CN109555830A - 一种派生力敏感式限滑差速器 - Google Patents

一种派生力敏感式限滑差速器 Download PDF

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李玉刚
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李家春
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明公开了一种派生力敏感式限滑差速器，包括壳体以及固定连接在壳体两端的左端盖和右端盖，在壳体内分别安装有左螺旋轴、左传动组、右螺旋轴以及右传动组，所述的壳体内设置有两个偏心孔腔，右螺旋轴和左螺旋轴分别安装在两个偏心孔腔内，所述的右螺旋轴和左螺旋轴均由螺旋齿和外直齿构成。本发明利用两螺旋轴啮合传动，随着车辆两侧或前后车轮速度变化绝对值之差的变化，两螺旋轴之间所产生的派生力随之变化，加之壳体或传动组对螺旋轴的轴向和径向限位作用，导致差速器的内摩擦力矩发生变化，使差速器根据其内部差动力矩大小变化而自动调整限滑系数，从而将输出力矩合理分配于车辆左、右车轮或前、后车桥上。

Description

一种派生力敏感式限滑差速器
技术领域
本发明涉及一种派生力敏感式限滑差速器，属于差速器技术领域。
背景技术
差速器作为车辆驱动桥的重要组成部分，其功能可保证行驶车辆正常转弯，提高车辆在各种复杂路况的通过性。
市场上现有差速器可按功能分为非限滑差速器和限滑差速器两种。非限滑差速器即传统十字轴差速器，因其“差速不差力”的特性，仅限用于在非冰雪或泥泞的良好道路行驶的车辆，随着高性能限滑差速器的出现与发展，此类差速器必将为市场所淘汰。而限滑差速器既可差速保证车辆正常转弯，又可限滑以提高车辆在冰雪、泥泞、高低不平等恶劣道路上行驶的通过性。目前，高性能限滑差速器市场仍由美国、德国、日本等国企业所主导甚至垄断，此类产品主要包括托森差速器、伊顿差速锁式差速器和电子锁式差速器，且目前的这些限滑差速器其结构复杂，加工成本高，制造难度大，往往仅一些高档轿车使用。
在我国，高性能限滑差速器核心技术方面目前尚处于近乎空白状态，加之相关技术国对此类限滑技术的垄断，致使我国车辆市场对于此类高性能限滑差速器的使用多是依赖进口，大大增加了整车成本，如此技术瓶颈和技术垄断，严重制约我国车辆工业发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种派生力敏感式限滑差速器，该差速器采用纯机械式结构，可通过调节螺旋齿的螺旋升角(或导成角)或法相压力角、螺旋轴与壳体及传动组接触面摩擦系数等参数大小，做到防滑实时响应无迟滞，虽限滑原理异于拖森、伊顿等差速器，但限滑性能却可与之比美，且其结构简单、加工容易、成本低，易于在车辆中推广应用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种派生力敏感式限滑差速器，包括壳体以及固定连接在壳体两端的左端盖和右端盖，在壳体内分别安装有左螺旋轴、左传动组、右螺旋轴以及右传动组，所述的壳体内设置有两个偏心孔腔，右螺旋轴和左螺旋轴分别安装在两个偏心孔腔内，所述的右螺旋轴和左螺旋轴均由螺旋齿和外直齿构成，右螺旋轴和左螺旋轴上的螺旋齿相互啮合，所述的左传动组和右传动组均为罩壳结构，在左传动组和右传动组的内壁均设置有一圈内直齿，右螺旋轴以及左螺旋轴上的外直齿分别与右传动组以及左传动组上的内直齿啮合。
