CN114165092A - 一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑抗震、减震领域，具体涉及一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，包括解耦系统、水平隔振系统和竖向隔振系统，水平隔振系统为摩擦摆支座机构，竖向隔振系统和摩擦摆支座机构竖向中心线保持一致；摩擦摆支座机构与上部结构相连；竖向隔振系统设置于摩擦摆支座机构下方与基础相连。本发明通过解耦的方式连接惯容隔振系统和摩擦摆支座以实现三维隔振。通过将螺旋弹簧和惯容系统并联可实现有效的竖向隔振，而摩擦摆支座能发挥水平隔振的作用，由于解耦系统的存在，因此水平和竖向隔振能分别发挥作用，实现三维振动隔离。
Description
技术领域
本发明涉及建筑抗震、减震领域，具体涉及一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置。
背景技术
我国是一个多地震国家，地震发生时，为了保护建筑物、文物等，需要使用隔震支座。隔震支座是目前最广泛使用的一种隔震技术，将建筑分为上部结构和下部结构，并分别与隔震支座相连接，形成隔震层，以避免地震能力直接作用于建筑的上部结构而破坏建筑的使用性能。目前已有的技术成熟的隔震支座，包括天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座，其中，铅芯橡胶支座虽然被普遍使用，但铅芯材料对土壤、基础结构的影响还尚且不知，需要用其他新型环保的材料去替代铅芯材料。虽然现代隔震技术已有近60年的历史，但国内外的大部分研究结果表明，目前普遍使用的隔震元件只能隔离水平地震，对于竖向地震没有隔离效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，包括解耦系统、水平隔振系统和竖向隔振系统，水平隔振系统采用摩擦摆支座实现，竖向隔振系统采用惯容系统原理设计实现；惯容系统部分和摩擦摆支座部分竖向中心线保持一致；摩擦摆支座与上部结构相连；惯容系统设置于摩擦摆支座下方，与基础相连。
作为本发明的进一步方案：所述水平隔振系统使用摩擦摆支座机构包括下凹板，所述下凹板顶部具有向下凹陷的下凹面，所述下凹面表面上设置有摩擦层，设置在所述下凹板上方的上凹板，所述上凹板底部具有向上凹陷的上凹面，所述上凹面表面上设置有摩擦层，压接在所述上凹面和所述下凹面之间的摩擦块，所述摩擦块设置有与所述上凹面配合的上凸面，并设置有与所述下凹面配合的下凸面，所述上凸面和所述下凸面上均设置有摩擦片，一个所述的摩擦层压接一个对应的所述的摩擦片。
作为本发明的再进一步方案：所述解耦系统包括下套筒、特氟龙套筒和上套筒依次相互嵌套，所述特氟龙套筒嵌套于下套筒外部，然后其外部再嵌套上套筒，上述三个套筒形成解耦系统，特氟龙套筒起到减小摩擦力的作用，解耦系统实现了水平与竖向运动解耦。
作为本发明的再进一步方案：所述竖向隔振系统包括碟形弹簧、旋转轴、旋转盘、旋转盘约束部件、阻尼液、阻尼杆、钕磁铁、线圈、弹性块、下垂柱、柱外壳、保护柱，所述碟形弹簧环绕于柱外壳，所述弹性块可滑移的嵌设在碟形弹簧的夹层中，所述旋转轴，其内部用于安置刚度调节装置，其外部用于与旋转盘进行嵌套连接，所述旋转盘，其外边缘设置有转盘约束部件。
作为本发明的再进一步方案：所述碟形弹簧的截面为波纹管结构。
