CN105874234A - 盘式制动器的制动盘以及设有该制动盘的制动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制动系统(1)，其设有制动盘(2)和布置在制动盘(2)两旁的制动钳(3)。制动盘(2)的制动表面(11)适于与制动钳(3)配合以便在车辆上施加制动力。该制动系统(1)结合有转动电机(12，14，15，17；12，14，15，18)，该转动电机包括安装在制动盘(2)上的转子元件(12)，该转子元件与和车辆结合为一体的定子元件(14)配合。

Description

盘式制动器的制动盘以及设有该制动盘的制动系统
技术领域
本发明涉及的是一种盘式制动器的制动盘以及包括该制动盘的制动系统。本发明尤其涉及设有制动带的盘式制动器，所述制动带由包括碳基体或金属材料(例如，铁-碳合金)的复合材料制成，以便用于在车辆上施加制动动作。更特别地但非排除性地，本发明涉及由碳制成的制动盘和由碳-陶瓷制成的制动盘。盘式制动器包括制动鼓和围绕对称轴线延伸的径向外带，该径向外带具有适于与车辆的制动钳配合的侧制动表面以便在车辆本身上施加制动动作。在复合材料型盘式制动器中，所述径向外带包括碳基体。
背景技术
目前已知的是赛车上使用能量回收系统(例如一级方程式中的动能回收系统“KERS”)以及道路车辆上使用能量回收系统，目的是将制动过程中消耗的机械能转化成用于向例如车载仪器提供电力的电能和/或用于向连接到驱动轮的电机提供电力的电能，以便具有在需要时可以使用的电力储备。
发明内容
在就像上面描述的那种安装在车辆上的能量转化装置(从电能转化成机械能以及从机械能转化成电能)的范围内，本申请人观察到所述装置是大而重的，在设计过程中必须在车辆上提供可以容纳它们的必要空间。
因此本申请人的目的是将用于转化能量的装置(即电机)至少部分地结合在已有车辆元件(这些元件自身完成其他任务)中，以便限制上面提到的装置的尺寸和重量，并且还可以允许其与车辆的所述元件直接相互作用。
本申请人已经发现该目的可以通过将电机的部件结合到制动系统中来实现。特别地，本申请人已经发现，该目的可以通过如下方式来实现：将旋转电机的转子元件安装在盘式制动器的复合材料或金属材料(例如铁-碳合金)制动盘上，而电机的其他元件，包括定子元件，与车辆结合为一体。
上述目的基本是通过根据一个或多个所附的权利要求所述的盘式制动器的制动盘和所述的制动系统来实现的。下面描述本发明的各个方面。
更具体地，根据一个方面，本发明涉及一种盘式制动器的制动盘，所述盘式制动器包括制动鼓和围绕对称轴线延伸的径向外带，所述径向外带具有适于与制动钳配合以便在车辆上施加制动动作的侧制动表面；
其特征在于，其包括旋转电机的转子元件，该转子元件适于与安装在车辆上的所述旋转电机的定子元件配合。
根据一个不同的方面，本发明涉及一种制动系统，包括：制动盘，该制动盘至少包括上面限定的特征；骑跨所述制动盘布置的制动钳；旋转电机，该旋转电机包括所述制动盘的转子元件和安装在车辆上的定子元件。
在本说明书以及所附的权利要求中“旋转电机”旨在是一种适于通过利用电磁感应将电能转化成机械能和/或将机械能转化成电能的装置，即电动机或发电机。
本申请人首先证实了倘若将其部分地结合在制动系统的制动盘中，根据本发明的电机比安装在车辆上的已知类型的能量转化装置更紧凑、更轻。
本申请人还证实了本发明确保了电机与车辆车轮的直接相互作用，正如下面要描述的，而不需要会带来负面能量消耗的其他转化元件的介入。
本申请人还证实了用根据本发明的制动盘和系统可以回收的能量至少与利用诸如“KERS”之类的已知系统可回收的能量相当。
在至少一个前述方面中，本发明可以具有下面所述的一个或多个优选特征。
优选地，所述转子元件结合在制动盘中。
优选地，所述转子元件与所述径向外带相联。
在一个不同实施方式中，所述径向外带是由金属材料制成的，优选铁，更优选铁-碳合金，更优选铸铁。
