CN105259634B - 一种大口径反射镜的whiffletree支撑结构中的两自由度柔节 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大口径反射镜的whiffletree支撑结构中的两自由度柔节,包括:柔节主体和下端法兰;所述柔节主体包括:上端法兰、上薄片、正交薄片过度法兰、下薄片;上薄片和下薄片正交布置。本发明的大口径反射镜的whiffletree支撑结构中的两自由度柔节在原有两自由度柔节的结构基础上,增加了四组挡块和八组滚针轴承定位块组件,有效的限制了两自由度柔节绕柔节轴向的转动自由度Rz,获得了真正意义上的两自由度柔节,使得工程设计结构与其结构原理完全吻合,同时使whiffletree结构的基频获得有效的提升。
Description
技术领域
本发明属于空间遥感技术领域,涉及的一种大口径反射镜的whiffletree支撑结构中的两自由度柔节。
背景技术
空间遥感器用于对地球和太空资源进行普查和详查,在对地观察、太空探测等领域的应用具有重要的科学和经济意义。遥感器中的光学元件特别是大口径反射镜是整个光学系统中最重要的部件,它的面形精度高低直接关系到整个遥感器成像质量的好坏。大口径反射镜由于镜面尺寸大,在重力载荷、温度载荷以及反射镜组件装配误差等综合因素的作用下,镜面往往产生严重的变形。针对上述问题采取的三大应对手段就是采用被动多点复合支撑、主动光学支撑、重力卸载支撑技术。
本发明以前,六点转一点的whiffletree结构中的两自由度柔节是利用薄片的弯曲柔性大这一特点,采用两片垂直布置的薄片来释放两个转动自由度。图2是六点转一点的whiffletree结构图,图3是两自由度柔节1,两自由度柔节1为一个结构件,其特征包括上端法兰3、上薄片4、正交薄片过度法兰5、下薄片6、下端法兰7。
该结构的缺点是:为充分释放两个转动自由度,即图3中的Rx和Ry自由度,上薄片4和下薄片6要具有一定的宽度和高度,这样就导致了Rz这个转动方向的刚度也不大,实际上该柔节释放了三个转动自由度,而不是设计要求的两个。这样在whiffletree结构在柔节处的Rz这个转动方向的转动刚度就很弱,会大大降低反射镜组件的基频。而空间遥感器在转运和发射过程中要经历相当恶劣的振动环境,反射镜组件基频过低,很容易发生共振而导致结构被破坏,从而导致整个研制任务的失败。
发明内容
为了克服已有技术存在的缺陷,本发明对原有结构进行了改进,使原结构成为真正意义上的两自由度柔节,大大增强柔节在Rz这个转动方向的刚度,提升反射镜组件的基频,使反射镜组件的基频能有效的避开转运和发射过程中的激励源,防止被破坏,保证空间遥感器研制的成功。
本发明要解决的技术问题是:提供一种应用于空间遥感器大口径反射镜whiffletree支撑结构中的,真正意义上的两自由度柔节,真正消除以往两自由度柔节中的沿柔节轴向的转动自由度,提升whiffletree结构的基频。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案具体如下:
一种大口径反射镜的whiffletree支撑结构中的两自由度柔节,包括:柔节主体和下端法兰;所述柔节主体包括:上端法兰、上薄片、正交薄片过度法兰、下薄片;上薄片和下薄片正交布置;
还包括:下端法兰螺钉、下端法兰定位销、挡块一、挡块一螺钉、挡块一定位销、滚针轴承定位块组件一、滚针轴承定位块组件一螺钉、滚针轴承定位块组件一定位销、滚针轴承定位块组件二、滚针轴承定位块组件二螺钉、滚针轴承定位块组件二定位销、挡块二、挡块二螺钉、挡块二定位销、滚针轴承定位块组件三、滚针轴承定位块组件三螺钉、滚针轴承定位块组件三定位销、滚针轴承定位块组件四、滚针轴承定位块组件四螺钉、滚针轴承定位块组件四定位销、挡块三、挡块三螺钉、挡块三定位销、滚针轴承定位块组件五、滚针轴承定位块组件五螺钉、滚针轴承定位块组件五定位销、滚针轴承定位块组件六、滚针轴承定位块组件六螺钉、滚针轴承定位块组件六定位销、挡块四、挡块四螺钉、挡块四定位销、滚针轴承定位块组件七、滚针轴承定位块组件七螺钉、滚针轴承定位块组件七定位销、滚针轴承定位块组件八、滚针轴承定位块组件八螺钉、滚针轴承定位块组件八定位销;