进一步，所述偏心孔腔的数量与螺旋轴的数量相等，且大于或等于2。
进一步，所述螺旋齿为螺纹齿、斜齿、螺杆齿或蜗轮齿，所述传动组和螺旋轴采用直齿传动连接、斜齿传动连接或锥齿传动连接；可选的，将传动组改成万向节，螺旋轴通过万向节与车辆半轴直接连接传动。
进一步，所述左传动组和右传动组的中心均开设有花键孔；在左端盖和右端盖的中心均开设有与花键孔同心的通孔。
进一步，所述左端盖或右端盖与壳体采用螺栓连接或螺纹连接，所述壳体的一端设置有法兰盘。
进一步，所述左端盖与左传动组或右端盖与右传动组的接触端面采用锥面定心配合或采用轴承连接定心。
进一步，所述偏心孔腔中固定有定心轴，在右螺旋轴以及左螺旋轴的中心均设置有贯穿的中心孔，右螺旋轴和左螺旋轴上的中心孔与定心轴配合安装。
进一步，所述偏心孔腔的底部开设有安装孔，在右螺旋轴以及左螺旋轴的两端均设置有凸出轴，在左传动组和右传动组的内端面开设有环形槽，所述右螺旋轴以及左螺旋轴靠近螺旋齿一端的凸出轴与安装孔转动连接，右螺旋轴以及左螺旋轴靠近外直齿一端的凸出轴安装在环形槽内。
更进一步，所述右螺旋轴以及左螺旋轴的两端均安装有碟簧或弹簧。
更进一步，所述偏心孔腔的底面与右螺旋轴或左螺旋轴的接触面为花纹面或接触面之间增设摩擦片，右螺旋轴与右传动组或左螺旋轴与左传动组的接触面为花纹面或在接触面之间增设摩擦片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用两螺旋轴啮合传动，随着车辆两侧或前后车轮速度变化绝对值之差的变化，两螺旋轴之间所产生的派生力随之变化，加之壳体或传动组对螺旋轴的轴向和径向限位作用，导致差速器的内摩擦力矩发生变化，使差速器根据其内部差动力矩大小变化而自动调整限滑系数，从而将输出力矩合理分配于车辆左、右车轮或前、后车桥上。
2、本发明为纯机械结构，可通过调节螺旋齿的螺旋升角(或导成角)或法相压力角、螺旋轴与壳体及传动组接触面摩擦系数、螺旋轴与偏心孔腔之间的装配间隙等参数大小，做到防滑实时响应无迟滞，虽限滑原理异于拖森、伊顿等差速器，但限滑性能却可与之比美，且其结构简单、加工容易、成本低，即可用于轮间差速，又可用于轴间差速，适合于轿车、货车、军用车等各种车辆，若用于越野车，其限滑性能体现将更明显。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图的分解图；
图2为本发明实施例1中壳体的结构示意图；
图3为本发明实施例1中螺旋轴的结构示意图；
图4为本发明实施例1中传动组的结构示意图；
图5为本发明实施例2中壳体的结构示意图；
图6为本发明实施例2中螺旋轴的结构示意图；
图7为本发明实施例3中壳体的结构示意图；
图8为本发明实施例3中螺旋轴的结构示意图；
图9为本发明实施例3中传动组的结构示意图；
图10为本发明实施例4的结构示意图的组装图。
附图标记说明：1-壳体，2-右螺旋轴，3-左螺旋轴，4-左传动组，5-左端盖，6-右传动组，7-右端盖，8-偏心孔腔，9-螺旋齿，10-外直齿，11-内直齿，12-花键孔，13-法兰盘，14-通孔，15-定心轴，16-中心孔，17-安装孔，18-凸出轴，19-环形槽，20-花纹面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本发明的的一种派生力敏感式限滑差速器的结构示意图如图1～4所示，包括壳体1以及固定连接在壳体1两端的左端盖5和右端盖7，在壳体1内分别安装有左螺旋轴3、左传动组4、右螺旋轴2以及右传动组6，所述的壳体1内设置有两个偏心孔腔8，右螺旋轴2和左螺旋轴3分别安装在两个偏心孔腔8内，所述偏心孔腔8的数量与螺旋轴的数量相等。