CN110601593A - 一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器 - Google Patents

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高强
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Abstract

一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器,以解决当前压电粘滑直线马达装配复杂,行程短,精度低等技术问题。本发明由基座、直线驱动定子和直线动子组成;所述直线驱动定子安装在基座上,所述直线动子下端固定安装于基座的侧面,所述直线动子上端与直线驱动定子接触。本发明的直线驱动定子采用六边形缩放机构的驱动方式,利用六边形收缩变形特性,调整直线驱动定子与直线动子间接触的正压力,实现对驱动器驱动过程的摩擦力的综合调控,提高压电直线驱动器的驱动步效率,六边形缩放机构通过楔形表面可实现直线动子的自定心功能。本发明具有装配简单、输出推力大、精度高和行程大等特点,在微纳精密驱动与定位技术领域具有很好的应用前景。

Description

一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器
技术领域
本发明涉及一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器,属于微纳精密驱动与定位技术领域。
背景技术
压电直线驱动器是利用压电材料的逆压电效应实现精密输出运动的新型驱动装置。压电元件具有稳定性好、响应迅速、定位精确、能量转化率高、驱动力大等优点,常用的压电材料适于被加工成各种形状,而且经过特殊工艺制造的由多层压电陶瓷片构成的压电堆叠具有十分优良的性能,因此适合被应用到超精密定位技术领域中。由于压电驱动的诸多优势所在,压电精密微驱动技术己成为国内外学者研究的重点。
压电直线驱动器主要是将非对称激励电信号施加于压电元件,激发振子产生快慢交替的运动变形,控制振子与动子在“粘”和“滑”两种运动状态之间相互转换,利用振子与动子间的摩擦力驱动动子实现机械运动输出。现有的压电直线驱动器虽然能通过调整定子与动子间接触的正压力,实现对整个粘滑驱动过程中摩擦力的综合调控,但存在着装配复杂,行程短,精度低等技术问题,很大程度上限制了压电直线驱动器的应用与发展。鉴于上述缺陷,设计出一种装配简单、精度高和行程大的压电直线驱动器是至关重要的。
发明内容
为解决已有压电直线驱动器装配复杂、精度较低和行程较小等技术问题,本发明公开了一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器。
本发明所采用的技术方案:
为达到上述目的,本发明提供一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器,所述上置定子式自定心微纳压电直线驱动器由基座、直线驱动定子和直线动子组成;所述直线驱动定子安装在基座上;所述直线动子下端固定安装于基座的侧面,所述直线动子上端与直线驱动定子接触。
所述基座包括定子安装孔、弹簧下限位槽、固定导轨安装台、固定导轨限位面、固定导轨安装螺纹孔、燕尾槽Ⅰ、燕尾槽Ⅱ、锁紧螺纹孔和加载限位面;所述定子安装孔与锁紧螺栓螺纹连接,弹簧置于弹簧下限位槽内,固定导轨安装台侧面均匀分布固定导轨安装螺纹孔,所述固定导轨安装螺纹孔安装固定导轨螺栓;所述固定导轨限位面上放置有直线动子;所述燕尾槽Ⅰ、燕尾槽Ⅱ用于装配六边形缩放机构,限定六边形缩放机构的运动;所述锁紧螺纹孔与锁紧螺栓通过螺纹连接;加载限位面与加载滑动面接触。