在一个实施方式中，所述径向外带是由包括碳纤维的复合材料制成的。
本申请人已经证实了转子元件的这种布置是有效的，因为制动盘(由碳和/或碳-陶瓷制成)的径向外带的复合材料具有足够高的导磁率“μ”以确保转子元件与定子元件之间磁场的正确分布，从而确保电机的正确操作，这优于传统的金属制动盘。
优选地，所述径向外带包括陶瓷基体，其优选地由利用碳纤维增强的碳化硅制成。
优选地，所述径向外带包括碳纤维基体，其优选地由利用碳纤维增强的织物制成。
优选地，所述径向外带在两制动表面上包括保护层，优选是陶瓷的。
优选地，所述转子元件嵌入复合材料中。更优选地，这种嵌入是在复合材料制动盘的生产过程中执行的。在一个实施方式中，所述径向外带是通过对插入模具中的树脂粉末和碳纤维进行加热和加压获得的，其中例如磁性元件也插入所述模具中。在一个不同实施方式中，所述径向外带是通过合适地联接和/或成形由碳纤维制成的织物片和/或条并对半成品进行加热和加压制成的，其中例如将比如薄片形式的所述磁性元件插入所述片/条之间。
优选地，所述转子元件插入在复合材料中制成的容纳部中。更优选地，所述转子元件在所述制动盘(例如用上述方法获得)基本完成并以具有所述容纳部的方式成形后就与所述制动盘相联。
优选地，所述转子元件由保护层覆盖，保护层优选是陶瓷的，该保护层适于与制动钳的衬块接触。这样，就避免了衬块与转子元件之间的直接接触，即使所述转子元件位于制动表面上。
优选地，所述转子元件位于所述制动盘的径向周边上。
优选地，所述转子元件关于所述制动表面位于径向更靠内的位置中。在该位置中，所述转子元件无论它们是否嵌入并由复合材料覆盖或不覆盖(例如与其平齐)，都不会与制动钳的衬块干涉，所述衬块与制动表面接触作用。
优选地，所述制动盘具有通风道，所述转子元件位于所述通风道内。所述通风道在两制动表面之间限定在径向外带内部，优选地具有基本径向的延伸部，所述转子元件优选地部分占据所述通风道。
根据所述旋转电机的结构，所述转子元件可以被感应或者可以是感应器。类似地，所述定子元件可以是感应器或被感应。
在一个实施方式中，所述转子元件是感应线圈。
在一个实施方式中，所述转子元件包括具有磁化线圈的电磁铁感应器。
在一个实施方式中，所述转子元件是永久磁铁感应器。
优选地，所述转子元件(永久磁铁或线圈)限定了与制动盘的对称轴线同轴的环。这种几何结构确保了围绕制动盘的转动轴线均匀的质量分布以便防止发生令人烦恼的振动。
优选地，所述转子元件围绕制动盘的对称轴线连续地布置，以限定周期性铁磁结构，所述结构具有由传导材料制成的插入彼此的部件。优选地，如果所述制动盘由铁-碳合金制成，并且所述转子元件位于通风道内，则这些传导材料部件由所述通风道的壁构成。优选地，如果所述制动盘由复合材料制成，则这些传导材料部件也嵌入复合材料中并且插在所述转子元件之间。
在一个实施方式中，如果旋转电机的结构需要，可以设置集电环，该集电环在所述转子元件上滑动以便将电流从所述转子元件传导到车辆或者将电流从车辆传导到所述转子元件。
所述定子元件例如可以是感应线圈、具有磁化线圈的电磁铁感应器、永久磁铁感应器。
优选地，所述旋转电机是异步轴向电机、或者异步径向电机、或者同步磁阻电机、或者轴向/径向混合电机。
在一个实施方式中，所述定子元件结合到所述制动钳中。
在一个实施方式中，设置相对于所述制动钳固定的辅助体，该辅助体与所述制动盘并置并且包括所述定子元件。在这种情况下，所述辅助体专门用于承载所述定子元件。
优选地，所述辅助体延伸为一扇形件。
优选地，所述辅助体在所述制动盘的整个圆周延伸部上延伸。
优选地，所述辅助体像环一样沿着所述制动盘的圆周延伸部围绕制动盘的径向周边延伸。优选地，所述辅助体连接到所述制动钳并且除了所述制动钳存在的地方像一部分环一样围绕制动盘的径向周边延伸。
