JP3841530B2 - 制振機構 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘリコプタの回転翼に好適に使用される制振機構に関するものであり、特に半硬質翼すなわちベアリングレス翼からなる回転翼に関する。
【0002】
【従来の技術】
米国特許5,540,549には、次のような構成の流体制振機構が開示されている。すなわち、該流体制振機構は、軸方向に配置された内部部材を含み、これが駆動部により駆動される。この駆動部は、ヘリコプタの回転翼の曲がり(コッキング)動作やピッチ制御時に生ずるねじり(ツイスティング)動作を防止するための可動部及びボールジョイントを有する。
【0003】
上記機構において制振を担うのは、まず硬質層と弾性層とを交互に積層して形成された積層体であり、次には流体チャンバー内で動くピストンである。該積層体は上記軸方向と平行な方向には高い剛性を有しているが、軸方向と垂直方向の剛性は比較的小さい。
【0004】
そして、ピストンは、同時に起こる次の2つの現象により、振動振幅の全範囲において制振効果を生じさせることとなる。その現象の1つは圧縮によるヘッドロスのスロットリング現象であり、もう1つは粘性制動現象、すなわち粘性オイル中での剪断による制振である。粘性オイルとしては、粘度が10000〜100000cSt(センチストークス:1St=10-4m2/s)のシリコンオイルが用いられている。
【0005】
しかしながら、上記機構には次のような欠点がある。
・第1に、ヘリコプタ回転翼など高振幅の制振力が要求される環境下では、制振のメカニズムはスロットリング現象が支配的となる。
・第2に、ヘリコプタ回転翼等の場合、機構への圧縮励振の影響が不可避となる。このような圧縮励振はシステムの疲労特性を悪化させる。例えば、ボールジョイント65はねじり動作や曲がり動作の抑制には有効であるが、圧縮励振に対する抑制効果は有していない。
【0006】
そして、上記第1の欠点により、制振機構の線形特性が悪化する問題がある。これは、スロットリングによる制振特性が変位速度の2乗に依存して変化するため必然的に非線形となるためである。
【0007】
一方、本出願人の検討によれば、米国特許5,540,549の構成における上記第2の欠点は、粘性制動により制振特性が変動する寄生現象を誘発する問題を生ずる。すなわち、制振特性はピストン38とチャンバー壁との間のクリアランスに大きく依存し、またピストンの軸線位置の精度にも依存する。そして、前述の圧縮励振が起きると、ピストンはその軸線方向が変化したり偏心したりしやすくなるので、制振特性の変動が生じ、結果としてスロットリング制動は非線形的なものとなってしまうのである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述の欠点を示すことのない制振機構を与えることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明の制振機構の主な特徴は、上記スロットリング現象に基づく制振機構ではなく、剪断による粘性制動を用いた制振機構を採用しており、その剪断動作と圧縮励振とを効果的に分離できる剪断制動機構を備えている点にある。
【0010】
その第1の構成は、制振機構、特にヘリコプタの回転翼に好適に使用される制振機構であって、主軸を有して、ヘリコプタの回転翼の場合はそのヘリコプタの翼に連結される駆動体により駆動される駆動部と、例えば翼の回転を制御するスリーブなどの所定の構造部に取り付けられる固定部と、それら駆動部と固定部とを互いに機能的に接続するとともに、主軸に対し垂直となる少なくとも一方向において振動を減衰させるダンピング組立体とを備え、該ダンピング組立体は、キャビティとこれを満たす粘性流体とを備えた流体圧制振機構と、主軸と平行方向には高い剛性をもち垂直方向には低い剛性をもつ可撓性部とを有する。そして、上記制振機構の特徴部は下記のように構成される。すなわち、流体圧制振機構は、それぞれ積層面が主軸とほぼ垂直に配置される第1及び第2の積層体を有し、第1の積層体は第1の機械的連結機構を介して駆動部に取り付けられ、第2の積層体は第2の連機械的連結機構を介して固定部に取り付けられる。そして、それら第1及び第2の積層体は、所定の間隔をもって交互に対向するように近接配置され、互いに隣接する第1の積層体と第2の積層体との間に粘性制振領域が形成される。さらに、第1及び第2の機械的連結機構の少なくとも一方が、主軸と平行な方向において剛性が小さくなるように構成され、駆動部と固定部との間で発生する圧縮励振を吸収する少なくとも1つの弾性部材を含む。