所述直线驱动定子包括预紧螺栓、垫片、压电堆叠、六边形缩放机构、加载螺栓、锁紧螺栓和弹簧;所述压电堆叠与垫片接触,通过预紧螺栓固定在六边形缩放机构中;所述加载螺栓与六边形缩放机构、弹簧装配并与定子安装孔采用螺纹连接,通过调节加载螺栓可实现对直线驱动定子和直线动子之间预紧力的调节,所述锁紧螺栓穿过锁紧调节槽与锁紧螺纹孔通过螺纹装配,当预紧力达到目标值时,通过调节锁紧螺栓实现对直线驱动定子和基座之间的锁紧。
所述六边形缩放机构包括垫片限位槽、前端部横梁、夹钳表面Ⅰ、弹簧上限位槽、加载通孔、加载滑动面、燕尾凸台Ⅰ、后端部横梁、直圆型柔性铰链、连接梁、锁紧调节槽、堆叠限位面、夹钳表面Ⅱ、预紧螺纹孔、燕尾凸台Ⅱ;所述垫片限位槽用于安装垫片;所述连接梁两端设有直圆型柔性铰链,直圆型柔性铰链连接前端部横梁和后端部横梁以形成一个六边形铰链结构;所述夹钳表面Ⅰ、夹钳表面Ⅱ与直线动子接触,通过接触面间的摩擦力进行驱动;所述弹簧上限位槽与弹簧进行装配,对弹簧进行限位;所述加载通孔用于安装加载螺栓;所述加载滑动面与加载限位面接触;所述燕尾凸台Ⅰ与燕尾槽Ⅰ安装配合;所述锁紧调节槽用于安装锁紧螺栓;所述堆叠限位面与压电堆叠接触;预紧螺栓与预紧螺纹孔螺纹连接;燕尾凸台Ⅰ与燕尾凸台Ⅱ安装在燕尾槽Ⅰ、燕尾槽Ⅱ之间。所述直线动子包括滑动块、滑动导轨螺栓、滑动导轨、固定导轨、滚柱支架和固定导轨螺栓;所述滑动导轨螺栓将滑动导轨通过螺纹连接固定在滑动块上;所述固定导轨螺栓通过与固定导轨安装螺纹孔螺纹连接将固定导轨固定在基座上;所述滚柱支架装配在滑动导轨和固定导轨之间。
所述滑动块包括滑动导轨安装台、滑动导轨安装螺纹孔、滑动导轨限位面、夹持面Ⅰ、夹持面Ⅱ;所述滑动导轨安装台用于滑动导轨定位,所述滑动导轨安装螺纹孔与滑动导轨螺栓通过螺纹连接;所述滑动导轨限位面与滑动导轨底面接触;所述夹持面Ⅰ与夹钳表面Ⅰ接触;所述夹持面Ⅱ与夹钳表面Ⅱ接触;所述滑动导轨包括滑动导轨底面、滑动导轨通孔;所述滑动导轨底面与滑动导轨限位面接触;所述滑动导轨通孔与固定导轨螺栓安装配合,固定导轨螺栓将滑动导轨固定在滑动块上;所述固定导轨包括固定导轨安装孔、固定导轨底面;所述固定导轨安装孔与固定导轨螺栓安装配合,固定导轨螺栓将固定导轨通过螺纹连接固定在基座上;所述固定导轨底面与固定导轨限位面接触。
所述直线驱动定子的六边形缩放机构采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料;所述垫片采用钨钢片材料;所述滑动导轨螺栓和固定导轨采用不锈钢材料;所述夹钳面Ⅰ与夹钳表面Ⅰ、夹钳面Ⅱ与夹钳表面Ⅱ之间涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。
本发明的有益效果:
本发明的直线驱动定子采用六边形缩放机构的驱动方式,利用六边形收缩变形特性,使得六边形缩放机构夹紧直线动子,调整直线驱动定子与直线动子间接触的正压力,增加了直线驱动定子与直线动子间的摩擦驱动力,减少了直线驱动定子与直线动子间的摩擦阻力,实现对压电直线驱动器驱动过程的摩擦力的综合调控,提高压电直线驱动器的驱动步效率,六边形缩放机构通过楔形表面可实现直线动子的自定心功能。与当前现有技术相比,本发明具有结构简单、易于装配、可自定心、输出推力大、精度高和行程大等特点,在微纳精密驱动与定位技术领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的结构示意图;
图2所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的基座结构示意图Ⅰ;
图3所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的基座结构示意图Ⅱ;
