CN111942095B - 一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架 - Google Patents

一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,包括电涡流阻尼产生结构、磁悬浮弹簧结构和磁流变液。利用移动永磁体和固定在下工作缸的线圈永磁体之间的吸引力支撑车身重量。悬架可根据安装在活塞内的加速度传感器的实时反馈,控制线圈永磁体和励磁线圈中电流,改变线圈永磁体和移动永磁体之间作用力的大小和磁流变液的粘度特性,从而实现悬架刚度和阻尼可调。当汽车行驶在道路环境恶劣的路面上时,线圈永磁体中产生的感应电流可通过外端电路进行回收。本发明解决了悬架刚度、阻尼难以控制的难题,同时通过单流通阀实现阻尼的分级可调,提升了车辆的行驶平顺性,且能回收部分振动能量,具有较好的实用价值。

Description

一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主 动悬架
技术领域
本发明涉及一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,属于车辆悬架减振技术领域。
背景技术
电涡流阻尼产生的基本原理是:当处于局部磁场中的导体板切割磁感线时会在导体板中产生电涡流,电涡流又会产生与原磁场方向相反的新磁场,从而在原磁场和导体之间形成阻碍二者相对运动的阻尼力,同时导体板的电阻效应将导体板获得的动能通过电涡流转换为热能耗散出去,如果将导体板和振动结构相连,就可以产生结构减振与耗能的作用,成为电涡流阻尼器。
悬架是汽车车架与车桥或车轮之间一切传力连接装置的总称,其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩,并且缓冲由路面不平度传给车架或车身的冲击力,并衰减由此引起的振动,以保证汽车能平顺行驶。典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及阻尼元件等组成,轿车通常采用的弹性元件为螺旋弹簧,起到缓冲振动的作用,常用的阻尼元件为减振器,起到衰减振动的目的。随着汽车工业的发展,人们对汽车悬架的功能提出了更高的要求,希望悬架刚度、阻尼可调。当车辆行驶在坏路面时要有良好的减振效果,也就是希望悬架“软”一些,从而达到在颠簸路面上行驶时仍然具有良好的乘车舒适性,不至于造成车辆过度左右摇摆;而在好路面上,则希望悬架“硬”一些,从而实现车辆良好的高速行驶性能或使得车辆具有良好的运动风格。专利2004200325236提出一种用于中、高档越野车和赛车的可调式减振器,通过改变螺旋弹簧以及相关机械结构,实现减振器拉伸阻尼力和弹簧刚度可变,从而改善不同路况的路面对汽车的振动和冲击。但在实际应用中,人为手工调节机械结构十分不便,且不适合用于一直在运行的机构中。专利CN109138207A提出一种能量回收式电涡流阻尼器,当主体结构发生轴线方向振动时,质量块由于惯性带动导向杆与内筒同时在水平方向上移动,内筒移动通过刚性杆拉动丝杆在水平方向上发生位移,由于固定在阻尼腔内壁上的定子外壳的限制,螺母和转子发生旋转,产生电涡流抑制螺母转动并减缓丝杆的轴向移动,最终实现控制结构振动的目的。但该发明体积较大,整体结构不紧凑,且其主要应用与控制高层建筑和高耸结构的振动响应,难以运用于汽车上。而目前的大部分的被动悬架与半主动悬架的隔振性能未能达到人们的期望;主动悬架耗能过大,即便是在静态状态时,力发生器装置仍然需要消耗能量以支撑车身载荷。面对现有车辆悬架结构耗能高、抗振性差等缺点及电涡流阻尼器结构良好的抗振性,工程上迫切需要一种能够同时实现阻尼与刚度连续可调,隔振性能良好,且在一定程度上减少能耗的半主动悬架。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提出一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,既可以克服许多被动悬架及半主动悬架的刚度、阻尼连续可调难以实现的难题,同时在不同工况的路面下,可根据加速度传感器的实时反馈,灵活切换与线圈永磁体接通的电路,对部分振动能量进行回收,在一定程度上减少了能耗,且设计了结构紧凑的电涡流阻尼发生装置,提高了汽车的整体隔振性能,该悬架相对大部分主动悬架能耗较少,综合性能较优。