作为本发明的再进一步方案：所述柱外壳呈中空可伸缩设置，同轴设置在碟形弹簧内， 所述下垂柱固定设置在旋转轴内，所述柱外壳的侧壁相对于碟形弹簧的夹层的位置上一一对应的开设有供弹性块穿过的引导轨道，所述弹性块穿设在引导轨道内，并与下垂柱的侧壁联动，当下垂柱在柱外壳内上下滑移时，下垂柱推动弹性块滑出碟形弹簧夹层，或是滑入夹层内。
作为本发明的再进一步方案：所述引导轨道朝向碟形弹簧侧呈圆台状，朝向下垂柱侧设有六条长棱体，所述引导轨道朝向碟形弹簧侧设置弹簧。
作为本发明的再进一步方案：所述下垂柱由同轴固定的棱柱体和鼓状体组合而成，所述鼓状体的上端与棱柱体的下端同轴固定。
作为本发明的再进一步方案：所述弹性块由弹性块A、弹性块B、弹性块C三部分组成，弹性块A伸入到碟形弹簧夹层内呈棱锥状，弹性块B朝向弹性块A侧呈圆柱状，朝向弹性块C侧呈爪状，爪端开设有斜面，该斜面与引导轨道所设长棱相贴合，弹性块C开设有斜面，该斜面与鼓状体的侧壁相贴合，以在下垂柱上下滑移时，被推动滑入到碟形弹簧的夹层内，或是从夹层内滑出。
作为本发明的再进一步方案：所述弹性块开始伸入碟形弹簧中，当竖向振动传来时，所述弹性块通过引导轨道，在下垂柱向下滑移时，鼓状体带动弹性块C滑入引导轨道，弹性块C按压弹性块B，弹性块B按压弹性块A，弹性块A进一步滑入碟形弹簧夹层中；所述弹性块C在下垂柱下滑至鼓状体中间平面时滑入最深，弹性块B爪端突出引导轨道所设长棱体，弹性块B爪端在下垂柱下滑至棱柱体时回缩滑进下一个两相邻长棱体之间，同时弹性块在弹簧作用下回弹，实现碟形弹簧刚度的减小。
作为本发明的再进一步方案：所述保护柱设置在柱外壳与旋转轴中间，用于阻止阻尼液进入柱外壳中。
作为本发明的再进一步方案：所述旋转轴，其内部开有圆柱形凹槽，用于安置刚度调节装置，其外表面开有螺旋纹路，用于与旋转盘进行嵌套连接。
作为本发明的再进一步方案：所述旋转盘，其内侧通过螺纹用于更好地嵌套于旋转轴的外表面螺旋纹路内，同时其外边缘设置有转盘约束部件从而获得竖向位置的约束，从而将系统输入的竖向运动转化为旋转盘的转动。
作为本发明的再进一步方案：所述旋转盘约束部件包括约束连接块、连接杆、滚珠封盖和滚珠，滚珠放入约束连接块后，使用滚珠封盖通过螺栓连接于约束连接块将滚珠的位置固定，通过连接杆对约束连接块进行连接，旋转盘约束部件通过约束连接块螺栓连接于下套筒的筒壁上，在连接杆的杆身上缠绕线圈。
作为本发明的再进一步方案：所述钕磁铁在旋转盘边缘设置一圈，同时在下套筒内侧壁相同高度处对应位置也设置一圈，数量保持一致，保持异极相对，当旋转盘转动时产生动态变化的磁场，置于钕磁铁两侧的静止的线圈切割动态磁场中的磁力线，通过电磁感应消耗能量。
作为本发明的再进一步方案：所述阻尼杆固接在旋转盘下表面，同时阻尼杆浸没在阻尼液中，阻尼杆随旋转盘的转动做绕旋转轴的刚体转动的过程中搅动阻尼液从而产生阻尼力，所使用的阻尼液为磁流变阻尼液，将钕磁铁和线圈相对运动产生的感应电流用于磁流变阻尼液的控制，实现调整减震系统阻尼系数的效果。
与现有技术相比，本发明具有如下几个方面的优点：
1、本发明在振动运动过程中由于解耦系统的存在，可同时实现水平向和竖向振动的隔离。
2、本发明对竖向振动隔离由于是包含碟形弹簧组成的惯容系统，同时具有正刚度和负刚度的特性，通过调节碟形弹簧刚度，可实现变化的系统动刚度，相比只有螺旋弹簧的情况具有更好地隔振效果。
3、本发明采用钕磁铁和线圈直接的电磁感应和阻尼杆搅动阻尼液提供阻尼力，可实现 较好的能量耗散。
4、本发明的上部摩擦摆支座，造价低、施工简单、具有很强的承载能力，除具有一般平面滑动隔震系统的特点外，还具有良好的稳定性、复位功能和抗平扭能力。在地震时，其特有的弧形滑动面将结构物本身与地面隔离，来延长结构物的振动周期，错开地震波的卓越周期，以大幅度减少结构物因受地震作用而引起的放大效应，故具有隔震功能。此外，还可利用摩擦摆支座滑动面与滑块之间的摩擦来达到大量消耗地震能量，减少地震输入的能量，因此具有耗能的能力。