【0011】
また、本発明の第2の構成は、制振機構、特にヘリコプタの回転翼に好適に使用される制振機構であって下記のように構成されることを特徴とする。すなわち、主軸を有し、駆動体により駆動される駆動部と、所定の構造部に取り付けられた固定部と、それら駆動部と固定部とを互いに機能的に接続するとともに、主軸に対し垂直となる少なくとも一方向において振動を軽減するダンピング組立体とを備える。該ダンピング組立体は、キャビティとこれを満たす粘性流体とを備えた流体圧制振機構と、主軸と平行方向には高い剛性をもち垂直方向には低い剛性をもつ可撓性部とを有する。流体圧制振機構は、それぞれ積層面が主軸とほぼ垂直に配置される第1及び第2の積層体を有し、第1の積層体は第1の機械的連結機構を介して駆動部に取り付けられ、第2の積層体は第2の連機械的連結機構を介して固定部に取り付けられ、かつそれら第1及び第2の積層体は、所定の間隔をもって交互に対向するように近接配置され、また、互いに隣接する第1の積層体と第2の積層体との間に粘性制振領域が形成される。そして、第1及び第2の積層体の少なくとも一方に、当該積層体が他方の積層体との間で対向部分を形成しない領域が1以上形成され、その領域において各積層体は、駆動部と固定部との間で発生する圧縮励振を吸収するための、主軸と平行な向きにおける剛性が低くなる流体圧制振機構を形成する。
【0012】
上記本発明の2つの構成は、それぞれ単独で実施することもできるし、互いに組み合わせた形で実施することもできる。
【0013】
なお、弾性部材は、その少なくとも1つを弾性材料で構成できる。また、所定の形状の弾性ワッシャであってもよい。また、可撓性部は、弾性材料からなる弾性板状体と、その弾性板状体よりも剛性の高い剛性板状体とを互いに積層した構成を有するものとするのがよい。
【0014】
またより望ましい実施態様として、次のような構成を例示できる。すなわち、駆動部を一端側が底部とされ他端側にカバーをもつ筒状体とする。また、可撓性部は、主軸と同心的に配置される円筒状をなして、カバー及び底部の各内面の間に配置されて、流体圧制振機構と、(自身と)駆動部との間に形成されて流体が満たされるキャビティと、底部と、カバーと、可撓性部とを取り囲むものとされる。さらに、固定部は可撓性部の軸方向中央部に配置する。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例により説明する。
図1及び図2に示す制振機構は、その軸が制振機構の主軸を与える硬質の中空円筒10(駆動部)を備え、駆動体100を経てヘリコプタの回転翼と連結され、本制振機構の駆動部を構成している。
【0016】
この制振機構は、例えば各翼に対し上下に1つずつ、計2つずつ設けられており、それぞれその円筒10は、その軸線が翼に対してほぼ垂直となるように配置されている
【0017】
本実施例では、固定部(あるいは被駆動部)はカラー6とされている。このカラー6は、孔4を経て翼を回転させるスリーブに連結されている。
【0018】
円筒10の端部11及び15にはカバー20及び底部30がそれぞれ設けられ、それらの組立体は円筒10の外側の溝にはめ込まれたガスケット12によりシールされている。
【0019】
カバー20は、円盤状の中心部21と、その周囲を囲むとともにカラー24に向けて外側に延びる直円錐状部22とを有している。また、カバー20は円筒部26を備え、その内面27において円筒10の外周と接している。さらに、カバー20は、波形環状膜29からなる膨張吸収チャンバー28を備える。カバー20の環状面25は、金属ワッシャ5と弾性ワッシャ2との積層体からなり円筒10と同心的に設けられ円柱状の可撓性部1の上面に押し付けられている。
【0020】
底部30には円盤状の中心部31と、その周囲を取り囲むとともにカラー34に向かって外側に延びる直円錐状部32とを有している。また、底部30は円筒部36を備え、その内面において円筒10の外周に接している。