图4所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的直线驱动定子示意图;
图5所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的六边形缩放机构结构示意图Ⅰ;
图6所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的六边形缩放机构结构示意图Ⅱ;
图7所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的六边形缩放机构结构示意图Ⅲ;
图8所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的直线动子结构示意图;
图9所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的滑动块结构示意图Ⅰ;
图10所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的滑动块结构示意图Ⅱ;
图11所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的滑动导轨结构示意图;
图12所示为本发明提出的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的固定导轨结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1~图12说明本实施方式,本实施方式提供了一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的具体实施方式,所述一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器的具体实施方式表述如下:
所述一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器由基座1、直线驱动定子2和直线动子3组成;所述直线驱动定子2安装在基座1上;所述直线动子3下端固定安装于基座1的侧面,所述直线动子3上端与直线驱动定子2接触。
所述基座1包括定子安装孔1-1、弹簧下限位槽1-2、固定导轨安装台1-3、固定导轨限位面1-4、固定导轨安装螺纹孔1-5、燕尾槽Ⅰ1-6、燕尾槽Ⅱ1-7、锁紧螺纹孔1-8和加载限位面1-9;所述定子安装孔1-1与锁紧螺栓2-6螺纹连接,弹簧2-7置于弹簧下限位槽1-2内,固定导轨安装台1-3侧面均匀分布固定导轨安装螺纹孔1-5,所述固定导轨安装螺纹孔1-5安装固定导轨螺栓3-6;所述固定导轨限位面1-4上放置有直线动子3;所述燕尾槽Ⅰ1-6、燕尾槽Ⅱ1-7用于装配六边形缩放机构2-4,限定六边形缩放机构2-4的运动;所述锁紧螺纹孔1-8与锁紧螺栓2-6通过螺纹连接;加载限位面1-9与加载滑动面2-4-6接触。
所述直线驱动定子2包括预紧螺栓2-1、垫片2-2、压电堆叠2-3、六边形缩放机构2-4、加载螺栓2-5、锁紧螺栓2-6和弹簧2-7;所述压电堆叠2-3与垫片2-2接触,通过预紧螺栓2-1固定在六边形缩放机构2-4中;所述加载螺栓2-5穿过六边形缩放机构2-4、弹簧2-7并与定子安装孔1-1螺纹连接,通过调节加载螺栓2-5可实现对直线驱动定子2和直线动子3之间预紧力的调节,所述锁紧螺栓2-6穿过锁紧调节槽2-4-11与锁紧螺纹孔1-8通过螺纹装配,当预紧力达到目标值时,通过调节锁紧螺栓2-6实现对直线驱动定子2和基座1之间的锁紧。