本发明采取的技术方案是,当汽车行驶在道路环境良好的路面上时,利用线圈永磁体和移动永磁体之间的吸引力支撑起车身,橡胶储液筒和活塞以下的下工作缸的部分含有磁流变液,且下工作缸的上外缘与橡胶储液筒之间严格密封,改变缠绕在橡胶储液筒外表面励磁线圈中的电流大小,则改变磁流变液的粘度特性,实现阻尼可调。改变线圈永磁体中电流可改变线圈永磁体和移动永磁体之间吸引力的大小,实现刚度可调。当线圈永磁体与外端电路相接时,可实现部分振动能量的回收。
一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,包括上吊环(1)、上工作缸(2)、滚珠环槽(3)、永磁体(4)、线圈永磁体(5)、移动永磁体(6)、加速度传感器(7)、磁流变液(8)、通孔(9)、下吊环(10)、单流通阀(11)、橡胶储液筒(12)、活塞(13)、励磁线圈(14)、下工作缸(15)、导体板(16)、丝杠螺母(17)、挡板(18)、滚珠丝杆结构(19)、活塞杆(20);
所述上工作缸(2)与下工作缸(15)固定连接,所述下工作缸(15)设置在橡胶储液筒(12)内,橡胶储液筒(12)底部钢板固结所述下吊环(10),所述上吊环(1)与活塞杆(20)上端固结;
所述活塞杆(20)上半部分有滚珠丝杆结构(19),所述滚珠丝杆结构(19)周围套有丝杠螺母(17),丝杠螺母(17)外沿均匀固结有多个等大导体板(16),所述丝杠螺母(17)上方设置挡板(18),所述挡板(18)与上工作缸(2)内壁固结为一体,在丝杠螺母(17)与挡板(18)及下工作缸(15)的接触面设置滚珠环槽(3),所述滚珠环槽(3)内有滚珠滚动,将丝杠螺母(17)与挡板(18)及下工作缸(15)接触面之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦,所述工作缸(2)内壁和多个等大导体板(16)之间均匀固定有多个等大永磁体(4);在下工作缸(15)上表面下方固定有所述线圈永磁体(5),且线圈永磁体(5)不随活塞杆(20)运动,所述励磁线圈(14)缠绕在下工作缸(15)外表面,所述活塞杆(20)下部分设置相对线圈永磁体(5)做轴向运动的移动永磁体(6),所述活塞杆(20)下端连接有活塞(13),所述活塞(13)内安装有加速度传感器(7),所述加速度传感器(7)用于感测活塞(13)的运动参数信号并及时反馈给第一控制电路、第二控制电路,从而及时对励磁线圈(14)和线圈永磁体(5)中的电流进行调整;
所述下工作缸(15)底部开设通孔(9)和单流通阀(11),所述橡胶储液筒(12)内和下工作缸(15)在活塞(13)以下的空间含有磁流变液(8),所述磁流变液(8)可在通孔(9)中双向流动,在单流通阀(11)中只能由下工作缸(15)单向流入橡胶储液筒(12),且严格密封,所述通孔(9)和单流通阀(11)会对磁流变液(8)的流动产生阻尼力,从而阻碍活塞(13)的运动。
当通过第二控制电路给所述线圈永磁体(5)通以电流时,所述线圈永磁体(5)和移动永磁体(6)之间的相互吸引力增大,实现悬架的刚度可调;当通过第一控制电路给所述励磁线圈(14)通以电流时,励磁线圈(14)周围的磁感应强度发生变化,从而改变磁流变液(8)的粘度特性,实现悬架阻尼的连续可调;当活塞杆(20)带动移动永磁体(6)与线圈永磁体(5)发生相对运动时,可通过外端电路对线圈永磁体(5)中产生感应电流进行回收,实现对悬架振动能量的回收贮存。
进一步,所述挡板(18)上表面、下工作缸(15)上表面和上工作缸(2)外壁覆盖有电磁屏蔽材料,防止均匀固定在上工作缸(2)内壁的永磁体(4)影响周围其他部件正常工作,提高电磁兼容特性。
进一步,所述励磁线圈(14)和线圈永磁体(5)中的电流分别由第一控制电路和第二控制电路调控,两个控制电路根据安装在活塞(13)内的加速度传感器(7)反馈的运动参数信号分别调整和控制励磁线圈(14)和线圈永磁体(5)中的电流,从而改变线圈永磁体(5)和移动永磁体(6)之间作用力的大小及磁流变液(8)的粘度特性,实现刚度和阻尼可调;所述线圈永磁体(5)中产生的感应电流可通过外端电路进行能量回收。
进一步,所述线圈永磁体(5)和移动永磁体(6)为轴向充磁的圆环状永磁体,且线圈永磁体(5)和移动永磁体(6)的相互作用力始终为吸引力。