【0021】
底部30は、波形環状膜39からなる膨張吸収チャンバー38を備える。また、底部30の環状面35は、可撓性部1の下面に押し付けられている。
【0022】
上記のような可撓性部1は、主軸と平行な方向において、特に圧縮に対して高い剛性をもつが、主軸と垂直方向においてはその剛性は低い。
【0023】
これは、通常はエネルギーをほとんど消失しない、tanδ<0.3程度の低制振ゴムで構成される。本実施例では、可撓性部1は、制振機構の主軸に対しそれぞれ同軸的に配置された金属ワッシャ5及び弾性ワッシャ2の積層体として構成されている。
【0024】
カラー6は可撓性部1の軸方向中央部分に配されている。本実施例では、可撓性部1はこのカラー6により、対称面Pに関して対称な円筒上部1’と円筒下部1’’とに分割されている。また、カラー6の上部には円筒部分8を備えた環状部品7が、該円筒状部分8がカラー6の補助円筒部分9のほぼ中央に位置するように配置されている。
【0025】
カラー6と環状部品7の間の隙間には、連結リング60の外周環状部分66がはめ込まれている。本実施例では、図1に示すように、この連結リング60は、硬質の内周環状部分64、弾性材料で構成された中央環状部分63及び上記外周環状部分66を備えている。
【0026】
次に、流体圧制振機構は、2組の積層体40,50を備える。このうち積層体40は円筒10を囲むスリーブ42(第1の機械的連結機構)に固定される一方、積層体50は、各単位板状物同士の間に積層体40とほぼ同じ積層間隔を形成するためのスペーサ57とともに、タイロッド55及びナット56で組み立てられている。また、スリーブ42と円筒部26及び36の間には、スペーサ41が配されている。
【0027】
また、半径方向の幅r2の円柱状領域45内において、これら積層体40及び50は、所定の間隔をもって交互に対向するように近接配置されて、いわゆるインターリーブ構造を形成している。
【0028】
積層体40及び50は通常、可撓性の金属シート又は積層体からなる。積層体40は例えば円盤状で、それらの軸が上記主軸をなす一方、積層体50は半月形状(図5参照)とされる。積層体40及び50の各単位板状物の厚さは、通常数十分の1mmとされる。また、円柱状領域45では、積層体40及び50の間隔もまた数十分の1mmとされている。なお、積層体40及び50を、双方ともに円盤形状に形成することもできる。
【0029】
連結リング60(第2の機械的連結機構)には貫通孔61が形成され、ここにタイロッド55が挿通されている。また、連結リング60は、各積層体40及び50の、軸に垂直な面Pに関して対称に位置する上部積層部58と下部積層部59との間でクランプされている。
【0030】
次に、カバー20、底部30、可撓性部1及び円筒10により取り囲まれた空間によりキャビティ3が形成されている。該キャビティ3は、室温で100000cSt以上の粘度を有するオイル等の粘性流体(開口部23及び33から注入される)で満たされている。
【0031】
上記粘性流体としては、室温で300000〜5000000cStの粘度を有するオイルを用いることが望ましい。なお、オリフィス127及び137を介して外部と連通するチャンバー28及び38は、オイルで満たされているキャビティ3のための膨張吸収チャンバーとして機能する。
【0032】
キャビティ3内に配置された各積層体40及び50の各単位板状物は流体圧制振機構を形成する。該流体圧制振機構は、円柱状領域45においては、主軸に対して平行な方向では非常に高い剛性を示す一方、主軸と垂直な方向ではオイルの粘度及び積層体の間隔に依存した低い剛性を有するものとなり、全範囲においてtanδが1以上という良好な制振係数を示す。
【0033】
そして、本発明の制振機構は、圧縮励振を緩和・吸収するために、円筒10の軸線、すなわち主軸と平行な向きには低い弾性係数(すなわち低い剛性)を示し、好ましくは主軸と垂直な方向には高い弾性係数(すなわち高い剛性)を示すものとして構成する。このような圧縮励振の緩和・吸収機構は、単一の手段によっても実現できるし、複数の手段を組み合わせることによって実現することもできる。
【0034】