其中,挡块一、挡块二安装在上端法兰的下表面,对称布置于上薄片的两侧,滚针轴承定位块组件一、滚针轴承定位块组件二、滚针轴承定位块组件三、滚针轴承定位块组件四安装在正交薄片过度法兰的上表面,滚针轴承定位块组件一和滚针轴承定位块组件二位于挡块一的两侧,滚针轴承定位块组件三和滚针轴承定位块组件四位于挡块二的两侧;挡块三、挡块四安装在正交薄片过度法兰的下表面,对称布置于下薄片的两侧,滚针轴承定位块组件五、滚针轴承定位块组件六、滚针轴承定位块组件七、滚针轴承定位块组件八安装在下端法兰的上表面,滚针轴承定位块组件五和滚针轴承定位块组件六位于挡块三的两侧,滚针轴承定位块组件七、滚针轴承定位块组件八位于挡块四的两侧;
滚针轴承定位块组件包括:定位块、左轴承座、左轴承座螺钉、左轴承座定位销、滚针轴承承载轴、滚针轴承、轴套、右轴承座、右轴承座螺钉、右轴承座定位销;
所述左轴承座、右轴承座通过左轴承座螺钉、左轴承座定位销、右轴承座螺钉、右轴承座定位销将左轴承座、滚针轴承承载轴、滚针轴承、轴套、右轴承座形成的组件装配到定位块上。
在上述技术方案中,所述挡块一、挡块二、挡块三和挡块四结构相同。
在上述技术方案中,所述滚针轴承定位块组件一、滚针轴承定位块组件二、滚针轴承定位块组件三、滚针轴承定位块组件四、滚针轴承定位块组件五、滚针轴承定位块组件六、滚针轴承定位块组件七和滚针轴承定位块组件八结构相同。
本发明的积极效果:
本发明的大口径反射镜的whiffletree支撑结构中的两自由度柔节在原有两自由度柔节的结构基础上,增加了四组挡块和八组滚针轴承定位块组件,有效的限制了两自由度柔节绕柔节轴向的转动自由度Rz,获得了真正意义上的两自由度柔节,使得工程设计结构与其结构原理完全吻合,同时使whiffletree结构的基频获得有效的提升。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是六点转一点的whiffletree原理示意图;
图2是六点转一点的whiffletree结构示意图;
图3是已有技术双自由度柔节的轴侧结构示意图;
图4是本发明中双自由度柔节结构的主视结构示意图;
图5是图4的俯视示结构意图;
图6是图4的仰视结构示意图;
图7是图4的C-C剖视结构示意图;
图8是图4的D-D剖视结构示意图;
图9是图4的E-E剖视结构示意图;
图10是图4的F-F剖视结构示意图;
图11是柔节主体的轴侧结构示意图;
图12柔节主体和下端法兰的组合部件结构示意图;
图13是滚针轴承定位块组件主视结构示意图;
图14是图11的俯视结构示意图;
图15是具体实施方式中柔节主体、下端法兰和挡块的组合部件主视图;
图16是具体实施方式中柔节主体、下端法兰和挡块的组合部件左视图;
具体实施方式
本发明的发明思想为:
本发明所涉及的是大口径反射镜三大支撑手段中的被动多点复合支撑技术。大口径反射镜的支撑原则是确定反射镜的空间位置和保证反射镜的面形精度。被动多点复合支撑技术正是针对这两条原则来开展设计的。针对第一条原则,复合支撑采用周边支撑和背部支撑共同支撑的手段实现对反射镜的静定支撑,约束反射镜的六个空间自由度,不欠约束,不过约束。针对第二条原则,对于被动支撑来说,镜体是一块刚体,要保证镜体反射镜面的面形精度,也就是说要抑制反射镜面在综合外载荷尤其是重力载荷作用下的变形量,目前的手段就是增加反射镜的支撑点个数。