进一步,所述励磁线圈(14)在下工作缸(15)外壁的缠绕位置与移动永磁体(6)在下工作缸(15)内的移动范围相对应。
进一步,所述导体板(16)为矩形铜质薄板;所述橡胶储液筒(12)的主要材料是天然橡胶和聚四氟乙烯。
进一步,所述下工作缸(15)底部厚度较侧面厚;
所述上工作缸(2)在挡板(18)以下空间中分布的磁场为非中心放射型磁场。
进一步,所述导体板(18)在跟随丝杠螺母(17)旋转时,导体板(18)上的磁通量发生变化,产生电涡流,将丝杠螺母(17)的动能转化为热能,同时电涡流产生磁场,与周围永磁体(4)之间产生电磁阻尼,从而通过滚珠丝杆结构(19)的传动阻碍活塞杆(20)的振动。
进一步,所述下工作缸(15)的上外缘与橡胶储液筒(12)之间严格密封。
进一步,当活塞(13)下移进行压缩行程时,磁流变液(8)可通过通孔(9)和单流通阀(11)压入橡胶储液筒,提供小阻尼;当活塞(13)上移进行伸张运动时,由于单流通阀(11)单向流动的特性,此时磁流变液(8)只能通过通孔(9)流入下工作缸(15),提供大阻尼,从而实现阻尼的分级可调。
本发明的有益效果是:当线圈永磁体与第二控制电路接通,通过控制线圈永磁体中的电流,改变线圈永磁体和移动永磁体之间的吸引力大小,实现悬架的刚度可调。当励磁线圈与第一控制电路接通时,通过改变励磁线圈中的电流,改变励磁线圈周围的磁感应强度,从而改变磁流变液的粘度特性,实现悬架阻尼连续可调;由于单流通阀的单向流动特性,在活塞进行压缩行程和伸张行程时可分别提供小阻尼和大阻尼,实现悬架阻尼的分级可调。当线圈永磁体与外端电路接通时,活塞杆带动移动永磁体与线圈永磁体发生相对运动,使得线圈永磁体中产生感应电流,通过外端电路可对此能量进行回收,实现对部分振动能量的回收贮存。该悬架所包含的电涡流阻尼产生结构具有结构紧凑、非接触、无机械摩擦和磨损等特点,且提高了汽车在不同工况下的整体平顺性。本发明克服了悬架刚度、阻尼难以控制以及电涡流阻尼器体积大、整体结构不紧凑的难题,同时有效提高了隔振性能,提升了车辆的行驶平顺性和操作稳定性且能回收部分振动能量,具有有益的工程应用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架示意图。
图2是固结有导体板的丝杠螺母示意图。
图3是永磁体的分布示意图。
附图标记说明如下:
1.上吊环,2.上工作缸,3.滚珠环槽,4.永磁体,5.线圈永磁体,6.移动永磁体,7.加速度传感器,8.磁流变液,9.通孔,10.下吊环,11.单流通阀,12.橡胶储液筒,13.活塞,14.励磁线圈,15.下工作缸,16.导体板,17.丝杠螺母,18.挡板,19.滚珠丝杆结构,20.活塞杆。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,需要指出的是,下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述,但本发明的保护范围并不限于此。
参见图1-图3说明本实施方式。一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,包括上吊环1、上工作缸2、滚珠环槽3、永磁体4、线圈永磁体5、移动永磁体6、加速度传感器7、磁流变液8、通孔9、下吊环10、单流通阀11、橡胶储液筒12、活塞13、励磁线圈14、下工作缸15、导体板16、丝杠螺母17、挡板18、滚珠丝杆结构19和活塞杆20;所述上吊环1与活塞杆20上端固结,所述上工作缸2与下工作杠15连接,所述下工作缸15内轴向中间位置装有活塞杆20,所述活塞杆20上部有滚珠丝杆结构19,所述滚珠丝杆结构19外周套有丝杠螺母17,所述丝杠螺母17上固结六个等大导体板16,所述挡板18位于丝杠螺母17正上方,且与上工作缸2内壁固结,所述挡板18及上工作缸2下表面均与丝杠螺母17之间设置滚珠环槽3,所述六块等大永磁体4均匀分布在挡板18以下的上工作缸2内壁,所述线圈永磁体5固定在下工作缸15上表面下方,线圈永磁体5套在活塞杆20外圈且线圈永磁体5不随活塞杆20运动,所述移动永磁体6固定在活塞杆20下部分且随着活塞杆20做轴向运动,所述活塞杆20下端与活塞13连接,所述活塞13内安装有加速度传感器7,所述励磁线圈14缠绕在下工作缸15外壁,励磁线圈14的轴向长度与移动永磁体6的轴向运动范围一致,所述下工作缸15设置在橡胶储液筒12内,且下工作缸15的上外缘与橡胶储液筒12严格密封,所述橡胶储液筒12内和活塞13以下的下工作缸15空间内含有磁流变液8,所述下工作缸15底部开设通孔9和单流通阀11,所述通孔9实现了磁流变液8在下工作缸15和橡胶储液筒12之间的双向流动,所述单流通阀11只允许磁流变液8从下工作缸15向橡胶储液筒12的单向流动,所述下吊环10与橡胶储液筒12底部钢板固结。所述上吊环1与车身相连,所述下吊环10与车轮相连,由此完成一种磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架的安装。
