CN107735306A - 具有线控转向系统和机械后备系统的车辆转向系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有线控转向功能的机动车转向系统,机动车转向系统包括:上转向轴,其安装在转向柱中并且能够以旋转固定的方式连接到方向盘;下转向轴,其连接到转向齿轮以用于使得至少一个能够转向的车轮枢转;手动转矩调节器,其连接到所述上转向轴;致动驱动器,其连接到所述下转向轴;以及离合器,其在闭合状态下使得所述方向盘和所述转向柱以旋转固定的方式彼此联接。所述致动驱动器布置在所述转向柱上。
Description
技术领域
本发明涉及具有权利要求1的前序部分的特征的机动车转向系统以及涉及具有权利要求11的前序部分的特征的用于机动车转向系统的联接器。
背景技术
线控转向的转向系统是方向盘和转向齿轮之间为刚性机械联接的转向系统,在无法操作期间该刚性机械联接对于常规车辆是强制性的。由驾驶员引入方向盘的转向运动之后由传感器检测、由控制器处理并且由致动驱动器根据控制转换为方向盘的转角。就驾驶员而言,手动转矩通过手动转矩调节器施加到方向盘,以模拟安全行驶需要的作用力和反作用力。
对于这种转向系统,例如可以执行自动横风校正、反向转向和其他转向操作而方向盘不需要跟随这些转向运动。自动驾驶的操作还可以在该过程中方向盘没有旋转的情形下执行。
这种转向系统的故障安全方面的要求特别高。因此,在发生故障的任何可能情形下都需要确保车辆的可转向性。为此,例如在具有机电致动驱动器和机电手动转矩调节器的系统的情形下,设置冗余和后备标准。对于这些系统,转向轴通过机械联接器在两个驱动器之间断开连接,以在操作期间使得线控转向功能成为可能。在发生故障的情形下,闭合联接器以在方向盘和转向齿轮之间建立刚性的机械联接,因此,转向系统之后与常规转向系统类似保持为可致动,并且车辆可以至少安全地停止。
从文献WO2014/038452A1中获知通用机电线控转向的转向系统。这里,手动转矩调节器布置在方向盘附近的转向柱上。转向柱通过转向轴联接到转向齿轮,如机电动力转向一样,机电致动驱动器也布置在转向齿轮上。转向轴可以通过布置在上部分和下部分之间的联接器选择性地断开连接或进行连接。在该情形下,具有打开的联接器的断开连接的状态是操作状态,而具有闭合的联接器的连接状态表示机械后备标准。
这种布置在制造和组装方面是复杂的,这是因为具有手动转矩调节器的转向柱、具有致动驱动器的转向齿轮和具有联接器的转向轴是分开的组件,这些组件需要制造和组装,以及首先这些组件在操作期间需要以实现特别高的发生障碍和故障安全性的方式通过电线彼此连接。在轻质和经济型的车辆(例如,小而紧凑的车辆)中使用这种转向系统被认为是昂贵的。
发明内容
因此,本发明的目的是构造制造和组装均不太昂贵的线控转向的转向系统。
本发明的目的通过具有权利要求1的特征部分特征的机动车转向系统以及具有权利要求11的特征的用于机动车转向系统的联接器实现。由从属权利要求的特征获得有益实施例。
在具有线控转向功能的机动车转向系统中,该机动车转向系统包括上转向轴、下转向轴、手动转矩调节器、致动驱动器和联接器,上转向轴安装在转向柱中并且能够以旋转固定的方式连接到方向盘,下转向轴连接到转向齿轮以用于使得至少一个能够转向的车轮枢转,手动转矩调节器连接到上转向轴,致动驱动器连接到下转向轴,以及联接器在闭合状态下使得方向盘和转向齿轮以旋转固定的方式彼此联接,此外还设置为致动驱动器布置在转向柱上,转向柱、联接器、手动转向调节器和致动驱动器可以制造、提供和组装为共同的组件。之后,车辆侧上的控制仅仅需要连接到该组件使得可以预计该连接是特别操作安全的。因此,机动车转向系统还变得更易于组装。库存保管和组装变得不太昂贵。
当致动驱动器包括布置在转向柱的侧方的电动机时,该驱动电动机可以更容易地冷却。因此简化制造具有不同电力的不同电动机。优选地,电动机设计为同步电动机。
