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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Torsionssensor für Torsionen um eine Torsionsachse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf spezielle Verwendungen eines solchen Torsionssensors, um beispielsweise Torsionen eines Rotorblatts eines Hubschrauberrotors zu erfassen.
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Unter Torsionen werden hier jedwede statischen und dynamischen Relativverdrehungen über einen begrenzten Winkel um eine Torsionsachse verstanden.
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STAND DER TECHNIK
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Rotorblätter von Hubschrauberrotoren sind flexible Strukturen, deren Verformung im Betrieb nur schwer erfassbar ist. Bekannte Maßnahmen zur Erfassung der Verformung von Rotorblättern sind optische Verfahren, die jedoch nur für Windkanaluntersuchungen geeignet sind, Messungen über integrierte translatorische Beschleunigungssensoren und Deformationsmessungen über Dehnungsmessstreifen (DMS).
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Bekannte optische Verfahren zur Erfassung von Verformungen bestimmen die Verformungen nicht in Echtzeit und/oder erfassen die Verformungen nur an bestimmten Stellen des Rotorumlaufs. Die zeitliche Auflösung der Verformungsdaten ist meist nur sehr grob.
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Die Verwendung, kommerziell verfügbarer translatorischer Beschleunigungssensoren an Rotorblättern von Hubschrauberrotoren ist häufig aufgrund von starken Zentrifugalbeschleunigungen und aufgrund des beschränkten Bauraums schwierig. Beides betrifft insbesondere kleiner skalierte Modelle. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Beschleunigungssensoren ist die Beschränkung auf dynamische Vorgänge. Statische Auslenkungen eines Rotorblatts können mit einem Beschleunigungssensor nicht erfasst werden.
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Bei den bekannten Verwendungen von Dehnungsmessstreifen, die einen Torsionssensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ausbilden, sind die Dehnungsmessstreifen über die Länge des Rotorblattes auf sich verformenden Bauteilen des Rotorblattes verteilt. Vorzugweise werden die DMS auf die Haut oder auf den Holm des Rotorblattes geklebt. Die Messung über Dehnungsmessstreifen hat dabei den Nachteil, dass nur lokale Dehnungen dieser Bauteile erfasst werden. Um die Gesamtdeformation des jeweiligen Rotorblatts zu bestimmen, muss von dessen Wurzel bis zur Blattspitze integriert werden. Da die Messfehler mit aufintegriert werden, nimmt die Genauigkeit zur Blattspitze hin ab. Weiterhin muss bei DMS-Messungen der Steifigkeitsverlauf des Rotorblatts bekannt sein, um aus den mittels kalibrierter Dehnungsmessstreifen gemessenen Momenten Verformungen des Rotorblatts berechnen zu können. Die Ermittlung des Steifigkeitsverlaufs eines Rotorblatts stellt so eine weitere Unsicherheit bei der Auswertung dar.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Torsionssensor für Torsionen um eine Torsionsachse aufzuzeigen, mit dem zum Beispiel Bewegungen von Blattspitzen von Hubschrauberrotorblättern genau erfasst werden können. Eine solche genaue Erfassung ist u. a. Vorraussetzung für eine geregelte Verformung eines aktiven Rotorblatts mit integrierter Aktuatorik.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Torsionssensor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 14 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Torsionssensors. Die abhängigen Patentansprüche 15 bis 18 sind auf bevorzugte Verwendungen des neuen Torsionssensors in einem Zentrifugalfeld gerichtet.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem neuen Torsionssensor sind die Flächenelemente, auf denen der mindestens eine Dehnungsmessstreifen angeordnet ist, um die Torsionsachse verteilt angeordnet und dabei jeweils radial zu der Torsionsachse ausgerichtet. Dabei verbinden die Flächenelemente ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement des Torsionssensors. Das heißt, die beiden Anschlusselemente des Torsionssensors sind zumindest im Wesentlichen nur durch die Flächenelemente miteinander verbunden, auch wenn grundsätzlich eine lineare Führung in Richtung der Torsionsachse zwischen den beiden Anschlusselementen vorgesehen sein kann. Insbesondere kann ein entsprechendes Linearführungselement auf der Torsionsachse verlaufen. Nötig und bevorzugt ist ein solches zusätzliches Führungselement zwischen den beiden Anschlusselementen jedoch nicht. Vielmehr sind diese vorzugsweise ausschließlich durch die Flächenelemente miteinander verbunden.