附图说明
图1为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置的结构示意图。
图2为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置中弹性块的结构示意图。
图3为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置中引导轨道的正视图。
图4为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置中弹性块B正视图。
图5为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置中弹性块C正视图。
图6为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置弹性块工作示意图。
图7为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置惯容系统立体图。
图8为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置旋转盘立体图。
图9为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置旋转盘约束部件立体图。
图10为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置阻尼杆立体图。
图11为一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置钕磁铁立体图。
图中：1、下套筒；2、螺旋弹簧；3、旋转轴；4、旋转盘；41、旋转盘螺纹；5、旋转盘约束部件；51、约束连接块；52、预紧连接杆；53、滚珠封盖；54、滚珠;6、阻尼液；7、阻尼杆；8、钕磁铁；9、线圈;10、特氟龙套筒；11、上套筒;12、下凹板；13、滑块；14、上凹板；15、弹性块；151、弹性块A；152、弹性块B；153、弹性块C；16、摩擦层；17、摩擦片；18、下垂柱；19、柱外壳；191、引导轨道；192、弹簧；20、保护柱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-11，一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，包括:包括解耦系统、水
平隔振系统和竖向隔振系统，水平隔振系统为摩擦摆支座实现，竖向隔振系统采用惯容系统原理设计实现；惯容系统部分和摩擦摆支座部分竖向中心线保持一致；摩擦摆支座与上部结构相连；惯容系统设置于摩擦摆支座下方，与基础相连。
水平隔振系统为摩擦摆支座机构包括下凹板12，所述下凹板12顶部具有向下凹陷的下凹面，所述下凹面表面上设置有摩擦层16，设置在所述下凹板12上方的上凹板14，所述上凹板14底部具有向上凹陷的上凹面，所述上凹面表面上设置有摩擦层16，压接在所述上凹面和所述下凹面之间的摩擦块13，所述摩擦块13设置有与所述上凹面配合的上凸面，并设置有与所述下凹面配合的下凸面，所述上凸面和所述下凸面上均设置有摩擦片17，一个所述的摩擦层16压接一个对应的所述的摩擦片17。
下凹板12和上凹板14均水平设置。