有益地,下转向轴在驱动方面布置在致动驱动器和转向齿轮之间。优选地,转向齿轮设计为机械齿条-小齿轮式转向齿轮。此外,当手动转矩调节器和致动驱动器布置在共同的齿轮壳体中时,由于需要仅仅制造一个这种壳体,因此是有益的。在有益的另外改进例中,齿轮壳体由塑料形成。因此,与金属(例如,铝或镁合金)壳体相比,组件的质量可以减小。
优选地,机动车转向系统设计为使得手动转矩调节器包括具有输出轴的电动机和与输出轴配合的上输出轮,上输出轮以旋转固定的方式连接到上转向轴,以及致动驱动器包括具有输出轴的电动机和与输出轴配合的下输出轮,下输出轮以旋转固定的方式连接到下转向轴。因此,简化整个装置的构造。
当上输出轮和下输出轮两者的旋转轴线布置为相对于彼此同轴时,进一步简化在共同的壳体中的布置。
当联接器布置在上输出轮和下输出轮之间的力流中时,得到特别紧凑的布置。
当联接器是能够电磁致动卡合的联接器以及联接器在没有电流的状态下闭合时,在电源发生完全故障的情形下,该联接器作为后备标准是特别安全的。
具体地,联接器可以包括电磁体和电枢,电枢以旋转固定的方式连接到输出轮,其中,电枢通过弹簧元件预加载以远离电磁体进入联接器的闭合位置,以及电枢操作地连接到至少一个配合销,配合销在闭合位置中与配合元件刚性配合,配合元件以旋转固定的方式连接到其他输出轮。
当输出轴设计为蜗轴以及输出轮设计为蜗轮时,获得操作期间低噪音的特别可靠的实施例。优选地,相应的蜗轮至少部分地由塑料构成,以及特别优选地,相应的蜗轮的齿至少部分地由塑料构成。因此,可以增加相应的齿轮单元的操作的安静并且与常规的纯金属实施例相比可以减小组件的质量。此外,通过具有权利要求11的特征的用于机动车转向系统的联接器实现上述目的。
提供一种用于机动车转向系统的联接器,该联接器包括第一联接部件、第二联接部件、至少两个配合销和至少两个配合元件,第一联接部件能够围绕旋转轴线旋转,第二联接部件能够围绕旋转轴线旋转,至少两个配合销容纳在所述第二联接部件中并且能够相对于第二联接部件在旋转轴向的方向上移动,至少两个配合元件形成在第一联接部件中,其中,至少一个配合销与一个配合元件在闭合状态下彼此配合,使得第一联接部件和第二联接部件以旋转固定的方式彼此联接,以及还包括具有电枢和定子的电磁体,其中电枢操作地连接到配合销,以及电枢能够在旋转轴线的方向上通过能够切换的定子对抗弹簧元件的预加载而移动,从而驱动配合销,因此弹簧元件在闭合状态的方向上对配合销预加载。根据本发明,配合元件形成为弧状细长孔或细长槽。
在打开状态下,所有配合销不与配合元件配合,因此,第一联接部件和第二联接部件可以围绕旋转轴线相对于彼此旋转。
通过对定子通电使得电枢移动,因此,所有配合销脱离配合并且弹簧元件在闭合状态的方向上预加载配合销。在对定子供电发生中断的情形下,电枢不再由磁力保持在合适位置处,配合销通过弹簧元件在与配合元件配合的方向上发生移动。这里,状态可以具体是没有配合销与配合元件配合,所有配合销位于备用位置,使得在第一联接部件和第二联接部件之间发生微小的相对旋转之后,至少一个配合销与至少一个配合元件开始产生配合。在进一步微小的相对旋转之后,至少一个另外的配合销与至少一个配合元件发生配合。相同的情况还在第一配合销的配合和另外的配合销的配合之间的旋转方向反向的情形中发生。根据本发明,通过将配合元件形成为弧状细长孔或细长槽,即使在微小旋转之后也可以发生配合销的配合。与配合元件形成为圆柱状孔相比,由于在配合销的啮合期间不再需要第一联接部件相对于第二联接部件的直接接触或较慢的旋转,所以可以改善配合性能,换言之,由此可以确保第一联接部件和第二联接部件之间的高角速度下的牢固配合。