所述的右螺旋轴2和左螺旋轴3均由螺旋齿9和外直齿10构成，右螺旋轴2和左螺旋轴3上的螺旋齿9相互啮合，右螺旋轴2和左螺旋轴3上的螺旋齿9可采用传统的斜齿、螺杆齿或蜗轮齿等啮合传动时能派生轴向力的结构形式；所述的左传动组4和右传动组6均为罩壳结构，在左传动组4和右传动组6的内壁均设置有一圈内直齿11，右螺旋轴2以及左螺旋轴3上的外直齿10分别与右传动组6以及左传动组4上的内直齿11啮合。所述左传动组4和右传动组6的中心均开设有花键孔12；在左端盖5和右端盖7的中心均开设有与花键孔12同心的通孔14，这样便可通过花键孔12连接车辆半轴。所述左端盖5或右端盖7与壳体1采用螺纹连接。所述左端盖5与左传动组4或右端盖7与右传动组6的接触端面采用锥面定心配合。所述壳体1的一端设置有法兰盘13，用以连接车辆锥齿轮。
实施例2
参见图5及图6，本实施例是在实施例1的结构组成及特征基础之上，在偏心孔腔8中固定有定心轴15，在右螺旋轴2以及左螺旋轴3的中心均设置有贯穿的中心孔16，右螺旋轴2和左螺旋轴3上的中心孔16与定心轴15配合安装。
实施例3
参见图7～9，本实施例是在实施例1的结构组成及特征基础之上，在偏心孔腔8的底部开设有安装孔17，在右螺旋轴2以及左螺旋轴3的两端均设置有凸出轴18，在左传动组4和右传动组6的内端面开设有环形槽19，所述右螺旋轴2以及左螺旋轴3靠近螺旋齿9一端的凸出轴18与安装孔17转动连接，右螺旋轴2以及左螺旋轴3靠近外直齿10一端的凸出轴18安装在环形槽19内。
优选地，在实施例2和实施例3中，所述右螺旋轴2以及左螺旋轴3的两端均安装有碟簧。
优选地，在实施例1、实施例2及实施例3中，所述的偏心孔腔8的底面与右螺旋轴2或左螺旋轴3的接触面为花纹面20或接触面之间增设摩擦片，右螺旋轴2与右传动组6或左螺旋轴3与左传动组4的接触面为花纹面20或接触面之间增设摩擦片，通过花纹面20或增设的摩擦片来增加上述接触面之间的摩擦力，达到防滑实时响应，无迟滞现象。
实施例4
参见图10，本实施例是基于实施例1的结构组成及特征基础之上，本实施例中左端盖5与左传动组4或右端盖7与右传动组6的接触端面采用轴承连接定心，提高其传动效率。
本发明差速器的工作原理：动力由车辆主减速器通过与壳体1上的法兰盘13相连接的锥齿轮传入壳体1，再通过壳体1将动力传递给左螺旋轴3与右螺旋轴2，左螺旋轴3与右螺旋轴2将动力分别经左传动组4和右传动组6传入车辆左半轴和右半轴，最终分别传递至与车辆左半轴和右半轴相连的左车轮和右车轮，使车辆处于不同路况时实现正常行驶、差速及限滑。根据其原理特点，本发明的差速器即可用做车辆轮间差速器，也可用做车辆前、后桥中央差速器，具体如下：
本发明是差速器作为车辆轮间差速器使用时，在直行、转弯及一侧车轮通过附着力低或高突路面等不同状况下的工作原理分析如下：(一)车辆在良好路面直线行驶
当车辆在良好路面直线行驶时，由于两螺旋轴安装在差速器的壳体1内，动力通过壳体1上所设的法兰盘13传入壳体1后，再由壳体1传至左螺旋轴3和右螺旋轴2，在摩擦力矩的作用下，左螺旋轴3和右螺旋轴2有同向自转的趋势，但由于左螺旋轴3和右螺旋轴2的螺旋齿9啮合，同向转动将发生干涉，故此时，左螺旋轴3以及右螺旋轴2与差速器壳1等速转动，左螺旋轴3以及右螺旋轴2之间不产生相对转动，无轴向力和相对轴向位移产生，且左传动组4和右传动组6分别与左螺旋轴3和右螺旋轴2保持相对静止，差速器与车辆左、右半轴构成刚性连接，通过左传动组4和右传动组6经车辆的左、右半轴传递到左、右车轮的力矩大小相等，且等于壳体1力矩的一半。即：