以下に、その第1の例について説明する。この例では、連結リング60は、流体圧制振機構(タイロッド55とナット56)の外部とカラー6との間の機械的連結機構を形成するとともに、それ自体が主軸と平行な向きの弾性自由度を有して、上記制振要部機構を形成している。本実施例では、具体的には図2に示すように、弾性材料で構成された中央環状部分63が該機構の主体をなしている。これによれば、主軸と平行な方向には低剛性の弾性自由度が生ずるが、半径方向の剛性は高いままとなる。
【0035】
図2に示す連結リング60を硬質金属部で置き換えた場合を考えると、上記2組の積層体40及び50間に部分的な重なりを生じさせること、すなわち、幅r2の円柱状領域45(粘性制振非領域)において、積層体40のみからなる幅r1の非重なり領域54と、積層体50のみを含む幅r3の非重なり領域52との間での重なりを生じさせるか、あるいはr1とr3との各値をいずれも0とすることで、上記圧縮励振の緩和・吸収が可能となる。
【0036】
ここで、r1及びr3の各値は、主軸と平行な向きに充分な曲げ弾性を生じ、ひいては圧縮力に対する所望の緩和・吸収能が付与できるように、積層体を構成する単位板状物の厚み及び積層数の関数として決定される。
【0037】
なお、弾性リングが圧縮励振の緩和・吸収の全てを担う場合は、制振効果が最大となるように、積層体40と積層体50間の重なりは可能な限り大きくすることが望ましいといえる。
【0038】
そして、本発明の機構により、圧縮励振の緩和・吸収を効果的に図ることができ、また制振機構の寿命も延ばすことができる。
【0039】
本発明の機構では、特に制振が弾性的に行なわれることから、振動減衰後においてダンピング組立体は常に中立位置に弾性的に復帰することとなる。一方、圧縮励振により引き起こされる弾性変形は制振に何の影響も及ぼさない。また、前述の円柱状領域45での重なり部分(以下、重なり領域45ともいう)では剪断による制振が主体となるため、主軸にのみ平行な向きに上記緩和・吸収の力を生ずることとなる。さらに、オイルが高い粘性を有しているために重なり領域45の剛性は非常に高く、主軸と平行な方向においては重なり領域45は剛体ブロックのように挙動すると推定できる。駆動部10からの圧縮力あるいは圧縮励振は、重なり領域45においては、該圧縮力にさらされる積層体40と積層体50との間のオイル膜が圧縮される傾向となる。一方、非重なり領域において圧縮力は、オイル膜はそれほど圧縮されず、むしろ積層体が曲げられる傾向となり、弾性曲げの挙動を生じさせることとなる。さらに本発明の機構においては通常、キャビティ3において熱の消散も起きる。
【0040】
図3は本発明の制振機構の変形例を示す部分断面図である。図においてはr1=0であるが、r3=0としてもよい。
【0041】
さらに、図2の連結リング60は、図3においては制振機構の周囲に向かって傾斜した輪郭71を有する弾性金属ワッシャ70で置き換えられている。
【0042】
なお、該図3の例において、図1及び図2の例に示すものと同じように、制振機構は対称軸(すなわち主軸)と、対称面(すなわち中間面P)とを有している。
【0043】
図1〜図6には、本発明のさらに別の好適な実施例を示している。この例では、圧縮力の緩和・吸収を行なう部材は、主軸に沿って生ずる力の作用線の外側に配されている。その結果、緩和・吸収の対象となる圧縮力はカバー20及び底部30によって伝達されることとなる。圧縮励振に伴い発生する力はかなり大きく、その値は1000daN以上であり、振幅は1〜10mmとなる。
【0044】
図4に示す例では、2つの積層部58及び59間でタイロッド55により支持される積層機構80が、圧縮励振の緩和・吸収を行なう。積層機構80は円筒状の金属部81と同じく円筒状の弾性材料部82とを交互に積層した構造を有し、その軸線が主軸になるとともに、該主軸と平行な方向においては低い弾性係数を、垂直方向においては高い弾性係数を示す。この積層機構80はカラー6及び環状部品7の間の所定位置85において保持される。一方、図6は、図2の連結リング60と置換可能な環状連結部材90の例を示している。この例では、該環状連結部材90は金属円盤とされ、その中央に開口部92を有するとともに、その周囲には複数の開口部91が貫通形態で形成されている。
【0045】