通过根据本发明的联接器,可以实现从打开状态到闭合状态的特别快速的转换,从而确保在方向盘和转向齿轮之间提供快速和安全的力流,其中,第一联接部件或第二联接部件操作地连接到方向盘以及第一联接部件或第二联接部件中的另一者操作地连接到转向齿轮的输入轴。因此,在方向盘和转向齿轮在正常操作期间解除联接的情形下,由于在发生紧急情况时可以在非常短的时间内提供从方向盘到转向齿轮的机械贯通,所以可以进一步增加机动车安全系统的安全性。
弧状细长孔或弧状细长槽可以基于旋转轴线的固定半径布置在圆周方向上,使得配合销可以与细长孔或细长槽配合。换言之,配合销距旋转轴线径向地分开,以及细长孔或细长槽包括距旋转轴线相同的径向距离,使得配合销能够与细长孔或细长槽配合。
在有益的另外实施例中,只至少两个配合销与一个或两个配合元件配合,其中,一个配合销将第一联接部件和第二联接部件之间的旋转传递到第一旋转方向,以及第二配合销将旋转传递到与第一旋转方向相反的旋转方向。
由于每一个配合销仅仅在一个旋转方向上传递第一联接部件和第二联接部件之间的旋转,所以在旋转方向改变期间由于承受非常小的晃动每一个配合销近似直接形状配合元件的凸台,所以可以实现微小的旋转晃动,这在使配合销再次脱离配合时是需要的。
在有益的另外改进例中,联接器包括至少三个配合销,其中,在闭合状态下,三个配合销中的至少一个不再与一个配合元件配合。不再配合的该至少一个配合销位于备用位置,在该位置中通过弹簧元件预加载该配合销。
在有益的另外改进例中,第一联接部件或第二联接部件以旋转固定的方式通过第一轴联接到手动转矩调节器,第一联接部件或第二联接部件中的另一个联接到第二轴,第二轴操作地连接到转向齿轮的齿条。
这具有以下优势,根据本发明的联接器可以布置在手动转矩调节器和转向齿轮之间的任何位置。因此,可以确保对现存安装空间的最佳适应。
在有益的另外改进例中,弹簧元件被设计为盘簧。优选地,盘簧包括径向地延伸到外侧的片簧状弹簧凸耳。
这提供以下优势,每一个配合销可以利用弹簧凸耳在配合方向上被预加载。优选地,盘簧包括弹簧钢板或塑料。
附图说明
以下,通过附图更详细地描述本发明的实施例。相同元件具有相同的附图标记。其中:
图1示出具有线控转向功能的机动车转向系统,该机动车转向系统具有布置在转向柱上的致动驱动器;
图2在另外的立体图中示出图1的转向柱;
图3在俯视图中示出图2的转向柱;
图4在侧视图中示出图2的转向柱;
图5示出穿过具有打开的联接器的转向柱的齿轮的纵向截面;
图6示出具有打开的联接器的转向中的转矩流的示意图;
图7示出具有闭合的联接器的根据图5的示意图;
图8示出具有闭合的联接器的对应于图6的示意图;
图9示出联接器在打开状态中的立体剖视图;
图10示出联接器在闭合状态中的立体剖视图;以及
图11示出具有线控转向功能的机动车转向系统,该机动车转向系统具有以第二种布置方式布置在转向柱上的致动驱动器。
具体实施方式
在图1中,示出具有线控转向功能的机动车转向系统,该机动车转向系统具有布置在转向柱1上的致动驱动器2。该转向系统以本身已知的方式包括方向盘3,方向盘3以旋转固定的方式连接到上转向轴4。上转向轴4安装在套管5中,套管5转而可枢转地保持在托架6上。托架6配置为用于紧固到机动车的主体。下转向轴7以旋转固定的方式连接到转向齿轮9的小齿轮8。小齿轮8与齿条10啮合,齿条10通过横拉杆11连接到可转向的车轮12(此处仅仅示出一个)。由于示出的转向系统是线控转向系统,所以额外地设置手动转矩调节器13,手动转矩调节器13如致动驱动器2一样布置在转向柱上。
图2在另外的立体图中示出图1的转向系统的转向柱。上转向轴4可旋转地安装在套管5中,套管5设置有夹紧机构14,以能够解锁和锁定竖直和轴向可调节性。
套管5连接到齿轮壳体16,齿轮壳体16支撑致动驱动器2和手动转矩调节器13。齿轮壳体16形成为近似圆柱状并且在它的一个正侧面的中心处支撑套管5,穿过套管5的内部的上转向轴4被传送进入齿轮壳体16。在图2中面向后部的另外正侧面,下转向轴7同样在齿轮壳体16的中心处出现。致动驱动器2和手动转矩调节器13布置在齿轮壳体16的圆周侧面上。