本发明中所涉及的大口径反射镜的复合支撑包括周边支撑和背部支撑,周边支撑是A框+切向拉杆的结构,对镜体有12个支撑点,约束镜体的三个空间自由度,包括一个转动自由度和两个移动自由度;背部支撑采用三组whiffletree结构,对镜体有18个支撑点,每组whiffletree结构中包括六个支撑点,whiffletree结构将这六个支撑点最终转化为一点,六点转一点的whiffletree结构的原理图见图1。whiffletree结构上有六个柔杆,每端三个,分布在三角板的端部,每个柔杆约束一个移动自由度则每个三角板约束三个移动自由度实际约束效果等价于约束一个移动自由度和两个转动自由度(Rx)和(Ry),三角板与横杠连接处的两自由度柔节将上述两个转动自由度释放,则每个三角板处约束一个移动自由度两个三角板约束两个移动自由度实际约束效果等价于约束一个移动自由度和一个转动自由度(Rx),横杠上的单自由度柔节将上述转动自由度(Rx)释放。每组whiffletree结构约束反射镜的一个移动自由度三组约束三个移动自由度根据实际的支撑效果,等价于约束了一个移动自由度和两个转动自由度由度(Rx)和(Ry),恰好约束了周边支撑未约束的另外三个空间自由度。复合支撑结构增加了镜体的支撑点数,同时实现对镜体的静定支撑。本发明中涉及到的两自由度柔节正是用于背部支撑的whiffletree结构中配合单自由度柔节在不引入过约束的情况下将六个支撑点转化为一点。两自由度柔节功能是释放两个转动自由度。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
本发明的一种大口径反射镜的whiffletree支撑结构中的两自由度柔节如图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14所示,包括:柔节主体8、下端法兰7(本发明将两自由度柔节1拆解为两部分:柔节主体8和而下端法兰7)、下端法兰螺钉9、下端法兰定位销10、挡块一11、挡块一螺钉12、挡块一定位销13、滚针轴承定位块组件一14、滚针轴承定位块组件一螺钉15、滚针轴承定位块组件一定位销16、滚针轴承定位块组件二17、滚针轴承定位块组件二螺钉18、滚针轴承定位块组件二定位销19、挡块二20、挡块二螺钉21、挡块二定位销22、滚针轴承定位块组件三23、滚针轴承定位块组件三螺钉24、滚针轴承定位块组件三定位销25、滚针轴承定位块组件四26、滚针轴承定位块组件四螺钉27、滚针轴承定位块组件四定位销28、挡块三29、挡块三螺钉30、挡块三定位销31、滚针轴承定位块组件五32、滚针轴承定位块组件五螺钉33、滚针轴承定位块组件五定位销34、滚针轴承定位块组件六35、滚针轴承定位块组件六螺钉36、滚针轴承定位块组件六定位销37、挡块四38、挡块四螺钉39、挡块四定位销40、滚针轴承定位块组件七41、滚针轴承定位块组件七螺钉42、滚针轴承定位块组件七定位销43、滚针轴承定位块组件八44、滚针轴承定位块组件八螺钉45、滚针轴承定位块组件八定位销46。柔节主体包括四处特征:上端法兰3、上薄片4、正交薄片过度法兰5、下薄片6,见图11,它与下端法兰7通过下端法兰螺钉9和下端法兰定位销10组合在一起,见图12,其功能和结构形式同图3所示的柔节相同,唯一区别就是为了方便装配,将图3的两自由度柔节进行了解体,变为图4的柔节主体8和下端法兰7。八个滚针轴承定位块组件结构形式完全相同,只是在两自由度柔节中的位置不同,包括:定位块47、左轴承座48、左轴承座螺钉49、左轴承座定位销50、滚针轴承承载轴51、滚针轴承52、轴套53、右轴承座54、右轴承座螺钉55、右轴承座定位销56。