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Unter einem Flächenelement ist hier ein Bauteil zu verstehen, dass eine im Wesentlichen flächige, d. h. zweidimensionale, Ausdehnung aufweist. Anders gesagt handelt es sich um einen breitgestreckten Biegebalken. Bei dem neuen Torsionssensor können die Flächenelemente dem Torsionssensor eine Torsionssteifigkeit zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement verleihen. Eine solche Torsionssteifigkeit kann aber auch durch andere Mittel, wie beispielsweise das bereits angesprochene Zentrifugalfeld, in dem der neue Torsionssensor verwendet werden kann, bereitgestellt werden. In jedem Fall sind die Flächenelemente des neuen Torsionssensors dafür vorgesehen, eine erhebliche Verformungssteifigkeit zwischen den beiden Anschlusselementen in allen anderen Richtungen als derjenigen der Torsion um die Torsionsachse bereitzustellen. Dazu sind die Flächenelemente in ihrer jeweiligen Ebene formsteif ausgebildet und fest an die Anschlusselemente des Torsionssensors angebunden, d. h. ohne Zwischenordnung von Gelenken. Insbesondere sorgt die radiale Ausrichtung der Flächenelemente zu der Torsionsachse, womit eine radiale Ausrichtung der Haupterstreckungsebene in der Flächenelemente und nicht ihrer Flächennormalen gemeint ist, für die gewünschte Verteilung der Steifigkeiten des neuen Torsionssensors mit der geringsten Steifigkeit für Torsionen um die Torsionsachse.
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Diese geringe Torsionssteifigkeit stellt sich insbesondere dann ein, wenn sich die Flächenelemente nicht direkt von der Torsionsachse weg sondern in einem möglichst gleichen Abstand parallel zu der Torsionsachse erstrecken.
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Vorzugsweise sind die Flächenelemente mit mindestens einfacher und idealerweise mit maximaler Drehsymmetrie um die Torsionsachse herum angeordnet. Eine maximale Drehsymmetrie bedeutet, dass die Anordnung bei n Flächenelementen n-fach drehsymmetrisch ist. Eine solche maximale Drehsymmetrie impliziert eine völlig gleichmäßige Verteilung der Flächenelemente um die Torsionsachse.
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Bei dem neuen Torsionssensor sind mindestens drei, vorzugsweise vier gleiche Flächenelemente zwischen dem ersten Anschlusselement und dem zweiten Anschlusselement vorgesehen. Grundsätzlich kann die Anzahl der Flächenelemente aber auch höher sein, beispielsweise sechs oder insbesondere acht betragen.
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Mindestens ist bei dem neuen Torsionssensor auf einem der Flächenelemente ein Dehnungsmessstreifen angeordnet. Bevorzugt ist es, wenn Dehnungsmessstreifen auf mindestens zwei einander über die Torsionsachse hinweg diametral gegenüberliegenden Flächenelementen angeordnet sind. Es können aber auch auf allen Flächenelementen Dehnungsmessstreifen angeordnet sein.
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Wenn mehrere Dehnungsmessstreifen auf den Flächenelementen angeordnet sind, ist es bevorzugt, wenn diese oder zumindest einige von ihnen auf in einander entgegen gesetzten Drehrichtungen um die Torsionsachse weisenden Oberflächen der Flächenelemente angeordnet sind. Wenn solche Dehnungsmessstreifen in einer Brückenschaltung miteinander verschaltet werden, werden Einflüsse auf die Dehnungsmessstreifen, die durch Biegemomente um orthogonal zu der Torsionsachse verlaufende Achsen resultieren, kompensiert. Einflüsse auf die Dehnungsmessstreifen, die Torsionen der Anschlusselemente beruhen, werden hingegen verstärkt. Beides gilt insbesondere dann, wenn die Dehnungsmessstreifen auf zwei sich über die Torsionsachse hinweg diametral gegenüberliegenden Flächenelementen angeordnet sind.