优选地，所述辅助体骑跨制动盘的径向周边布置。换言之，在径向平面上的截面中，所述辅助体具有U形形状。优选地，由所述辅助体承载的定子元件骑跨所述制动盘延伸，并且由所述制动盘承载的转子元件在轴向上置于U的两端之间。这就是异步轴向电机或轴向/径向混合电机的几何结构。所述异步轴向电机显著的优点是实现定子元件有利且容易的缠绕，每匝具有良好的电流强度输出并且具有良好的冷却空气通道(鉴于不需要转子-定子邻近设置)。
在一个不同的实施方式中，所述辅助体相对于制动盘的径向周边仅放置在径向外部的位置中。优选地，所述辅助体在轴向上延伸制动盘的厚度。优选地，所述定子元件相对于转子元件仅位于径向外部的位置中。
在一个实施方式中，所述定子元件相对于转子元件仅位于径向上靠外的位置中，例如在放置在车轮轮毂(hub)处的辅助体中。
这是异步径向电机或同步磁阻电机的几何结构。
异步径向电机包括转子元件和由特定线圈获得的定子元件。同步磁阻电机包括由永久磁铁限定的转子元件和由特定线圈获得的定子元件。
这两种电机的显著优点在于组件的紧凑度，还因为必须将定子与转子之间的气隙限定到最小，以及在于定子元件距制动盘的最热区域的距离，从而使得由制动器经由摩擦产生的热对机器的性能影响非常小。此外，同步磁阻电机具有非常简单的结构，尤其是转子制动盘具有非常简单的结构。
优选地，所述辅助体具有类似于制动钳的布置，优选地，还具有类似于所述制动钳的外形。
在一个实施方式中，所述辅助体和制动钳形成了围绕制动盘分布的单一本体。
在一个实施方式中，所述定子元件结合在制动钳中并且位于辅助体中。
优选地，所述辅助体位于所述制动盘的与连接到车轮的连接部相对的侧上并面对所述制动盘。
优选地，所述辅助体安装在承载车轮轮轴的固定的管状体上。
这样，所述辅助体隐藏并受保护于制动盘之后。
优选地，所述旋转电机包括配置成控制从机械能到电能的能量转化的控制装置，优选地还控制从电能到机械能的能量转化。
所述控制装置可以至少部分地容纳在所述辅助体中和/或所述制动钳中。
所述控制装置优选地配置成用于控制所述电机作为发电机并存储电能。所述电机因此连接到车载蓄能器。
优选地，所述控制装置配置成在车辆制动阶段用于控制所述电机作为发电机，以便回收否则会消散的部分动能。
所述控制装置可以配置成在车辆行驶过程中用于控制所述电机作为发电机，但吸收吸热电动机的部分驱动动力。
优选地，所述控制装置配置成用于控制所述电机作为电动机以及控制施加到制动盘的电磁驱动扭矩。例如可以在短时情况下使用电磁扭矩以便结合吸热电动机的动力和/或以零排放行驶或者结合制动钳的机械制动扭矩。
蓄能器中蓄积的电能还可以用于向以可操作方式连接到驱动轴的另外的、不同的电动机提供电力。
根据本发明的制动系统可以在车辆的至少一个车轴上实施，优选地在两个前车轴或两个后车轴上实施，更优选地在所有的车轴上实施。
从根据本发明的用于增加车轮轮胎性能的方法的优选但不是排除性的实施方式的详细描述中可以更清楚另外的特征和优点。
附图说明
下面将参照仅作为非限定性示例提供的附图进行描述，其中：
图1示出了根据本发明的制动系统的示意图；
图2是图1的制动系统的侧视图；
图3示出了图1的所述系统的一个实施方式变型的示意图；
图4是图2的制动系统的侧视图；
图5A和5B示出了根据本发明的制动系统的第二变型的各个视图；
图6A和6B示出了根据本发明的制动系统的第三变型的各个视图；
图7A和7B示出了根据本发明的制动系统的第四变型的各个视图。
具体实施方式
根据本发明的制动系统整体在图1中用附图标记1表示。该系统1包括碳-陶瓷式制动盘2和制动钳3。制动盘2包括例如由金属材料制成的制动鼓4，制动鼓设有用于连接到车辆车轮轮辋(rim)的附件5。径向外带6围绕制动鼓4并与制动鼓成一体，该径向外带6构成了实际的制动盘并且由用碳纤维增强的碳化硅陶瓷基体制成。径向外带6的彼此相对的表面用各自的保护层7覆盖，所述保护层7由陶瓷材料制成。附图中示出的径向外带还具有在该带6本身的厚度上做出的通风道6a，这些通风道6a沿着大致径向方向延伸并且在所述带6的径向周边处开口。