图3在俯视图中示出图2的转向柱。关于与上转向轴4的旋转轴线对应的纵向轴线17,手动转矩调节器13和致动驱动器2布置为在纵向轴线17的轴向方向上彼此偏移,其中,手动转矩调节器13更接近上转向轴4。在该图中齿轮壳体16打开,使得能够看到作为致动驱动器2的电动机的输出轴的蜗轴20和作为手动转矩调节器13的电动机的输出轴的蜗轴21,蜗轴20和蜗轴21近似彼此平行。
在图4中,在侧视图中示出图2的转向柱,其中,在纵向截面中示出齿轮壳体16的区域。在布置在齿轮壳体16中的上转向轴4的末端处,上转向轴4与罐形输出轮22连接,输出轮22通过滚动轴承23围绕轴线17可旋转地固定在齿轮壳体16中。在输出轮的外圆周处,输出轮22包括与手动转矩调节器13的齿相匹配的齿。第二罐形输出轮24同样可旋转地安装在齿轮壳体16内的滚动轴承25中,并且以旋转固定的方式与下转向轴7连接。输出轮24的外圆周齿设计为与致动驱动器2的输出轴20的齿相匹配。具有定子26和电枢27的电磁联接器100布置在输出轮24内。输出轮22和24布置为与轴线17同轴线。
图5在更详细的示意图中示出穿过具有打开的联接器100的当前描述的转向柱的齿轮的纵向截面。定子26设计为电磁体并且同轴地围绕下转向轴7,其中,转向轴7与第二联接部件240形成为一个工件。同样可以想到并且可行的是通过轴毂连接以旋转固定的方式将下转向轴7连接到第二联接部件240。现有技术中熟知这种轴毂连接。定子26能够以固定的方式附接到齿轮壳体16。定子不需要与下转向轴7一起旋转。然而,电枢27以旋转固定但是可轴向移动的方式连接到第二联接部件240并且连接到下转向轴7。电枢27在面向远离定子的方向上通过盘簧28预加载,其中,电枢27支撑若干配合销29,该销29可轴向移动地位于输出轮24的配合元件30中,该配合元件30具体为弧形细长孔(以下与细长孔同义)。以旋转固定的方式连接到输出轮22的第一联接部件包括与轴线17平行的若干配合元件30,配合销29可以与配合元件30配合以将输出轮22联接到输出轮24。
在该实施例中,第一联接部件220设计为输出轮22的一部分,以及在该实施例中,第二联接部件240设计为输出轮24的一部分。
当对定子26提供电流时,磁场对抗设计为盘簧的弹簧元件28的力拖拉电枢27抵靠定子26,使得电枢27拖拉配合销29远离输出轮22并且离开形成为弧状细长孔的配合元件30。之后输出轮22和输出轮24(分别为第一联接部件220和第二联接部件240)解开联接。在定子26和电枢27之间在供应电流的状态下存在最小气隙,使得定子26和电枢27彼此不接触。
图6示出图5中示出的具有打开的联接器100的转向系统中的转矩流的示意图。驾驶员以第一角速度在方向盘上产生作为控制信号的转角。之后,手动转矩调节器13产生驾驶员在致动方向盘时感受到的手动转矩。打开的联接器100使上转向轴和下转向轴断开连接。根据未示出的控制,致动驱动器2以第二角速度在下转向轴7上施加转矩和转角,这引起在齿条10上的对应的力。转向系统作为线控转向的转向系统操作。
图7示出根据图5的示意图,然而,图7中具有闭合的联接器100。为了更清晰省略一些附图标记。在发生缺陷时,导致定子26没有电流,并且由于弹簧元件28的重设的力,电枢27由此被迫使远离定子26而进入图7中所示的位置中。配合销29与电枢27一起移动并且在形成为细长孔的配合元件30中配合。这里,配合元件30和配合销29相对于彼此设计和布置使得至少一个配合销29仅仅在第一旋转(顺时针旋转)方向上传递旋转以及至少一个第二配合销仅仅在第二旋转方向(逆时针方向)传递旋转。因此,由于配合销已经贴靠相对定位的接触表面所以配合销不需要从接触表面移动到配合元件的相对定位的该接触表面,因此能够实现在旋转方向变化的情形下减小晃动。因此,输出轮22和输出轮24以旋转固定的方式彼此联接,上转向轴4和下转向轴7也是同样的情况。在转向车轮和转向齿轮之间建立刚性联接。