v3＝v2＝v1
其中，v3、v2、v1分别表示左螺旋轴、右螺旋轴和壳体的转速；M3、M2、M1分别表示左螺旋轴、右螺旋轴和壳体的力矩。
(二)车辆转弯
当车辆向右转弯时，由于右侧车轮转速小于左侧车轮，左、右车轮之间形成转速差Δv。此时，在壳体1内摩擦力的作用下，右螺旋轴2相对于壳体1反向自转，同时左螺旋轴3相对于壳体1正向自转，且右螺旋轴2反向自转的速度大小等于左螺旋轴3正向自转的速度大小，且等于转速差Δv的一半，右螺旋轴2和左螺旋轴3之间没有轴向力和相对轴向位移产生，则右螺旋轴2和左螺旋轴3产生的相对运动，实现了精确的轮间等比例差速。即：
v左轮-v右轮＝Δv
v'3+v'2＝v3+v2＝2v1
其中，v'3和v'2分别是转弯差速时的左螺旋轴3和右螺旋轴2的转速。
当车辆左转弯时，本发明的差速器的工作原理与车辆右转弯时类似，这里不做分析。
(三)车辆一侧车轮在冰雪、泥泞等不良路面行驶
现取极限情况，当车辆左侧车轮在冰雪、泥泞等不良道路，而右侧车轮在正常道路行驶时，由于左侧车轮轮胎附着力小，出现打滑现象，此时，壳体1受到的驱动力矩将通过左螺旋轴3经左传动组4和车辆左半轴向左侧车轮转移，同时，右螺旋轴2受壳体1的内摩擦力小于右侧车轮与地面之间的摩擦力而发生自转，且自转方向与壳体1转动方向相反，左螺旋轴3受到右螺旋轴2切向力、轴向力和径向力三种派生力的综合作用，在右螺旋轴2派生切向力的作用下产生驱动力矩，驱动左螺旋轴3发生自转；在右螺旋轴2派生轴向力的作用下，左螺旋轴3和右螺旋轴2之间将产生相对轴向位移，而由于受到机壳1所设偏心孔腔8的底面以及左传动组4和右传动组6与左螺旋轴3和右螺旋轴2接触面的轴向限位作用，使左螺旋轴3和右螺旋轴2两侧端面产生与其各自自转方向相反的内摩擦力矩，且随着轴向力的增大，此内摩擦力矩也随之增大；在右螺旋轴2派生径向力的作用下，左螺旋轴3和右螺旋轴2之间将产生径向相对位移，而由于受到壳体1所设偏心孔腔8以及左传动组4和右传动组6的径向限位作用，在左螺旋轴3和右螺旋轴2的表面也产生内摩擦力矩，且与左螺旋轴3自转方向相反。
现仅通过左螺旋轴3来分析本发明差速器的限滑原理，此时，假设1：所述螺旋轴上所设螺旋齿9为螺纹齿或螺杆齿；假设2：差速器各组成结构材料相同；假设3：不考虑除所述派生轴向力和派生切向力所引起内摩擦力矩的其他内摩擦力矩的影响，有：
Tt＝Ft·r ①
Ta＝Fa·f ②
Tr＝Fr·f ③
其中，Ft表示左螺旋轴3所受到的来自右螺旋轴2的派生切向力；Fa表示左螺旋轴3所受到的来自右螺旋轴2的派生轴向力；Fr表示左螺旋轴3所受到的来自右螺旋轴2的派生径向力；r表示左螺旋轴3的有效半径；f表示左螺旋轴3与壳体1及左传动组4接触面之间的摩擦系数；Tt表示左螺旋轴3在Ft作用下产生的驱动力矩；Ta表示左螺旋轴3在Fa作用下产生的内摩擦力矩，且方向与驱动力矩Tt方向相反；Tr表示左螺旋轴3在Fr作用下产生的内摩擦力矩，且方向与驱动力矩Tt方向相反。
当Ta+Tr≥Tt时，差速器将起到限滑作用，即随着左侧车轮与右侧车轮转速差的增大，左螺旋轴3受到的驱动力矩小于其受到的摩擦阻力力矩，而停止自转，此时所述差速器各部件之间形成刚性连接，壳体1受到的驱动力矩将向右侧不打滑的车轮转移，从而使车辆驶出冰雪、泥泞等不良道路。