所述径向外带6例如通过如下步骤获得：
-制备至少包括碳纤维长丝(filaments)和至少一种有机粘结剂的混合物；
-在模具中对前述混合物成型，以便获得成形体；
-使所述成形体热解以便获得多孔碳结构；
-将硅渗入所述碳结构以便获得前述的基本具有碳、硅和碳化硅基体的陶瓷复合物结构；
-在所述彼此相对的表面上沉积保护涂层。
在一个实施方式变型中，所述径向外带6由用碳纤维增强的碳织物制成。
所述制动钳3骑跨所述径向外带6的径向周边布置并且与车辆的框架成一体或者更好地与固定的管状体8成一体，所述管状体8承载与制动盘2和车轮成为一体的转动轴9。所述制动钳3包括制动衬块10，所述制动衬块10面向径向外带6的相应的制动表面11并且适于与制动钳3配合以便在车辆上施加制动动作。
所述制动系统1还包括至少部分地集成于其中的旋转电机。
所述旋转电机包括插入制动盘2的径向外带6中的多个转子元件12。在图1和2中示出的实施方式中，所述转子元件12是沿着与制动盘2的对称轴线“X-X”(车轮的转动轴线)同轴的圆形路径布置的永久磁体，并且插入在径向外带6的复合材料中形成的狭槽13中。所述永久磁体12与径向外带6的相应表面平齐并且由相应的覆盖层7覆盖。所述永久磁体12还在径向上位于其中一个制动表面11上。这些狭槽13例如是在模具中成型前述混合物的步骤中成形的，随后在施加覆盖层7之前插入这些永久磁体12。替代性地，这些永久磁体12可以直接插入模具中并且它们本身形成容纳它们的狭槽13。
旋转电机包括与转子元件12以电磁方式相联的多个定子元件14。图1和2中示意性示出的这些定子元件14是感应线圈并且电连接到电机本身的控制装置15和蓄能器16(在图1中示意性地示出)。在图1和2的实施方式中，所述定子元件14安装在制动钳3的一部分中和辅助体17中。所述辅助体17骑跨径向外带6的径向周边安装并且与车辆的框架成为一体，或者更好地与管状体8成为一体，所述管状体8承载与制动盘2和车轮成为一体的转动轴9。所述辅助体17在与制动钳3(图2)径向上相对的位置中安装在制动盘2上。在上述形式的未示出的实施方式变型中，所述定子元件14仅安装在制动钳3中或者仅安装在辅助体17中。
在图3和4中示出的实施方式中，没有(图1和2的实施方式的)覆盖层7，永久磁体12相对于制动钳3作用的制动表面11位于径向靠内的区域处。
此外，所述定子元件14具有不同的布置。特别地，所述定子元件14安装在辅助体18中，辅助体18装在固定的管状体8上，所述管状体8承载与制动盘2成一体的转动轴9。所述定子元件14沿着圆形路径围绕对称轴线“X-X”布置并且在轴向上面对所述永久磁体12。
在其他未示出的实施方式中，所述转子元件12位于通风道6a内和/或径向外带6的其他部分中，完全没入/嵌入复合材料中。
在图5A和图5B中示出的又一个实施方式中，制动盘2是由金属材料制成的，优选地用铁-碳合金制成，所述转子元件12是永久磁体，这些永久磁体容纳在通风道6a中并且位于制动盘2本身的径向周边部处。这些永久磁体12因此沿着圆周路径一个接一个成系列地布置。通风道6a的壁限定了置于转子元件12之间的由传导材料“C”制成的部分。所述转子元件12因此通过由传导材料“C”制成的插入彼此的部分限定了周期性铁磁结构。所述定子元件14(仅在图5B中示出)由U形线圈构成，均围绕制动盘2成系列地布置。每个U形定子元件骑跨制动盘2的径向周边布置(图5B)。所述的定子元件14部分地容纳在制动钳3中并由制动钳3支撑(与所述制动钳3的延伸部对应的一段圆弧)，并且部分地容纳在辅助体19中并由辅助体19支撑。除了存在制动钳3的地方，该辅助体19像环一样围绕制动盘2延伸，其在径向平面内也具有U形形状。该实施方式的电机是异步轴向电机，其中续断的磁流量具有轴向取向，即平行于制动盘2的转动轴线“X-X”。在异步轴向电机的未示出的变型中，用特定的线圈代替永久磁体。