下凹板12和上凹板14均设置有连接用的螺栓孔，分别与上部结构和下部结构连接。下凹板12和上凹板14均设置四个直径为12mm的螺栓孔与上部结构相连。
下凹板12的下表面可为任意形状，与上套筒11形状保持一致，以便于连接。
解耦系统包括下套筒1、特氟龙套筒10和上套筒11依次相互嵌套，所述特氟龙套筒10嵌套于下套筒1外部，然后其外部再嵌套上套筒11，上述三个套筒形成解耦系统，特氟龙套筒10起到减小摩擦力的作用，解耦系统实现了水平与竖向运动解耦。
竖向隔振系统包括碟形弹簧2、旋转轴3、旋转盘4、旋转盘约束部件5、阻尼液6、阻尼杆7、钕磁铁8、线圈9、弹性块15、下垂柱18、柱外壳19和保护柱20，所述碟形弹簧2环绕于柱外壳19，所述弹性块15可滑移的嵌设在碟形弹簧2的夹层中，所述旋转轴3的内部用于安置刚度调节装置，其外部与旋转盘4进行嵌套连接，所述旋转盘4的外边缘设置有转盘约束部件5。
碟形弹簧2的截面为波纹管结构。
柱外壳19呈中空可伸缩设置，同轴设置在碟形弹簧2内，所述下垂柱18固定设置在旋转轴3内，所述柱外壳19的侧壁相对于碟形弹簧2的夹层的位置上一一对应的开设有供弹性块15穿过的引导轨道191，所述弹性块15穿设在引导轨道191内，并与下垂柱18的侧壁联动，当下垂柱18在柱外壳19内上下滑移时，下垂柱18推动弹性块15滑出碟形弹簧2夹层或是滑入夹层内。
引导轨道191朝向碟形弹簧2侧呈圆台状，朝向下垂柱18侧设有六条长棱体，所述引导轨道191朝向碟形弹簧2侧设置弹簧192。
下垂柱18由同轴固定的棱柱体和鼓状体组合而成，所述鼓状体的上端与棱柱体的下端同轴固定。
下垂柱18顶部通过螺栓连接或焊接于上套筒11内部中心，随上套筒11一起做竖向运动。
弹性块15由弹性块A151、弹性块B152、弹性块C153三部分组成，弹性块A151伸入到碟形弹簧2夹层内呈棱锥状，弹性块B152朝向弹性块A151侧呈圆柱状，朝向弹性块C153侧呈爪状，爪端开设有斜面，该斜面与引导轨道191所设长棱相贴合，弹性块C153开设有斜面，该斜面与鼓状体的侧壁相贴合，以在下垂柱18上下滑移时，被推动滑入到碟形弹簧2的夹层内，或是从夹层内滑出。
弹性块15开始伸入碟形弹簧2中，当竖向振动传来时，所述弹性块15通过引导轨道191，在下垂柱18向下滑移时，鼓状体带动弹性块C153滑入引导轨道191，弹性块C153按压弹性块B152，弹性块B152按压弹性块A151，弹性块A151进一步滑入碟形弹簧2夹层中；所述弹性块C153在下垂柱18下滑至鼓状体中间平面时滑入最深，弹性块B152爪端突出引导轨道191所设长棱体，弹性块B152爪端在下垂柱18下滑至棱柱体时回缩滑进下一个两相邻长棱体之间，同时弹性块15在弹簧192作用下回弹，实现碟形弹簧2刚度的减小。
弹性块15设置四个或是六个， 然后以碟形弹簧2的圆心作为圆心呈圆周分布，便可简单有效的实现对于碟形弹簧2的形变刚度进行调节，如此便可实现碟形弹簧2的刚度适应于当前所产生的振动强度，使得碟形弹簧2能够更好的产生相应的形变。
保护柱20呈中空可伸缩设置在柱外壳19与旋转轴3中间，用于阻止阻尼液6进入柱外壳19中。
旋转轴3，其内部开有圆柱形凹槽，用于安置刚度调节装置，其外表面开有螺旋纹路，用于与旋转盘4进行嵌套连接。
旋转轴3顶部通过螺栓连接或焊接于上套筒11内部中心，随上套筒11一起做竖向运 动。
旋转盘4，其内侧通过螺纹41用于更好地嵌套于旋转轴3的外表面螺旋纹路内，同时其外边缘设置有转盘约束部件5从而获得竖向位置的约束，从而将系统输入的竖向运动转化为旋转盘4的转动。