所述六边形缩放机构2-4包括垫片限位槽2-4-1、前端部横梁2-4-2、夹钳表面Ⅰ2-4-3、弹簧上限位槽2-4-4、加载通孔2-4-5、加载滑动面2-4-6、燕尾凸台Ⅰ2-4-7、后端部横梁2-4-8、直圆型柔性铰链2-4-9、连接梁2-4-10、锁紧调节槽2-4-11、堆叠限位面2-4-12、夹钳表面Ⅱ2-4-13、预紧螺纹孔2-4-14、燕尾凸台Ⅱ2-4-15;所述垫片限位槽2-4-1用于安装垫片2-2;所述连接梁2-4-10两端设有直圆型柔性铰链2-4-9,所述直圆型柔性铰链2-4-9的圆弧半径为R,其中R的取值范围为0.3mm~0.8mm,本实施方式中圆弧半径R=0.75mm,直圆型柔性铰链2-4-9连接前端部横梁2-4-2和后端部横梁2-4-8以形成一个六边形铰链结构;所述夹钳表面Ⅰ2-4-3、夹钳表面Ⅱ2-4-13与直线动子3接触,通过接触面间的摩擦力进行驱动;所述弹簧上限位槽2-4-4与弹簧2-7进行装配,对弹簧2-7进行限位;所述加载通孔2-4-5用于安装加载螺栓2-5;所述加载滑动面2-4-6与加载限位面1-9接触;所述燕尾凸台Ⅰ2-4-7与燕尾槽Ⅱ1-7安装配合;所述锁紧调节槽2-4-11用于安装锁紧螺栓2-6;所述堆叠限位面2-4-12与压电堆叠2-3接触;预紧螺栓2-1与预紧螺纹孔2-4-14螺纹连接;燕尾凸台Ⅰ2-4-7与燕尾凸台Ⅱ2-4-15安装在燕尾槽Ⅰ1-6、燕尾槽Ⅱ1-7之间。
所述直线动子3包括滑动块3-1、滑动导轨螺栓3-2、滑动导轨3-3、固定导轨3-4、滚柱支架3-5和固定导轨螺栓3-6;所述滑动导轨螺栓3-2将滑动导轨3-3通过螺纹连接固定在滑动块3-1上;所述固定导轨螺栓3-6通过与固定导轨安装螺纹孔1-5螺纹连接将固定导轨3-4固定在基座1上;所述滚柱支架3-5装配在滑动导轨3-3和固定导轨3-4之间。
所述滑动块3-1包括滑动导轨安装台3-1-1、滑动导轨安装螺纹孔3-1-2、滑动导轨限位面3-1-3、夹持面Ⅰ3-1-4、夹持面Ⅱ3-1-5;所述滑动导轨安装台3-1-1侧面设有滑动导轨安装螺纹孔3-1-2,所述滑动导轨安装螺纹孔3-1-2与滑动导轨螺栓3-2通过螺纹连接;所述滑动导轨限位面3-1-3与滑动导轨底面3-3-1接触;所述夹持面Ⅰ3-1-4与夹钳表面Ⅰ2-4-3接触;所述夹持面Ⅱ3-1-5与夹钳表面Ⅱ2-4-13接触;所述滑动导轨3-3包括滑动导轨底面3-3-1、滑动导轨通孔3-3-2;所述滑动导轨底面3-3-1与滑动导轨限位面3-1-3接触;所述滑动导轨通孔3-3-2与滑动导轨螺栓3-2安装配合,滑动导轨螺栓3-2将滑动导轨3-3固定在滑动块3-1上;所述固定导轨3-4包括固定导轨安装孔3-4-1、固定导轨底面3-4-2;所述固定导轨安装孔3-4-1与固定导轨螺栓3-6安装配合,固定导轨螺栓3-6将固定导轨3-4通过螺纹连接固定在基座1上;所述固定导轨底面3-4-2与固定导轨限位面1-4接触。
所述直线驱动定子2的六边形缩放机构2-4采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料;所述垫片2-2采用钨钢片材料;所述滑动导轨3-3和固定导轨3-4采用不锈钢材料;所述夹钳面Ⅰ3-1-4与夹钳表面Ⅰ2-4-3、夹钳面Ⅱ3-1-5与夹钳表面Ⅱ2-4-13之间涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。
工作原理:
所述一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器采用六边形缩放机构,利用六边形收缩变形特性,向压电堆叠通入锯齿波电信号,使其轴向伸长,使得压电堆叠的变形带动六边形缩放机构在平行于压电堆叠伸长的方向向外同步伸长变形,同时六边形缩放机构在垂直于压电堆叠伸长的方向向内收缩变形,进而使得直线驱动定子的六边形缩放机构驱动直线动子沿着固定导轨方向移动以实现驱动定位。其中,在压电堆叠带动六边形缩放机构缓慢收缩阶段,六边形缩放机构的夹钳表面和滑动块的夹持面在静摩擦力作用下产生缓慢的“粘”运动,此时六边形缩放机构和滑动块一起向前运动一大步;在压电堆叠带动六边形缩放机构快速恢复变形阶段,六边形缩放机构和滑动块在动摩擦力作用下产生快速的“滑”运动,此时六边形缩放机构恢复原始形态,而滑动块仅向后回退一小步,重复上述步骤达到直线动子连续步进运动的目的。