而又有左螺旋轴3受到的派生切向力、轴向力和径向力之间的关系：
Fa＝Ft·tanβ ⑤
其中，β表示螺纹齿或螺杆齿的螺旋升角，αn表示螺纹齿或螺杆齿的螺旋升角的法相压力角。
将上述式①、式②、式③、式④、式⑤和式⑥代入Ta+Tr≥Tt，可得本发明差速器在假设1、假设2以及假设3条件下的限滑条件：
则通过调节螺旋轴上所设螺纹齿或螺杆齿的法相压力角αn、螺旋升角β、摩擦系数f或螺旋轴半径r等相关限滑参数即可调节差速器的限滑能力。
对于上述理论公式推导，仅限于说明本发明差速器作为轮间差速器时，在车辆直行刚性驱动、转弯差速及不良路面实现限滑功能的原理，不能完全作为实际产品的设计依据，在实际产品设计中还需考虑螺杆轴的有效长径比等参数及上述假设条件对其限滑能力的影响，如若把假设1中所述的螺纹齿或螺杆齿换成蜗轮齿时，限滑条件中的螺旋升角变为蜗杆导程角，三角函数关系也将发生变化；同时，若把假设2中差速器各组成结构材料相同改成材料不同，则根据具体不同材料之间的摩擦系数所述限滑条件中的摩擦系数也要做相应调整。包括对于假设3，在差速器的理论推导中，没有考虑除所述派生轴向力和派生切向力所引起内摩擦力矩的其他内摩擦力矩的影响，而在实际工况中，根据牛顿第三运动定律，右螺旋轴2将同样受到来自左螺杆3的派生作用反力，故在实际产品设计时，需综合考虑本发明差速器在不同工况下的内摩擦力矩，来调整螺杆齿的法相压力角αn、螺旋升角β或蜗杆导程角等相关参数，以使本发明差速器在直行时的刚性驱动能力、转弯时的差速能力及通过冰雪等不良路况时的限滑能力达到最优。当然，如果在本发明所述差速器实施例的基础之上，通过调整右螺旋轴2或左螺旋轴3与壳体1所设偏心孔腔8的装配间隙，从而当车辆通过冰雪等不良路面时，若出现车轮打滑现象，其中一根螺旋轴带动另一根螺旋轴旋转，各螺旋轴在派生径向力和派生轴向力的综合作用下中心轴线发生偏移，即右螺旋轴2或左螺旋轴3的中心轴线与壳体1的中心轴线不再平行，加之壳体1与右传动组6或左传动组4的限位作用，使右螺旋轴2或左螺旋轴3发生卡死，此时，各螺旋轴与壳体1以及各传动组构成刚性连接，使车辆顺利通过不良路面，实现限滑。那么，在这种情况下，主要是通过调整右螺旋轴2或左螺旋轴3与壳体1所设偏心孔腔8的装配间隙参数来调整本发明所述派生力敏感式限滑差速器的限滑能力。
本发明所述限滑差速器作为车辆中央差速器时的工作原理分析
本发明差速器作为车辆中央差速器使用时，根据以上本发明差速器作为车辆轮间差速器使用时的限滑工作原理分析，可知，在车辆行驶于不良路面，车辆前、后其中一个驱动桥发生空转时，本发明的差速器能迅速将两驱动桥变为刚性联接，把大部分力矩甚至全部力矩传递于另一个不滑转的驱动桥，充分利用不打滑驱动桥的两侧车轮的附着力而产生足够牵引力，实现实时限滑，使车辆能够继续行驶。
综上，本发明的差速器即是利用两螺旋轴啮合传动，随着车辆两侧或前后车轮速度变化绝对值之差的变化，两螺旋轴之间所产生的派生力随之变化，加之差速器的壳体或传动组等结构部件对螺旋轴的轴向和径向限位作用，导致差速器的内摩擦力矩发生变化，使差速器根据其此内部差动力矩大小变化而自动限滑，以将输出力矩合理分配于车辆左、右车轮或前、后车桥。