旋转盘4下表面通过整体加工、螺栓或焊接的方式将阻尼杆 7固接。
旋转盘约束部件5包括约束连接块51、连接杆52、滚珠封盖53和滚珠54，滚珠54放入约束连接块51后，使用滚珠封盖53通过螺栓连接于约束连接块51将滚珠的位置固定，通过连接杆52对约束连接块51进行连接，旋转盘约束部件5通过约束连接块51螺栓连接于下套筒1的筒壁上，在连接杆52的杆身上缠绕线圈9。
钕磁铁8在旋转盘4边缘设置一圈，同时在下套筒1内侧壁相同高度处对应位置也设置一圈，数量保持一致，保持异极相对，当旋转盘4转动时产生动态变化的磁场，置于钕磁铁8两侧的静止的线圈9切割动态磁场中的磁力线，通过电磁感应消耗能量。
阻尼杆7固接在旋转盘4下表面，同时阻尼杆7浸没在阻尼液6中，阻尼杆7随旋转盘4的转动做绕旋转轴的刚体转动的过程中搅动阻尼液从而产生阻尼力，所使用的阻尼液6为磁流变阻尼液，将钕磁铁8和线圈9相对运动产生的感应电流用于磁流变阻尼液的控制，实现调整减震系统阻尼系数的效果。
阻尼杆7为杆状，可为圆柱或方柱等形式，为增加阻尼杆7在刚体转动过程与阻尼液6的接触面积，可对阻尼杆7设置翼缘，翼缘在不阻碍旋转盘4转动的情况下可设置为任意增加面积的形状。
旋转轴3、旋转盘4应保持螺纹咬合一致，螺纹数量根据需要确定，宜对称布置。
阻尼液6可采用甲基硅油基阻尼液，二甲基硅油和磁流变阻尼液等，例如采用磁流变阻尼液时,可选用M RF-350等型号的阻尼液。
本发明的工作原理是：在水平地震时，摩擦摆支座通过摆动，延长结构自振周期，增大阻尼比，实现隔震功能，消耗一部分水平地震作用能量。解耦系统实现了水平与竖向运动解耦。外部竖向振动会带动旋转轴和碟形弹簧的竖向运动,在竖向运动的过程中下垂柱在柱外壳中上下滑移，通过减少伸入碟形弹簧的弹性块的数量，降低碟形弹簧的刚度，碟形弹簧提供正刚度，而旋转轴和旋转盘在竖向运动过程中会产生负刚度，通过碟形弹簧和旋转轴并联可以实现较小的动刚度效果，提高隔振效率；在旋转盘转动的过程中，通过连接杆的线圈切割磁感线的电磁感应作用和阻尼杆搅动阻尼液对外部输入振动能量进行耗散，同时采用的阻尼液类型为磁流变阻尼液，可将连接杆的感应电流用于磁流变阻尼液的控制，实现能量的循环利用。本发明装置综合较小的动刚度和较好的阻尼效果，能实现较好的竖向振动控制效果。因此，该装置最终可实现较好的三维振动控制效果。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种惯容和摩擦摆支座组合的三维隔振装置，其特征在于，包括解耦系统、水平隔振系统和竖向隔振系统，水平隔振系统为摩擦摆支座机构，竖向隔振系统和摩擦摆支座机构竖向中心线保持一致；摩擦摆支座机构与上部结构相连；竖向隔振系统设置于摩擦摆支座机构下方与基础相连；所述摩擦摆支座机构包括下凹板，所述下凹板顶部具有向下凹陷的下凹面，所述下凹面表面上设置有摩擦层，所述下凹板上方设有上凹板，所述上凹板底部具有向上凹陷的上凹面，所述上凹面表面上设置有摩擦层，所述上凹面和所述下凹面之间压接有摩擦块，所述摩擦块设置有与所述上凹面配合的上凸面，并设置有与所述下凹面配合的下凸面，所述上凸面和所述下凸面上均设置有摩擦片，一个所述的摩擦层压接一个对应的所述的摩擦片。
2.根据权利要求1所述的一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，其特征在于，所述解耦系统包括依次相互嵌套的下套筒、特氟龙套筒和上套筒，所述特氟龙套筒嵌套于下套筒外部，所述上套筒套于特氟龙套筒的外部，。