また、円筒10と積層体40との間の連結部をなす剛体的なスペーサ41(図2)をコイルばねや皿ばね(積層されたばねワッシャ)で置き換えることにより、これに圧縮励振の緩和・吸収機能を付与することもできる。この態様では、スリーブ42は円筒に沿ってスライドし、上記コイルばねあるいは皿ばねにより弾性復帰させられる。
【0046】
また、本発明の機構は、対応する機械的連結機構の周辺部のみを囲む複数の弾性部材を含むものとして構成することもできる。図7(a)(平面図)及び(b)(縦断面図)に示す例では、圧縮励振の緩和・吸収を担うのは、主に例えば2以上の金属部品95である。これら金属部品95は、それぞれカラー6と環状部品7との間で把持される被把持部96と、可撓性板状部を形成する中央部分97と、例えば台形状の外形を有して、該部品95を内側から保持するためのタイロッド55の挿通孔99が形成された部分98とを備える。
【0047】
図8(縦断面図)は、弾性部材を波形の膜状体110により構成した例である。該膜状体110には、主軸Zに関して円形対称にコルゲーション111が形成されている
【0048】
本発明では、交互に配置された第1及び第2の積層体は制振機構に対し、それぞれ主軸と垂直な2つの方向において互いに異なるクリアランス(j1,j2)が形成されるか(これは、主に該制振機構内に激しい動作を生じさせるためのものである)、及び/又は上記2つの方向において重なり距離(r2,r2’)を与えるように、個々の積層物が交互に対向するように配置される。
【0049】
図5に示す例においては、r2≠r2’となっている。図9では、積層体40及び50は円盤形状であるが、積層体50は半径方向に延びる長孔状の中央開口部51を有し、j1≠j2となっている。
【図面の簡単な説明】
【図1】ベアリングレス翼を有するセミリジッド型ヘリコプタ回転翼に用いられる本発明の振動制振機構の好例を示す斜視図。
【図2】図1の縦断面図。
【図3】図2の第一の変形例を示す図。
【図4】図2の第二の変形例を示す図。
【図5】積層体の例を示す平面図。
【図6】図2の第三の変形例を示す図。
【図7】図2の第四の変形例を示す図。
【図8】図2の第五の変形例を示す図。
【図9】積層体の例を示す別の平面図。
【符号の説明】
1 可撓性部
3 キャビティ
6 カラー(固定部)
10 円筒(駆動部、主軸)
40、50 第1及び第2の積層体
42 スリーブ(第1の機械的連結機構)
60 連結リング(第2の機械的連結機構、弾性部材)

Claims (14)

  1. 振機構において、
    主軸を有し、駆動体(100)により駆動される駆動部(10)と、
    所定の構造部に取り付けられる固定部(6)と、
    それら駆動部(10)と固定部(6)とを互いに機能的に接続するとともに、前記主軸に対し垂直となる少なくとも一方向において振動を減衰させるダンピング組立体とを備え、
    該ダンピング組立体は、キャビティ(3)とこれを満たす粘性流体とを備えた流体圧制振機構と、前記主軸と平行方向には高い剛性をもち垂直方向には低い剛性をもつ可撓性部(1)とを有するとともに、
    前記流体圧制振機構(40、50)は、それぞれ積層面が前記主軸とほぼ垂直に配置される第1及び第2の積層体(40、50)を有し、第1の積層体(40)は第1の機械的連結機構(42)を介して前記駆動部(10)に取り付けられ、第2の積層体(50)は第2の機械的連結機構(60)を介して前記固定部(6)に取り付けられ、かつそれら第1及び第2の積層体(40、50)は、所定の間隔をもって交互に対向するように近接配置され、また、互いに隣接する第1の積層体(40)と第2の積層体(50)との間に粘性制振領域(45)が形成される一方、
    前記第1及び第2の機械的連結機構(42、60)の少なくとも一方が、前記主軸と平行な方向において剛性が小さくなるように構成され、前記駆動部(10)と前記固定部(6)との間で発生する圧縮励振を吸収する少なくとも1つの弾性部材(60、70、80、90、95)を含むことを特徴とする制振機構。
  2. 前記制振機構はヘリコプタの回転翼に用いられるものである請求項1に記載の制振機構。
  3. 振機構において、
    主軸を有し、駆動体(100)により駆動される駆動部(10)と、