本发明在原有两自由度柔节1的结构基础上,增加了四个挡块和八组滚针轴承定位块组件,挡块一11和挡块二20通过螺钉和定位销安装在柔节主体8的上端法兰3的下侧,位于上薄片4的两侧,每侧一个,滚针轴承定位块组件一14、滚针轴承定位块组件二17、滚针轴承定位块组件三23、滚针轴承定位块组件四26通过螺钉和定位销安装在正交薄片过度法兰5上侧,滚针轴承定位块组件一14和滚针轴承定位块组件二17位于挡块一11的两侧,通过其上的滚针轴承52与挡块一11微过盈接触,见图9,这样,利用滚针轴承52在其与挡块一11接触面上的滚动释放上薄片4的RX转动自由度,利用滚针轴承52与挡块一11的接触消除上薄片4的RZ转动自由度;滚针轴承定位块组件三23和滚针轴承定位块组件四26位于挡块二20的两侧,挡块二20、滚针轴承定位块组件三23和滚针轴承定位块组件四26,同挡块一11、滚针轴承定位块组件一14和滚针轴承定位块组件二17关于上薄片4对称,功能相同,增强上薄片4在RZ转动方向的刚度,提升消除上薄片4RZ转动自由度的能力;挡块三29和挡块四38通过螺钉和定位销安装在柔节主体8的正交薄片过度法兰5的下侧,位于下薄片6的两侧,每侧一个,与挡块一11和挡块二20正交布置,滚针轴承定位块组件五32、滚针轴承定位块组件六35、滚针轴承定位块组件七41、滚针轴承定位块组件八44通过螺钉和定位销安装在下端法兰7上侧,滚针轴承定位块组件五32和滚针轴承定位块组件六35位于挡块三29的两侧,通过其上的滚针轴承52与挡块三29微过盈接触,同滚针轴承52与挡块一11微过盈接触类似,这样,利用滚针轴承52在其与挡块三29接触面上的滚动释放下薄片6的RY转动自由度,利用滚针轴承52与挡块三29的接触消除下薄片6的RZ转动自由度;滚针轴承定位块组件七41和滚针轴承定位块组件八44位于挡块四38的两侧,挡块四38、滚针轴承定位块组件七41和滚针轴承定位块组件八44同挡块三29、滚针轴承定位块组件五32和滚针轴承定位块组件35关于下薄片6对称,功能相同,增强下薄片6在RZ转动方向的刚度,提升消除下薄片6RZ转动自由度的能力。
工作原理说明:
在原有两自由度柔节1的结构基础上,增加四组挡块和八组滚针轴承定位块组件,利用滚针轴承52在滚针轴承52与挡块一11、挡块二20、挡块三29、挡块四38接触面上的滚动获得各个挡块与同各个挡块接触的滚针轴承定位块组件的相对运动,释放柔节的RX和RY转动自由度;同时,利用滚针轴承52和挡块一11、挡块二20、挡块三29、挡块四38的微过盈接触获得各个挡块与同各个挡块接触的滚针轴承定位块组件的接触力,限制两者的相对运动,从而消除上薄片4和下薄片6的Rz转动自由度。获得真正意义上的两自由度柔节,提升两自由度柔节Rz转动刚度,继而提升whiffletree结构的基频。
本发明按图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示的结构实施。其中,滚针轴承定位块组件按图13和图14所示的结构实施。装配前彻底清洗诸零件,保证无杂质,装配环境要洁净,几何结构尺寸相同的零件在装配之前要打以标记,有相对运动的位置装配时允许使用少量MoS2润滑脂。
其中,将左轴承座48、滚针轴承承载轴51、滚针轴承52、轴套53、右轴承座54按照图11和图12的结构示意实施装配,滚针轴承承载轴51和左轴承座48、右轴承座54间隙配合,保证孔内表面和轴的外表面存在0.001-0.003mm的间隙。装配完成后整体研磨左轴承座48、右轴承座54上同定位块47的配合的接触面,平面度0.003mm,平行度0.005mm。研磨定位块47上与左轴承座48、右轴承座54配合的接触面,平面度0.003mm。将左轴承座48、右轴承座54通过左轴承座螺钉49、左轴承座定位销50、右轴承座螺钉55、右轴承座定位销56将左轴承座48、滚针轴承承载轴51、滚针轴承52、轴套53、右轴承座54形成的组件装配到定位块47上,形成滚针轴承定位块组件。滚针轴承定位块组件共8组,结构组成相同,只是安装在柔节的不同位置。