当汽车行驶在道路环境良好的路面上时,第一控制电路和励磁线圈14相连,当励磁线圈14通以电流,使励磁线圈14周围磁感应强度变化,从而改变了磁流变液8的粘度特性,实现阻尼连续可调,磁流变液8粘度改变实现的可调阻尼范围为[-1000,1000]Ns/m;第二控制电路和线圈永磁体5相连,当线圈永磁体5通以电流,使移动永磁体6和线圈永磁体5之间的相互吸引力增大,可提供大刚度,保证汽车具有良好的操纵性。此时,悬架在大刚度、阻尼连续可调的条件下工作。
作为本发明的一个具体实施例,本发明的多个等大永磁体4为6个均匀环绕的马鞍状永磁体;多个等大导体板16也为6个均匀设置在丝杠螺母17一周的导体板16。
当汽车行驶在道路环境恶劣的路面上时,与线圈永磁体5相连的第二控制电路不工作,线圈永磁体5中产生的感应电流通过外端电路对悬架的振动能量进行回收,悬架在小刚度、馈能和阻尼可调的条件下工作。
(1)当车轮移近车身,活塞13下移进行压缩行程时,活塞13将磁流变液8通过通孔9和单流通阀11压入橡胶储液筒,可提供小阻尼。活塞杆20的轴向运动通过滚珠丝杆结构19转化为固结有导体板16的丝杠螺母17的高速转动,导体板16与永磁体4发生相对运动,切割磁感线,导致磁通量发生变化,从而产生电涡流,丝杠螺母17受到电磁阻尼,其转动受到阻碍,使得活塞杆20受到阻尼力,对外表现为活塞杆20动能越来越小,产生的涡流以热能的形式消耗掉,此时电涡流阻尼与油液阻尼耦合而成的压缩行程阻尼为2000Ns/m。第一控制电路和励磁线圈14相连,当励磁线圈14通以电流,使励磁线圈14周围磁感应强度变化,从而改变了磁流变液8的粘度特性,实现阻尼连续可调,磁流变液8粘度改变实现的可调阻尼范围为[-1000,1000]Ns/m,此时压缩行程悬架的阻尼可调范围为[1000,3000]Ns/m;
(2)当车轮移开车身,活塞13上移进行伸张运动时,由于单流通阀11单向流动的特性,此时磁流变液8只能通过通孔9流入下工作缸15,可提供大的拉伸阻尼。活塞杆20的轴向运动通过滚珠丝杆结构19转化为固结有导体板16的丝杠螺母17的高速转动,导体板16与永磁体4发生相对运动,切割磁感线,导致磁通量发生变化,从而产生电涡流,丝杠螺母17受到电磁阻尼,其转动受到阻碍,使得活塞杆20受到阻尼力,对外表现为活塞杆20动能越来越小,产生的涡流以热能的形式消耗掉,此时电涡流阻尼与油液阻尼耦合而成的拉伸行程阻尼为5000Ns/m。第一控制电路和励磁线圈14相连,当励磁线圈14通以电流,使励磁线圈14周围磁感应强度变化,从而改变了磁流变液8的粘度特性,实现阻尼连续可调,磁流变液8粘度改变实现的可调阻尼范围为[-1000,1000]Ns/m,此时压缩行程悬架的阻尼可调范围为[4000,6000]Ns/m。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,其特征在于:包括上吊环(1)、上工作缸(2)、滚珠环槽(3)、永磁体(4)、线圈永磁体(5)、移动永磁体(6)、加速度传感器(7)、磁流变液(8)、通孔(9)、下吊环(10)、单流通阀(11)、橡胶储液筒(12)、活塞(13)、励磁线圈(14)、下工作缸(15)、导体板(16)、丝杠螺母(17)、挡板(18)、滚珠丝杆结构(19)、活塞杆(20);
所述上工作缸(2)与下工作缸(15)固定连接,所述下工作缸(15)设置在橡胶储液筒(12)内,橡胶储液筒(12)底部钢板固结所述下吊环(10),所述上吊环(1)与活塞杆(20)上端固结;