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Wenn die Dehnungsmessstreifen mit einer Multiplexanordnung verschaltet sind, können sie wahlweise nicht nur in der erläuterten Brückenschaltung ausgelesen werden, sondern auch so, dass gezielt Biegemomente um orthogonal zu der Torsionsachse verlaufende Achsen erfasst werden. Zu diesem Zweck könnten aber auch zusätzliche Dehnungsmessstreifen auf den Flächenelementen angeordnet sein, die allein oder kombiniert in einer Brückenschaltung spezielle Empfindlichkeiten für Relativbewegungen des ersten Anschlusselements und des zweiten Anschlusselements um solche orthogonal zu der Torsionsachse verlaufende Biegeachsen. aufweisen.
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Der neue Torsionssensor kann die Torsion zwischen zwei Strukturen erfassen, die dann an seinem erste Anschlusselement und seinem zweiten Anschlusselement zu befestigen sind. Wenn an dem zweiten Anschlusselement eine Trägheitsmasse befestigt ist, können in einem Zentrifugalfeld über Propellermomente aber auch absolute Torsionen einer an dem ersten Anschlusselement befestigten Struktur gemessen werden.
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Bei einer rotationssymmetrisch um die Torsionsachse ausgebildeten Trägheitsmasse können zwar nur dynamische Torsionen auf diese Weise erfasst werden. Wenn die Trägheitsmasse jedoch unterschiedlich große Trägheitsmomente um zwei zueinander und zu der Torsionsachse orthogonale Achsen aufweist, wobei eine Trägheitsmasse mit einem Schwerpunkt auf der Torsionsachse vorausgesetzt wird, können mit dem neuen Torsionssensor in einem Zentrifugalfeld auch absolute Torsionen erfasst werden. Wenn die Torsionsachse radial zur Drehachse des Zentrifugalfelds angeordnet ist, richtet sich eine solche Trägheitsmasse mit ihrer Achse, um die sie das größere Trägheitsmoment aufweist, parallel zu der Drehachse des Zentrifugalfelds aus.
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Es versteht sich, dass die effektiven Steifigkeiten in einem Zentrifugalfeld von dem Abstand zu der Drehachse und von der Drehzahl um die Drehachse abhängen und dass diese Steifigkeiten bei der Auswertung der Signale von den Dehnungsmessstreifen berücksichtigt werden müssen. Der neue Torsionssensor ist insbesondere zur Verwendung an sich in einem Zentrifugalfeld bewegenden Objekten geeignet, wobei er an den außen liegenden Enden dieser Objekte mit seinem ersten Anschlusselement befestigt wird und sich von dort aus von der Drehachse des Zentrifugalfelds weg erstreckt, um Torsionen um die orthogonal zu der Drehachse verlaufende Torsionsachse zu erfassen. Er kann so insbesondere an den Blattspitzen von Rotorblättern, wie insbesondere den Rotorblättern eines Hubschrauberrotors angeordnet werden, um beispielsweise die sich beim Umlauf eines Rotorblatts aufgrund seiner unterschiedlichen Anstellwinkel einstellenden Torsionen zwischen seiner Wurzel und seiner Blattspitze zu erfassen.
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Der neue Torsionssensor vereint vorzugsweise eine durch die seine Geometrie vorgegebene Vorzugsdeformation mit einer Brückenschaltung zur Erfassung genau dieser Deformation. Durch diese Kombination kann die Sensitivität des Sensors für nicht interessierende Beschleunigungen mechanisch und elektrisch minimiert werden. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz des Torsionssensors unter starken Querbeschleunigungen, wie z. B. an der Spitze eines Rotorblatts oder in anderen rotierenden Systemen. Der neue Torsionssensor ist in der Lage, unter extrem hohen Zentrifugalbeschleunigungen, z. B. bis zu 2400 g, zu arbeiten und hat dennoch nur einen geringen Bedarf an Bauraum. Bei Anordnung des neuen Torsionssensors an der Blattspitze können Bewegungen der Blattspitze direkt erfasst werden, und eine Integration über die Blattlänge wie bei einer Momentenmessung mittels DMS entfällt. Damit werden die Voraussetzungen geschaffen, Verwindungen eines aktiven Rotorblatts so zeitnah oder auch in Echtzeit zu erfassen, dass diese Verwindungen durch Ansteuerung des Rotorblatts geregelt werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
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4 ist eine erste perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des neuen Torsionssensors.