综合上述内容,本发明的直线驱动定子采用六边形缩放机构的驱动方式,利用六边形收缩变形特性,使得六边形缩放机构夹紧直线动子,调整直线驱动定子与直线动子间接触的正压力,增加了直线驱动定子与直线动子间的摩擦驱动力,减少了直线驱动定子与直线动子间的摩擦阻力,实现对压电直线驱动器驱动过程的摩擦力的综合调控,提高压电直线驱动器的驱动步效率,六边形缩放机构通过楔形表面可实现直线动子的自定心功能。与当前现有技术相比,本发明具有结构简单、易于装配、可自定心、输出推力大、精度高和行程大等特点,在微纳精密驱动与定位技术领域具有很好的应用前景。

Claims (7)

1.一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器,其特征在于:该上置定子式自定心微纳压电直线驱动器由基座(1)、直线驱动定子(2)和直线动子(3)组成;所述直线驱动定子(2)安装在基座(1)上;所述直线动子(3)下端固定安装于基座(1)的侧面,所述直线动子(3)上端与直线驱动定子(2)接触。
2.根据权利要求1所述的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器,其特征在于:所述基座(1)包括定子安装孔(1-1)、弹簧下限位槽(1-2)、固定导轨安装台(1-3)、固定导轨限位面(1-4)、固定导轨安装螺纹孔(1-5)、燕尾槽Ⅰ(1-6)、燕尾槽Ⅱ(1-7)、锁紧螺纹孔(1-8)和加载限位面(1-9);所述定子安装孔(1-1)与锁紧螺栓(2-6)螺纹连接,弹簧(2-7)置于弹簧下限位槽(1-2)内,固定导轨安装台(1-3)侧面均匀分布固定导轨安装螺纹孔(1-5),所述固定导轨安装螺纹孔(1-5)安装固定导轨螺栓(3-6);所述固定导轨限位面(1-4)上放置有直线动子(3);所述燕尾槽Ⅰ(1-6)、燕尾槽Ⅱ(1-7)与六边形缩放机构(2-4)装配;所述锁紧螺纹孔(1-8)与锁紧螺栓(2-6)通过螺纹连接;加载限位面(1-9)与加载滑动面(2-4-6)接触。
3.根据权利要求1所述的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器,其特征在于:所述直线驱动定子(2)包括预紧螺栓(2-1)、垫片(2-2)、压电堆叠(2-3)、六边形缩放机构(2-4)、加载螺栓(2-5)、锁紧螺栓(2-6)和弹簧(2-7);所述压电堆叠(2-3)与垫片(2-2)接触,通过预紧螺栓(2-1)固定在六边形缩放机构(2-4)中;所述加载螺栓(2-5)与六边形缩放机构(2-4)、弹簧(2-7)装配并与定子安装孔(1-1)采用螺纹连接,所述锁紧螺栓(2-6)穿过锁紧调节槽(2-4-11)与锁紧螺纹孔(1-8)通过螺纹装配。
4.根据权利要求3所述的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器,其特征在于:所述六边形缩放机构(2-4)包括垫片限位槽(2-4-1)、前端部横梁(2-4-2)、夹钳表面Ⅰ(2-4-3)、弹簧上限位槽(2-4-4)、加载通孔(2-4-5)、加载滑动面(2-4-6)、燕尾凸台Ⅰ(2-4-7)、后端部横梁(2-4-8)、直圆型柔性铰链(2-4-9)、连接梁(2-4-10)、锁紧调节槽(2-4-11)、堆叠限位面(2-4-12)、夹钳表面Ⅱ(2-4-13)、预紧螺纹孔(2-4-14)、燕尾凸台