在图6A和图6B中示出的另外的实施方式在几何结构上与前述的类似。与前述的实施方式不同，所述定子元件14是仅在圆周方向上位于制动盘2的外径上的线圈，其中续断的磁流量具有径向取向。支撑所述定子元件14的辅助体20仅相对于制动盘2放置在径向外部的位置(其不骑跨制动盘2延伸)并且在轴向上延伸与所述制动盘2的厚度基本对应的宽度。
图6A和6B示出了异步径向电机(在这种情况下定子元件12由特定线圈构成)和同步磁阻径向电机(在这种情况下所述定子元件12由永久磁体构成)。
在能够连续运动的同步磁阻转动电机中，辅助体20由圆柱形的铁磁冠状体(定子)构成或包括圆柱形的铁磁冠状体，其中三个线圈14以相等的相互空间位移定位，三相交流电系统通过这些线圈运行。这样产生了转动磁场，其效果等同于通过使该结构的固定部件转动获得的效果。如果制动盘的角速度等于转动磁场的角速度，角度保持恒定，扭矩跟随保持恒定，该扭矩支撑了其转动。
图7A和图7B中示出的另外的实施方式是图5A、5B、6A、6B所示的上述类型的结合，其是轴向/径向混合电机。所述辅助体19与图5A和5B中示出的类似。该辅助体19容纳第一组定子元件14A，该第一组定子元件的结构与图5B中示出的定子元件14的结构等同或类似，并且由均围绕制动盘2成系列地布置的U形线圈构成。相同的辅助体19还容纳第二组定子元件14B，该第二组定子元件的结构与图6B中示出的定子元件14的结构等同或类似，并且由仅在圆周方向上位于制动盘2的外径上的线圈构成。因此流路径是横交的(transverse)(既沿轴向方向又沿径向方向)。
所述的转动电机可以起到发电机和/或电动机的功能。
在一个优选实施方式中，所述转动电机是发电机。车轮的以及与其成一体的制动盘2的转动和永久磁体12的转动在定子元件14的线圈中产生电流。转化成电能的机械能存储在蓄能器16中。
优选地，该操作发生在制动阶段，即当吸热电动机不向车轮施加驱动扭矩时。在该种情况下，是与由制动钳施加的制动扭矩相关的能量被转化成电能。
为此，所述控制装置15以确保可以回收的方式控制能量的转化。
在任何情况下，该转换还发生在电动机将扭矩传递到车轮而使车辆行驶的时候。然而，在这种情况下，是吸热电动机(endothermicmotor)的部分能量被转化成电能。
在一个实施方式中，所述转动电机也是电动机。蓄积在蓄能器16中的电能向定子元件14供电，定子元件14在转子上(即在制动盘2上和在与其相联的车轮上)引起电磁驱动扭矩。该电磁驱动扭矩可以用于在加速或制动钳制动动作中结合吸热电动机的扭矩。
在一个替代性实施方式中，存储在蓄能器16中的能量可以传递到混合动力/电动车辆的电池，以便增加其持续时间，确保更多公里的行驶距离和/或更大的车辆动力。
在一个变型实施方式中，蓄积的能量可以用于向以可操作方式连接到电动机轴的另外的且不同的电动机提供动力。

Claims (28)

1.盘式制动器的制动盘，包括制动鼓(4)和围绕对称轴线(X-X)延伸的径向外带(6)，所述径向外带(6)具有适于与制动钳(3)配合以在车辆上施加制动动作的侧制动表面(11)；
其特征在于，所述制动盘包括转动电机(12，14，15，17；12，14，15，18)的转子元件(12)，该转子元件适于与安装在车辆上的所述转动电机(12，14，15，17；12，14，15，18)的定子元件(14)配合。
2.根据前述权利要求所述的制动盘，其中所述径向外带(6)由包括碳纤维的复合材料制成。
3.根据权利要求1所述的制动盘，其中所述径向外带(6)由金属材料制成，优选由铁-碳合金制成。
4.根据前述权利要求中的一项所述的制动盘，其中所述转子元件(12)与所述径向外带(6)相联。
5.根据权利要求2所述的制动盘，其中所述转子元件(12)嵌入所述复合材料中。