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2 ist eine zweite perspektivische Ansicht des neuen Torsionssensors in der Ausführungsform gemäß 1, aber mit anderer Blickrichtung.
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3 zeigt den Torsionssensor gemäß den 1 und 2 montiert an der Blattspitze eines Rotorblatts eines Hubschrauberrotors.
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4 ist eine perspektivische Darstellung einer zur Torsionsachse rotationssymmetrischen Trägheitsmasse und der daran befestigten Flächenelemente einer weiteren Ausführungsform des neuen Torsionssensors.
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5 ist eine perspektivische Darstellung einer Trägheitsmasse mit unterschiedlich großen Trägheitsmomenten um zwei orthogonal zur Torsionsachse verlaufende Achsen und der daran befestigten Flächenelemente einer weiteren Ausführungsform des neuen Torsionssensors.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der in den 1 und 2 dargestellte Torsionssensor 1 weist ein erstes Anschlusselement 2 und ein zweites Anschlusselement 3 auf. Die Anschlusselemente 2 und 3 sind zur Befestigung an Strukturen vorgesehen, zwischen denen der Torsionssensor 1 eine Torsion um eine Torsionsachse 4 erfasst. Die Anschlusselemente 2 und 3 sind durch Flächenelemente 5 miteinander verbunden. Hier beträgt die Anzahl der Flächenelemente 5 vier. Sie sind mit vierfacher Drehsymmetrie um die Rotationsachse 4 angeordnet, und zwar unter radialer Ausrichtung und im Abstand zu der Rotationsachse 4. Mit ihren Enden in Richtung der Rotationsachse 4 sind die Flächenelemente 5 an den Anschlusselementen 2 und 3 befestigt. Aufgrund der geometrischen Anordnung der Flächenelemente 5 zu der Torsionsachse 4 weist der Torsionssensor 1 hohe translatorische Steifigkeiten sowohl parallel als auch orthogonal zu der Torsionsachse 4 auf. Hoch sind auch seine Biegesteifigkeiten um alle orthogonal zu der Torsionsachse 4 verlaufende Achsen, wohingegen die Torsionssteifigkeit um die Torsionsachse 4 vergleichsweise gering ist. Bei Relativverdrehung der Anschlusselemente 2 und 3 um die Torsionsachse 4 werden die Flächenelemente 5 nach Art von Biegebalken mit beidseitig eingespannten parallel geführten Enden deformiert. Diese Deformation wird durch Dehnungsmessstreifen 6, die auf den Flächenelementen 5 angeordnet sind, erfasst. Dabei sind die Dehnungsmessstreifen 6 bei jeweils zwei einander über die Torsionsachse 4 diametral gegenüberliegenden Flächenelementen 5 auf solchen Oberflächen der Flächelemente 5 angeordnet, die bzw. deren Flächennormalen in einander entgegen gesetzten Drehrichtungen um die Torsionsachse 4 weisen. Wenn diese Dehnungsmessstreifen mittels einer Brückenschaltung ausgelesen werden, verschiebt sich der Brückenmittelpunkt im Falle einer Torsion der Anschlusselemente 2 und 3 um die Torsionsachse 4 sehr stark, während er bei einer Biegung des Torsionssensors 1 um eine durch die jeweiligen Flächenelemente 5 orthogonal zu der Torsionsachse 4 verlaufende Biegeachse durch die dabei gleichsinnige Deformation der Dehnungsmessstreifen 6 nicht verschoben wird. Umgekehrt kann durch Anordnung der Dehnungsmessstreifen 6 auf in gleiche Drehrichtungen um die Torsionsachse 4 weisende Oberflächen der Flächenelemente 5 die Voraussetzung geschaffen werden, um sehr empfindlich selektiv derartige Biegungen zu erfassen, während eine entsprechende Brückenschaltung für Torsionen um die Torsionsachse 4 unempfindlich ist. In den 1 und 2 sind die Anschlusselemente 2 und 3 mit Befestigungsöffnungen 6 und 7 für Befestigungsschrauben, Befestigungsbolzen oder dergleichen versehen dargestellt. Die Anschlusselemente 2 und 3 können aber auch direkt in die Strukturen integriert sein, zwischen denen die interessierenden Torsionen zu erfassen sind.