另外，本发明差速器的限滑原理特点，即由两根螺旋轴相互啮合时的特点，当一螺旋轴驱动另一螺旋轴转动时，螺旋轴与螺旋轴之间将产生派生切向力、派生轴向力和派生径向力，在派生轴向力和派生径向力的作用下，通过利用本发明差速器与螺旋轴接触面的限位作用及调整相关限滑参数来增大差速器的限滑系数，以实现差速器的限滑能力。由此，根据此原理特点，在实施例1的基础之上，通过改变其结构或增设其他元件以调整其相关限滑参数的做法均在本发明的精神和原则之内。

Claims (10)

1.一种派生力敏感式限滑差速器，包括壳体(1)以及固定连接在壳体(1)两端的左端盖(5)和右端盖(7)，在壳体(1)内分别安装有左螺旋轴(3)、左传动组(4)、右螺旋轴(2)以及右传动组(6)，其特征在于：所述的壳体(1)内设置有两个偏心孔腔(8)，右螺旋轴(2)和左螺旋轴(3)分别安装在两个偏心孔腔(8)内，所述的右螺旋轴(2)和左螺旋轴(3)均由螺旋齿(9)和外直齿(10)构成，右螺旋轴(2)和左螺旋轴(3)上的螺旋齿(9)相互啮合，所述的左传动组(4)和右传动组(6)均为罩壳结构，在左传动组(4)和右传动组(6)的内壁均设置有一圈内直齿(11)，右螺旋轴(2)以及左螺旋轴(3)上的外直齿(10)分别与右传动组(6)以及左传动组(4)上的内直齿(11)啮合。
2.根据权利要求1所述的派生力敏感式限滑差速器，其特征在于：所述偏心孔腔(8)的数量与螺旋轴的数量相等，且大于或等于2。
3.根据权利要求1所述的派生力敏感式限滑差速器，其特征在于：所述螺旋齿(9)为螺纹齿、斜齿、螺杆齿或蜗轮齿，所述传动组和螺旋轴采用直齿传动连接、斜齿传动连接或锥齿传动连接。
4.根据权利要求1所述的派生力敏感式限滑差速器，其特征在于：所述左传动组(4)和右传动组(6)的中心均开设有花键孔(12)；在左端盖(5)和右端盖(7)的中心均开设有与花键孔(12)同心的通孔(14)。
5.根据权利要求1所述的派生力敏感式限滑差速器，其特征在于：所述左端盖(5)或右端盖(7)与壳体(1)采用螺栓连接或螺纹连接，所述壳体(1)的一端设置有法兰盘(13)。
6.根据权利要求1所述的派生力敏感式限滑差速器，其特征在于：所述左端盖(5)与左传动组(4)或右端盖(7)与右传动组(6)的接触端面采用锥面定心配合或采用轴承连接定心。
7.根据权利要求1所述的派生力敏感式限滑差速器，其特征在于：所述偏心孔腔(8)中固定有定心轴(15)，在右螺旋轴(2)以及左螺旋轴(3)的中心均设置有贯穿的中心孔(16)，右螺旋轴(2)和左螺旋轴(3)上的中心孔(16)与定心轴(15)配合安装。
8.根据权利要求1所述的派生力敏感式限滑差速器，其特征在于：所述偏心孔腔(8)的底部开设有安装孔(17)，在右螺旋轴(2)以及左螺旋轴(3)的两端均设置有凸出轴(18)，在左传动组(4)和右传动组(6)的内端面开设有环形槽(19)，所述右螺旋轴(2)以及左螺旋轴(3)靠近螺旋齿(9)一端的凸出轴(18)与安装孔(17)转动连接，右螺旋轴(2)以及左螺旋轴(3)靠近外直齿(10)一端的凸出轴(18)安装在环形槽(19)内。
9.根据权利要求7或8所述的派生力敏感式限滑差速器，其特征在于：所述右螺旋轴(2)以及左螺旋轴(3)的两端均安装有碟簧或弹簧。
10.根据权利要求7或8所述的派生力敏感式限滑差速器，其特征在于：所述偏心孔腔(8)的底面与右螺旋轴(2)或左螺旋轴(3)的接触面为花纹面(20)或接触面之间增设摩擦片，右螺旋轴(2)与右传动组(6)或左螺旋轴(3)与左传动组(4)的接触面为花纹面(20)或在接触面之间增设摩擦片。
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