Ⅱ(2-4-15);所述垫片限位槽(2-4-1)用于安装垫片(2-2);所述连接梁(2-4-10)两端设有直圆型柔性铰链(2-4-9),直圆型柔性铰链(2-4-9)连接前端部横梁(2-4-2)和后端部横梁(2-4-8)以形成一个六边形铰链结构;所述夹钳表面Ⅰ(2-4-3)、夹钳表面Ⅱ(2-4-13)与直线动子(3)接触;所述弹簧上限位槽(2-4-4)与弹簧(2-7)进行装配,对弹簧(2-7)进行限位;所述加载螺栓(2-5)与加载通孔(2-4-5)螺纹连接;所述加载滑动面(2-4-6)与加载限位面(1-9)接触;所述燕尾凸台Ⅰ(2-4-7)与燕尾槽Ⅰ(1-6)安装配合;所述锁紧调节槽(2-4-11)安装锁紧螺栓(2-6);所述堆叠限位面(2-4-12)与压电堆叠(2-3)接触;预紧螺栓(2-1)与预紧螺纹孔(2-4-14)螺纹连接;燕尾凸台Ⅰ(2-4-7)与燕尾凸台Ⅱ(2-4-15)安装在燕尾槽Ⅰ(1-6)、燕尾槽Ⅱ(1-7)之间。
5.根据权利要求1所述的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器,其特征在于:所述直线动子(3)包括滑动块(3-1)、滑动导轨螺栓(3-2)、滑动导轨(3-3)、固定导轨(3-4)、滚柱支架(3-5)和固定导轨螺栓(3-6);所述滑动导轨螺栓(3-2)将滑动导轨(3-3)通过螺纹连接固定在滑动块(3-1)上;所述固定导轨螺栓(3-6)通过与固定导轨安装螺纹孔(1-5)螺纹连接将固定导轨(3-4)固定在基座(1)上;所述滚柱支架(3-5)装配在滑动导轨(3-3)和固定导轨(3-4)之间。
6.根据权利要求5所述的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器,其特征在于:所述滑动块(3-1)包括滑动导轨安装台(3-1-1)、滑动导轨安装螺纹孔(3-1-2)、滑动导轨限位面(3-1-3)、夹持面Ⅰ(3-1-4)、夹持面Ⅱ(3-1-5);所述滑动导轨安装台(3-1-1)定位滑动导轨(3-3),所述滑动导轨安装螺纹孔(3-1-2)与滑动导轨螺栓(3-2)通过螺纹连接;所述滑动导轨限位面(3-1-3)与滑动导轨底面(3-3-1)接触;所述夹持面Ⅰ(3-1-4)与夹钳表面Ⅰ(2-4-3)接触;所述夹持面Ⅱ(3-1-5)与夹钳表面Ⅱ(2-4-13)接触;所述滑动导轨(3-3)包括滑动导轨底面(3-3-1)、滑动导轨通孔(3-3-2);所述滑动导轨底面(3-3-1)与滑动导轨限位面(3-1-3)接触;所述滑动导轨通孔(3-3-2)与固定导轨螺栓(3-6)安装配合,固定导轨螺栓(3-6)将滑动导轨(3-3)固定在滑动块(3-1)上;所述固定导轨(3-4)包括固定导轨安装孔(3-4-1)、固定导轨底面(3-4-2);所述固定导轨安装孔(3-4-1)与固定导轨螺栓(3-6)安装配合,固定导轨螺栓(3-6)将固定导轨(3-4)通过螺纹连接固定在基座(1)上;所述固定导轨底面(3-4-2)与固定导轨限位面(1-4)接触。
7.根据权利要求3或5或6所述的一种上置定子式自定心微纳压电直线驱动器,其特征在于:所述六边形缩放机构(2-4)采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料;所述垫片(2-2)采用钨钢片材料;所述滑动导轨螺栓(3-2)和固定导轨(3-4)采用不锈钢材料;所述夹钳面Ⅰ(3-1-4)与夹钳表面Ⅰ(2-4-3)、夹钳面Ⅱ(3-1-5)与夹钳表面Ⅱ(2-4-13)之间涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。
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