图15和图16是组合部件图,包括柔节主体8、下端法兰7、挡块一11、挡块二20、挡块三29、挡块四38,通过图5、图6、图7、图8中所示的挡块一螺钉12、挡块一定位销13、挡块二螺钉21、挡块二定位销22、挡块三螺钉30、挡块三定位销31、挡块四螺钉39、挡块四定位销40装配成组合组件。将挡块一11的面11和挡块二的面21组合加工、挡块一11的面12和挡块二20的面22组合加工、挡块三29的面31和挡块四38的面41组合加工、挡块三29的面32和挡块四38的面42组合加工,保证各个组合加工面的平行度优0.003mm。保证上薄片4和下薄片6两侧的滚动轴承的滚动顺畅,满足释放自由度要求。
组合加工完成后,将下端法兰7拆下,通过滚针轴承定位块组件一螺钉15、滚针轴承定位块组件二螺钉18、滚针轴承定位块组件三螺钉24、滚针轴承定位块组件四螺钉27分别将滚针轴承定位块组件一14、滚针轴承定位块组件二17、滚针轴承定位块组件三23、滚针轴承定位块组件四26安装在正交薄片过度法兰5的上端面,微调四个滚针轴承定位块组件的位置,保证滚针轴承定位块组件一14上的滚针轴承52与挡块一11的面11微过盈接触,滚针轴承定位块组件二17上的滚针轴承52与挡块一11的面12微过盈接触,滚针轴承定位块组件三23上的滚针轴承52与挡块二20的面21微过盈接触,滚针轴承定位块组件四26上的滚针轴承52与挡块二20的面22微过盈接触,过盈量为0.001-0.003mm,该值大小与要释放自由度的柔性大小相关,过盈量大小根据设计需求确定。过盈量调整完毕后,紧固螺钉,打销孔用滚针轴承定位块组件一定位销16、滚针轴承定位块组件二定位销19、滚针轴承定位块组件三定位销25、滚针轴承定位块组件四定位销28对滚针轴承定位块组件定位。
通过下端法兰螺钉9、下端法兰定位销10将下端法兰7装在柔节主体8上。通过滚针轴承定位块组件五螺钉33,滚针轴承定位块组件六螺钉36、滚针轴承定位块组件七螺钉42、滚针轴承定位块组件八螺钉45分别将滚针轴承定位块组件五32、滚针轴承定位块组件六35、滚针轴承定位块组件七41、滚针轴承定位块组件八44安装在下端法兰7的上端面,微调四个滚针轴承定位块组件的位置,保证滚针轴承定位块组件五32上的滚针轴承52与挡块三29的面31微过盈接触,滚针轴承定位块组件六35上的滚针轴承52与挡块三29的面32微过盈接触,滚针轴承定位块组件七41上的滚针轴承52与挡块四38的面41微过盈接触,滚针轴承定位块组件八44上的滚针轴承52与挡块四38的面42微过盈接触,过盈量为0.001-0.003mm。过盈量调整完毕后,紧固螺钉,打销孔用滚针轴承定位块组件五定位销34、滚针轴承定位块组件六定位销37、滚针轴承定位块组件七定位销43、滚针轴承定位块组件八定位销46对滚针轴承定位块组件定位。
安装完毕后,将整个柔节通过其上端法兰3和下端法兰7上的螺孔与whiffletree结构上的三角板与横杠连接,形成whiffletree结构。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (3)
1.一种大口径反射镜的whiffletree支撑结构中的两自由度柔节,包括:柔节主体(8)和下端法兰(7);所述柔节主体(8)包括:上端法兰(3)、上薄片(4)、正交薄片过度法兰(5)、下薄片(6);上薄片(4)和下薄片(6)正交布置;