图8示出具有闭合的联接器100的根据图6的示意图。上转向轴4和下转向轴7中的转角、角速度和转矩数值是相等的。转向系统作为具有从方向盘到转向齿轮的旋转固定贯通的常规转向系统操作。
图9示出联接器的示意性立体剖视图。为了清晰,在该图9中未示出例如轴承23、25等部件。联接器100在打开状态或换言之在解开联接或解开连接状态。因此,第一联接部件220和第二联接部件240可以相对于彼此旋转。第一联接部件220的形成为细长孔的配合元件30不与配合销29配合,该配合销29容纳在第二联接部件240的相应开口(也称为洞)中并且在闭合状态的方向上由弹簧元件28预加载。在弹簧元件的预加载下对抗通电的定子26拉起电枢27,其中,配合销29的头部在突起部上支撑本身,该突起部的方向是爪状径向向内并且保持在合适的位置。换言之,电枢27操作地连接到配合销29。第二联接部件240包括操作地连接到转向齿轮9的下转向轴7。第一联接部件220包括用于上转向轴4(未示出)的连接件32。明显地,可以想到并且可行的是,布置联接件使得第一联接部件操作地连接到转向齿轮9以及第二联接部件操作地连接到上转向轴以及相应地方向盘3。
图10示出联接器100的示意性立体剖视图。为了清晰,在该图10中再次未示出例如轴承23、25等部件。联接器100在闭合状态或者换言之在联接或连接状态。由于第一联接部件220的形成为细长孔的配合元件30与配合销29配合,其中,该配合销29在旋转轴线111的方向上可移动地容纳在第二联接部件240中,所以第一联接部件220和第二联接部件240相对于彼此不旋转。当定子26断电时,由弹簧元件28预加载的配合销29和电枢27在远离定子26的方向上轴向地移动,以及最迟在第一联接部件220相对于第二联接部件240产生微小旋转之后,一些配合销29能够与形成为细长孔的配合元件30开始配合。显然,并非所有存在的配合销29与配合元件30配合。这对于实现第一联接部件的以及第二联接部件的安全、非刚性以及非可旋转联接是不需要的。由于存在更多能够开始配合的配合销29,所以可以确保甚至在第一联接部件220相对于第二联接部件240产生微小的旋转角度之后第一配合销29开始与一个配合元件30配合,以及接下来,第二配合销29开始与一个配合元件30配合。因此,可以确保联接从打开状态进入闭合状态的快速转变。在示出的闭合状态下,方向盘和转向齿轮操作地连接以传递方向盘和转向齿轮之间的旋转运动,其中,方向盘未示出并且以旋转固定的方式连接到第一联接部件220,以及转向齿轮未示出并且以旋转固定的方式连接到第二联接部件240。因此,设置用于紧急情况下的方向盘和转向齿轮之间的机械贯通。
在图11中,示出线控转向的转向系统的替换布置,其中,手动转矩调节器13布置在转向柱上以及致动驱动器201布置在转向齿轮9上,同时,根据本发明的联接器100作为分开的元件布置在转向轴的两个机电致动器13和201之间的区域中。这里,以旋转固定的方式,第一联接部件连接到上转向轴4以及第二联接部件连接到下转向轴7。下转向轴7联接到与齿条10啮合的转向小齿轮8。
同样可以想到并且可行的是,将根据本发明的联接器100直接布置在转向齿轮的壳体中,其中,第一联接部件或第二联接部件以旋转固定的方式联接到转向小齿轮8。由此,可以实现紧凑结构。
当适用时,在不脱离本发明的范围的情形下在各个示例性实施例中示出的所有单独的特征可以彼此结合和/或彼此互换。
Claims (11)
1.一种具有线控转向功能的机动车转向系统,包括:
-上转向轴(4),其安装在转向柱(1)中并且能够以旋转固定的方式连接到方向盘(3),
-下转向轴(7),其连接到转向齿轮(9)以用于使得至少一个能够转向的车轮(12)枢转,
-手动转矩调节器(13),其连接到所述上转向轴(4),
-致动驱动器(2),其连接到所述下转向轴(7),以及