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3 zeigt den Torsionssensor 1 gemäß den 1 und 2 mit seinem Anschlusselement 2 befestigt an einer Blattspitze 9 eines Rotorblatts 10 eines Hubschrauberrotors. Wenn dabei das Anschlusselement 3 selbst als Trägheitsmasse ausgebildet ist oder hieran eine Trägheitsmasse befestigt ist, wie sie anhand der folgenden 4 und 5 näher erläutert werden wird, wird mit dem Torsionssensor 1 die Torsion der Blattspitze 9 gegenüber dem durch die Trägheitsmasse gesetzten Bezugssystem erfasst. Bei der Auswertung der Signale der Dehnungsmessstreifen ist in diesem Fall die Steifigkeitserhöhung des Torsionssensors 1 in Torsionsrichtung um die Torsionsachse 4 durch das Zentrifugalfeld aufgrund des Umlaufs des Rotorblatts 10 um die Drehachse des Hubschrauberrotors zu berücksichtigen. Der neue Torsionssensor ist aber von seinem grundsätzlichen Aufbau auch für den Einsatz unter hohen Zentrifugalbeschleunigungen oberhalb 2000 g geeignet. Er kann z. B. eingesetzt werden, um Verformungen eines Rotorblatts oder auch aktiv verwindbarer Rotorblätter zu untersuchen und/oder überwachen.
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Die in 4 skizzierte Trägheitsmasse 11 einer Ausführungsform des neuen Torsionssensors 1 ist in das zweite Anschlusselement 3, an dem die Flächenelemente 5 mit ihrem jeweils einen Ende befestigt sind, integriert bzw. mit diesem kombiniert. Die Ausgestaltung der Trägheitsmasse 11 ist hier rotationssymmetrisch zu der Torsionsachse 4. Damit können Torsionen einer an das andere, erste, hier nicht dargestellte Anschlusselement befestigten Struktur nur im dynamischen Bereich erfasst werden, nicht jedoch statische Torsionen.
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Die in 5 illustrierte Trägheitsmasse 11 weist jedoch derart unterschiedlich große Trägheitsmomente um zwei orthogonal zu der Torsionsachse 4 verlaufende Achsen 12 und 13 auf, dass sie sich in einem Zentrifugalfeld mit ihrer Achse 13, um die sie das größere Trägheitsmoment aufweist parallel zu der Drehachse des Zentrifugalfelds ausrichtet, während die Drehachse 12 mit dem kleineren Trägheitsmoment in der Drehebene um die Drehachse verläuft. Bezogen auf diese definierte Ausrichtung der Trägheitsmasse 11 können dann auch statische Torsionen einer an das erste, hier nicht dargestellte Anschlusselement befestigten Struktur in dem Zentrifugalfeld erfasst werden. Ein solches Zentrifugalfeld ist bei der Untersuchung von Torsionen von Blattspitzen von Rotorblättern, nicht nur von solchen von Hubschrauberrotoren, regelmäßig gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Torsionssensor
- 2
- Anschlusselement
- 3
- Anschlusselement
- 4
- Torsionsachse
- 5
- Flächenelement
- 6
- Dehnungsmessstreifen
- 7
- Befestigungsöffnung
- 8
- Befestigungsöffnung
- 9
- Blattspitze
- 10
- Rotorblatt
- 11
- Trägheitsmasse
- 12
- Achse
- 13
- Achse