所述活塞杆(20)上半部分有滚珠丝杆结构(19),所述滚珠丝杆结构(19)周围套有丝杠螺母(17),丝杠螺母(17)外沿均匀固结有多个等大导体板(16),所述丝杠螺母(17)上方设置挡板(18),所述挡板(18)与上工作缸(2)内壁固结为一体,在丝杠螺母(17)与挡板(18)及下工作缸(15)的接触面设置滚珠环槽(3),所述滚珠环槽(3)内有滚珠滚动,将丝杠螺母(17)与挡板(18)及下工作缸(15)接触面之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦,所述上工作缸(2)内壁和多个等大导体板(16)之间均匀固定有多个等大永磁体(4);所述上工作缸(2)在挡板(18)以下空间中分布的磁场为非中心放射型磁场;
在下工作缸(15)上表面下方固定有所述线圈永磁体(5),且线圈永磁体(5)不随活塞杆(20)运动,所述励磁线圈(14)缠绕在下工作缸(15)外表面,所述活塞杆(20)下部分设置相对线圈永磁体(5)做轴向运动的移动永磁体(6),所述活塞杆(20)下端连接有活塞(13),所述活塞(13)内安装有加速度传感器(7),所述加速度传感器(7)用于感测活塞(13)的运动参数信号并及时反馈给第一控制电路、第二控制电路,从而及时对励磁线圈(14)和线圈永磁体(5)中的电流进行调整;
所述下工作缸(15)底部开设通孔(9)和单流通阀(11),所述橡胶储液筒(12)内和下工作缸(15)在活塞(13)以下的空间含有磁流变液(8),所述磁流变液(8)可在通孔(9)中双向流动,在单流通阀(11)中只能由下工作缸(15)单向流入橡胶储液筒(12),且严格密封,所述通孔(9)和单流通阀(11)会对磁流变液(8)的流动产生阻尼力,从而阻碍活塞(13)的运动;当活塞(13)下移进行压缩行程时,磁流变液(8)可通过通孔(9)和单流通阀(11)压入橡胶储液筒,提供小阻尼;当活塞(13)上移进行伸张运动时,由于单流通阀(11)单向流动的特性,此时磁流变液(8)只能通过通孔(9)流入下工作缸(15),提供大阻尼,从而实现阻尼的分级可调;
当通过第二控制电路给所述线圈永磁体(5)通以电流时,所述线圈永磁体(5)和移动永磁体(6)之间的相互吸引力增大,实现悬架的刚度可调;当通过第一控制电路给所述励磁线圈(14)通以电流时,励磁线圈(14)周围的磁感应强度发生变化,从而改变磁流变液(8)的粘度特性,实现悬架阻尼的连续可调;当活塞杆(20)带动移动永磁体(6)与线圈永磁体(5)发生相对运动时,可通过外端电路对线圈永磁体(5)中产生感应电流进行回收,实现对悬架振动能量的回收贮存;
所述导体板(16)在跟随丝杠螺母(17)旋转时,导体板(16)上的磁通量发生变化,产生电涡流,将丝杠螺母(17)的动能转化为热能,同时电涡流产生磁场,与周围永磁体(4)之间产生电磁阻尼,从而通过滚珠丝杆结构(19)的传动阻碍活塞杆(20)的振动。
2.根据权利要求1所述的一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,其特征在于:所述挡板(18)上表面、下工作缸(15)上表面和上工作缸(2)外壁覆盖有电磁屏蔽材料,防止均匀固定在上工作缸(2)内壁的永磁体(4)影响周围其他部件正常工作,提高电磁兼容特性。
3.根据权利要求1所述的一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,其特征在于:所述线圈永磁体(5)和移动永磁体(6)为轴向充磁的圆环状永磁体,且线圈永磁体(5)和移动永磁体(6)的相互作用力始终为吸引力。
4.根据权利要求1所述的一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,其特征在于:所述励磁线圈(14)在下工作缸(15)外壁的缠绕位置与移动永磁体(6)在下工作缸(15)内的移动范围相对应。
5.根据权利要求1所述的一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,其特征在于:所述导体板(16)为矩形铜质薄板;所述橡胶储液筒(12)的主要材料是天然橡胶和聚四氟乙烯。
6.根据权利要求1所述的一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,其特征在于:所述下工作缸(15)底部厚度较侧面厚。
7.根据权利要求1所述的一种新能源车用磁悬浮弹簧和电涡流阻尼器耦合的车辆半主动悬架,其特征在于:所述下工作缸(15)的上外缘与橡胶储液筒(12)之间严格密封。
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