-联接器(100),其在闭合状态下使得所述方向盘(3)和所述转向齿轮(9)以旋转固定的方式彼此联接,其特征在于,所述致动驱动器(2)布置在所述转向柱(1)上。
2.根据权利要求1所述的机动车转向系统,其特征在于,所述致动驱动器(2)包括电动机,所述电动机布置在所述转向柱(1)的侧方。
3.根据权利要求1或2所述的机动车转向系统,其特征在于,所述下转向轴(7)在驱动方面布置在所述致动驱动器(2)和所述转向齿轮(9)之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的机动车转向系统,其特征在于,所述手动转矩调节器(13)和所述致动驱动器(2)布置在共用的齿轮壳体(16)中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的机动车转向系统,其特征在于,所述手动转矩调节器(13)包括具有输出轴(21)的电动机和与所述输出轴(21)配合的上输出轮(22),所述上输出轮(22)以旋转固定的方式连接到所述上转向轴(4),以及其特征在于,所述致动驱动器(2)包括具有输出轴(20)的电动机和与所述输出轴(20)配合的下输出轮(24),所述下输出轮(24)以旋转固定的方式连接到所述下转向轴(7)。
6.根据权利要求5所述的机动车转向系统,其特征在于,所述上输出轮(22)和所述下输出轮(24)安装在所述齿轮壳体(16)中相对于彼此能够同轴地旋转。
7.根据前述权利要求中任一项所述的机动车转向系统,其特征在于,所述联接器布置在所述上输出轮(22)和所述下输出轮(24)之间的力流中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的机动车转向系统,其特征在于,所述联接器是能够电磁致动卡合的联接器,所述联接器在没有电流的状态下闭合。
9.根据前述权利要求中任一项所述的机动车转向系统,其特征在于,所述联接器包括具有定子(26)和电枢(27)的电磁体,所述电枢(27)以旋转固定的方式连接到输出轮(24),其中,所述电枢(27)通过弹簧元件(28)预加载以远离所述电磁体进入所述联接器的闭合位置,以及其特征在于,所述电枢(27)操作地连接到至少一个配合销(29),所述配合销(29)在所述闭合位置中与所述配合元件(30)形状配合连接,所述配合元件(30)以旋转固定的方式连接到其他输出轮(22)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的机动车转向系统,其特征在于,所述输出轴(20,21)设计为蜗轴以及所述输出轮(22,24)设计为蜗轮。
11.一种用于机动车转向系统的联接器(100),所述联接器(100)包括:
-第一联接部件(220),其能够围绕旋转轴线(111)旋转,和
-第二联接部件(240),其能够围绕所述旋转轴线(111)旋转,和
-至少两个配合销(29),其容纳在所述第二联接部件(240)中并且能够在所述旋转轴线的方向上移动,和
-至少两个配合元件(30),其形成在所述第一联接部件(220)中,其中,
-至少一个所述配合销(29)与一个所述配合元件(30)在闭合状态下彼此配合,使得所述第一联接部件(220)和所述第二联接部件(240)以旋转固定的方式彼此联接,以及
-还包括具有电枢(27)和定子(26)的电磁体,其中
-所述电枢(27)操作地连接到所述配合销(29),以及
-所述电枢(27)能够在所述旋转轴线(111)的方向上通过能够切换的所述定子(26)对抗弹簧元件(28)的预加载而移动,从而驱动所述配合销(29),
-所以所述弹簧元件(28)在所述闭合状态的方向上对所述配合销(29)预加载,
其特征在于,
所述配合元件(30)形成为弧状细长孔或细长槽。
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