其特征在于,还包括:下端法兰螺钉(9)、下端法兰定位销(10)、挡块一(11)、挡块一螺钉(12)、挡块一定位销(13)、滚针轴承定位块组件一(14)、滚针轴承定位块组件一螺钉(15)、滚针轴承定位块组件一定位销(16)、滚针轴承定位块组件二(17)、滚针轴承定位块组件二螺钉(18)、滚针轴承定位块组件二定位销(19)、挡块二(20)、挡块二螺钉(21)、挡块二定位销(22)、滚针轴承定位块组件三(23)、滚针轴承定位块组件三螺钉(24)、滚针轴承定位块组件三定位销(25)、滚针轴承定位块组件四(26)、滚针轴承定位块组件四螺钉(27)、滚针轴承定位块组件四定位销(28)、挡块三(29)、挡块三螺钉(30)、挡块三定位销(31)、滚针轴承定位块组件五(32)、滚针轴承定位块组件五螺钉(33)、滚针轴承定位块组件五定位销(34)、滚针轴承定位块组件六(35)、滚针轴承定位块组件六螺钉(36)、滚针轴承定位块组件六定位销(37)、挡块四(38)、挡块四螺钉(39)、挡块四定位销(40)、滚针轴承定位块组件七(41)、滚针轴承定位块组件七螺钉(42)、滚针轴承定位块组件七定位销(43)、滚针轴承定位块组件八(44)、滚针轴承定位块组件八螺钉(45)、滚针轴承定位块组件八定位销(46);
其中,挡块一(11)、挡块二(20)安装在上端法兰(3)的下表面,对称布置于上薄片(4)的两侧,滚针轴承定位块组件一(14)、滚针轴承定位块组件二(17)、滚针轴承定位块组件三(23)、滚针轴承定位块组件四(26)安装在正交薄片过度法兰(5)的上表面,滚针轴承定位块组件一(14)和滚针轴承定位块组件二(17)位于挡块一(11)的两侧,滚针轴承定位块组件三(23)和滚针轴承定位块组件四(26)位于挡块二(20)的两侧;挡块三(29)、挡块四(38)安装在正交薄片过度法兰(5)的下表面,与,对称布置于下薄片(6)的两侧,滚针轴承定位块组件五(32)、滚针轴承定位块组件六(35)、滚针轴承定位块组件七(41)、滚针轴承定位块组件八(44)安装在下端法兰(7)的上表面,滚针轴承定位块组件五(32)和滚针轴承定位块组件六(35)位于挡块三(29)的两侧,滚针轴承定位块组件七(41)、滚针轴承定位块组件八(44)位于挡块四(38)的两侧;
滚针轴承定位块组件包括:定位块(47)、左轴承座(48)、左轴承座螺钉(49)、左轴承座定位销(50)、滚针轴承承载轴(51)、滚针轴承(52)、轴套(53)、右轴承座(54)、右轴承座螺钉(55)、右轴承座定位销(56);
所述左轴承座(48)、右轴承座(54)通过左轴承座螺钉(49)、左轴承座定位销(50)、右轴承座螺钉(55)、右轴承座定位销(56)将左轴承座(48)、滚针轴承承载轴(51)、滚针轴承(52)、轴套(53)、右轴承座(54)形成的组件装配到定位块(47)上;
所述滚针轴承(52)在滚针轴承(52)与挡块一(11)、挡块二(20)、挡块三(29)、挡块四(38)接触面上的滚动获得各个挡块与同各个挡块接触的滚针轴承定位块组件的相对运动,释放柔节的RX和RY转动自由度;同时,利用滚针轴承(52)和挡块一(11)、挡块二(20)、挡块三(29)、挡块四(38)的微过盈接触获得各个挡块与同各个挡块接触的滚针轴承定位块组件的接触力,限制两者的相对运动,从而消除上薄片(4)和下薄片(6)的Rz转动自由度,进而获得真正的两自由度柔节。
2.根据权利要求1所述的大口径反射镜的whiffletree支撑结构中的两自由度柔节,其特征在于,所述挡块一(11)、挡块二(20)、挡块三(29)和挡块四(38)结构相同。
3.根据权利要求1所述的大口径反射镜的whiffletree支撑结构中的两自由度柔节,其特征在于,所述滚针轴承定位块组件一(14)、滚针轴承定位块组件二(17)、滚针轴承定位块组件三(23)、滚针轴承定位块组件四(26)、滚针轴承定位块组件五(32)、滚针轴承定位块组件六(35)、滚针轴承定位块组件七(41)和滚针轴承定位块组件八(44)结构相同。
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