3.根据权利要求1所述的一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，其特征在于，所述竖向隔振系统包括碟形弹簧、旋转轴、旋转盘、旋转盘约束部件、阻尼液、阻尼杆、钕磁铁、线圈、弹性块、下垂柱、柱外壳和保护柱，所述碟形弹簧截面呈波纹管状环绕于柱外壳外，所述弹性块能够滑移的嵌设在碟形弹簧的夹层中，所述旋转轴的内部用于安置刚度调节装置，其外部用于与旋转盘进行嵌套连接，所述旋转盘，其外边缘设置有转盘约束部件。
4.根据权利要求3所述的一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，其特征在于，所述柱外壳呈中空结构设置在碟形弹簧内，所述下垂柱固定设置在旋转轴内，所述柱外壳的侧壁相对于碟形弹簧的夹层的位置上一一对应的开设有供弹性块穿过的引导轨道，所述弹性块穿设在引导轨道内，并与下垂柱的侧壁联动，当下垂柱在柱外壳内上下滑移时，下垂柱推动弹性块滑出碟形弹簧夹层或是滑入夹层内；所述引导轨道朝向碟形弹簧侧呈圆台状，朝向下垂柱侧设有六条长棱体，所述引导轨道朝向碟形弹簧侧设置弹簧；所述下垂柱由同轴固定的棱柱体和鼓状体组合而成，所述鼓状体的上端与棱柱体的下端同轴固定。
5.根据权利要求4所述的一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，其特征在于，所述弹性块由弹性块A、弹性块B和弹性块C组成，弹性块A伸入到碟形弹簧夹层内呈棱锥状，弹性块B朝向弹性块A侧呈圆柱状，朝向弹性块C侧呈爪状，爪端开设有斜面，该斜面与引导轨道所设长棱相贴合，弹性块C开设有斜面，该斜面与鼓状体的侧壁相贴合，以在下垂柱上下滑移时，被推动滑入到碟形弹簧的夹层内或是从夹层内滑出。
6.根据权利要求5所述的一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，其特征在于，所述保护柱设置在柱外壳与旋转轴之间，用于阻止阻尼液进入柱外壳中。
7.根据权利要求6所述的一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，其特征在于，所述旋转盘的内侧通过螺纹用于更好地嵌套于旋转轴的外表面螺旋纹路内，同时其外边缘设置有转盘约束部件从而获得竖向位置的约束，从而将系统输入的竖向运动转化为旋转盘的转动。
8.根据权利要求7所述的一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，其特征在于，所述旋转盘约束部件包括约束连接块、连接杆、滚珠封盖和滚珠，滚珠放入约束连接块后，使用滚珠封盖通过螺栓连接于约束连接块将滚珠的位置固定，通过连接杆对约束连接块进行连接，旋转盘约束部件通过约束连接块螺栓连接于下套筒的筒壁上，在连接杆的杆身上缠绕线圈。
9.根据权利要求8所述的一种带惯容和摩擦摆式三维多级隔振装置，其特征在于，所述钕磁铁在旋转盘边缘设置一圈，同时在下套筒内侧壁相同高度处对应位置也设置一圈，数量保持一致，保持异极相对，当旋转盘转动时产生动态变化的磁场，置于钕磁铁两侧的静止的线圈切割动态磁场中的磁力线，通过电磁感应消耗能量；所述阻尼杆固接在旋转盘下表面，同时阻尼杆浸没在阻尼液中，阻尼杆随旋转盘的转动做绕旋转轴的刚体转动的过程中搅动阻尼液从而产生阻尼力，所使用的阻尼液为磁流变阻尼液，将钕磁铁和线圈相对运动产生的感应电流用于磁流变阻尼液的控制，实现调整减震系统阻尼系数的效果。
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