forhold favoriserer økonomi og komfort. Samme logikk gjelder for elbiler, selv om disse vanligvis trenger bare ett reduksjonsforhold, fordi motorene yter sterkt dreiemoment fra null omdreininger. Å forstå utvekslingsforhold er derfor nøkkelen til å forstå hvordan et hvilket som helst kjøretøy leverer kraften sin til veien.