6.根据权利要求2所述的制动盘，其中所述转子元件(12)插入在所述复合材料中制成的容纳部(13)内。
7.根据前述权利要求中的一项所述的制动盘，其中由传导材料(C)制成的部件插入所述转子元件(12)之间。
8.根据前述权利要求中的一项所述的制动盘，其中所述转子元件(12)相对于所述制动表面(11)位于径向上较靠内的位置中。
9.根据权利要求2、4、5、6或7中的一项所述的制动盘，其中所述转子元件(12)由保护层(7)覆盖，所述保护层优选是陶瓷的，该保护层适于与制动钳(3)的衬块(10)接触。
10.根据前述权利要求中的一项所述的制动盘，其中所述制动盘(2)具有通风道(6a)，所述转子元件(12)位于所述通风道(6a)内。
11.根据前述权利要求中的一项所述的制动盘，其中所述转子元件(12)是永久磁体。
12.制动系统，包括：
根据权利要求1-11中的一项或多项所述的制动盘(2)；
骑跨制动盘(2)布置的制动钳(3)；
转动电机(12，14，15，17；12，14，15，18)，该转动电机包括所述制动盘(2)的所述转子元件(12)和安装在车辆上的定子元件(14)。
13.根据前述权利要求所述的系统，其中所述转动电机(12，14，15，17；12，14，15，18)是异步轴向电机。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述转动电机(12，14，15，17；12，14，15，18)是异步径向电机。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述转动电机(12，14，15，17；12，14，15，18)是同步磁阻电机。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述转动电机(12，14，15，17；12，14，15，18)是轴向/径向混合电机。
17.根据权利要求12、13或16所述的系统，其中所述定子元件(14)骑跨所述制动盘(2)延伸。
18.根据权利要求12、14、15或16所述的系统，其中所述定子元件(14)相对于所述转子元件(12)仅位于径向上靠外的位置中。
19.根据权利要求12、14、15或16所述的系统，其中所述定子元件(14)相对于所述转子元件(12)仅位于径向上靠内的位置中。
20.根据前述权利要求12到19中的一项所述的制动系统，其中所述定子元件(14)结合到所述制动钳(3)中。
21.根据前述权利要求12到19中的一项所述的制动系统，包括辅助体(17；18)，该辅助体相对于制动钳(3)固定、与所述制动盘(2)并置并且包括所述定子元件(14)。
22.根据前述权利要求所述的制动系统，其中所述辅助体(19，20)以环状沿着所述制动盘(2)的圆周延伸部围绕制动盘(2)的径向周边延伸。
23.根据前述权利要求所述的制动系统，其中所述辅助体(20)相对于所述制动盘(2)的径向周边仅布置在径向上靠外的位置中。
24.根据权利要求20或22所述的系统，其中所述辅助体(17)布置成骑跨所述制动盘(2)的径向周边。
25.根据权利要求12所述的系统，其中所述辅助体(18)位于所述制动盘(2)的与车轮的连接部(5)相对的侧上并面向所述制动盘(2)。
26.根据权利要求20或25所述的系统，其中所述辅助体(17)装在承载车轮轮轴(9)的管状体(8)上。
27.根据权利要求11到26中的一项所述的系统，包括控制装置(15)，该控制装置配置成用于控制所述转动电机(12，14，15，17；12，14，15，18)作为发电机。
28.根据前述权利要求所述的系统，其中所述控制装置(15)配置成用于控制所述转动电机(12，14，15，17；12，14，15，18)作为电动机以及控制施加到制动盘(2)的电磁驱动扭矩。
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