    所定の構造部に取り付けられる固定部(6)と、
    それら駆動部(10)と固定部(6)とを互いに機能的に接続するとともに、前記主軸に対し垂直となる少なくとも一方向において振動を減衰させるダンピング組立体とを備え、
    該ダンピング組立体は、キャビティ(3)とこれを満たす粘性流体とを備えた流体圧制振機構と、前記主軸と平行方向には高い剛性をもち垂直方向には低い剛性をもつ可撓性部(1)とを有するとともに、
    前記流体圧制振機構(40、50)は、それぞれ積層面が前記主軸とほぼ垂直に配置される第1及び第2の積層体(40、50)を有し、第1の積層体(40)は第1の機械的連結機構(42)を介して前記駆動部(10)に取り付けられ、第2の積層体(50)は第2の機械的連結機構(60)を介して前記固定部(6)に取り付けられ、かつそれら第1及び第2の積層体(40、50)は、所定の間隔をもって交互に対向するように近接配置され、また、互いに隣接する第1の積層体(40)と第2の積層体(50)との間に粘性制振領域(45)が形成される一方、
    前記第1及び第2の積層体(40、50)の少なくとも一方に、当該積層体が他方の積層体との間で対向部分を形成しない領域が1以上(52、54)形成され、その領域(52、54)において前記各積層体は、前記駆動部(10)と前記固定部(6)との間で発生する圧縮励振を吸収するための、前記主軸と平行な向きにおける剛性が低くなる流体圧制振機構を形成することを特徴とする制振機構。
  4. 前記制振機構はヘリコプタの回転翼に用いられるものである請求項3に記載の制振機構。
  5. 前記第1及び第2の機械的連結機構の少なくとも一方が、前記主軸と平行な方向において剛性が小さくなるように構成され、前記駆動部と前記固定部との間で発生する圧縮励振を吸収する少なくとも1つの弾性部材(60、70、80、90、95)を含む請求項記載の制振機構。
  6. 前記弾性部材(60、70、80、90、95)は、主軸と垂直な方向において高い弾性係数を有するものである請求項1又はに記載の制振機構。
  7. 前記弾性部材は、少なくともその1つが金属ワッシャ(70)、積層構造物(80)、バネ、及び膜状物の少なくともいずれかを含んで構成される請求項1又はに記載の制振機構。
  8. 前記制振機構は、前記弾性部材(95)を複数含み、それら各弾性部材(95)は、前記機械的連結機構の対応するものの周囲のみを取り囲むように配置されている請求項1ないしのいずれかに記載の制振機構。
  9. 前記第1の積層体(40)は円盤状に形成され、第2の積層体(50)が半月状に形成されている請求項1ないしのいずれかに記載の制振機構。
  10. 交互に配置された前記第1及び第2の積層体は、前記流体圧制振機構に対し、それぞれ前記主軸と垂直な2つの方向において、互いに異なるクリアランス(j1、j2)及び/又は重なり距離(r2、r2’)を与えるように、個々の積層物が交互に対向するように配置されている請求項1ないしのいずれかに記載の制振機構。
  11. 前記可撓性部は、弾性材料からなる弾性板状体と、その弾性板状体よりも剛性の高い剛性板状体とを互いに積層した構成(1)を有する請求項1ないし10のいずれかに記載の制振機構。
  12. 前記駆動部は一端側が底部(30)とされ他端側にカバー(20)をもつ筒状体(10)であり、
    前記可撓性部(1)は前記主軸と同心的に配置される円筒状をなし、前記カバー(20)及び前記底部(30)の各内面の間に配置されて、前記流体圧制振機構(40、45)と、前記駆動部(10)との間に形成されて流体が満たされる前記キャビティ(3)と、前記底部(30)と、前記カバー(20)と、前記可撓性部(1)とを取り囲むものとされ、
    前記固定部(6)は前記可撓性部(1)の軸方向中央部に配されている請求項1ないし11のいずれかに記載の制振機構。
  13. 前記粘性流体は、室温での粘度が100000cSt以上である請求項1ないし12のいずれかに記載の制振機構。
  14. 前記粘性流体は、室温での粘度が300000〜5000000cStである請求項1ないし12のいずれかに記載の制振機構。
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