CN114954631A - 制造机动车转向传动器的齿条的方法、机动车转向传动器的齿条和机动车转向传动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造用于机动车的转向传动器(2)的齿条(3,6)的方法,所述齿条具有在纵轴线(L)的纵向方向上轴向延伸的管状空心型材,所述空心型材具有带有齿部的轴向延伸的齿部区段(31),其中提供了具有给定的、在周向上均匀的壁厚(B)的空心圆柱形管区段(4),所述齿部(32)被引入到所述空心圆柱形管区段中。为了在合理制造的情况下实现齿部扩展的设计自由度,本发明提出,‑通过局部塑性成形产生具有壁厚增大(W)的展平部(41),‑在壁厚增大(W)的区域中生产齿部(32)。齿条同样是本发明的主题。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造用于机动车的转向传动器的齿条的方法,所述齿条具有在纵轴线的纵向方向上轴向延伸的管状空心型材,所述空心型材具有轴向延伸的带有齿部的齿部区段,在所述方法中提供了空心圆柱形管区段,所述空心圆柱形管区段具有在圆周上均匀的给定壁厚,所述齿部被引入到所述空心圆柱形管区段中。此外,本发明的主题是一种齿条和转向传动器。
背景技术
在构造为齿条转向器的车辆转向器中,转向指令作为转动运动引入到转向轴中,在转向轴上安装有小齿轮,所述小齿轮与转向传动器中的齿条的齿部啮合。齿条在转向传动器中在轴向方向、即在其纵轴线的方向上可移动地支承,从而将小齿轮的转动转换成齿条在其纵向上的平移运动。转向横拉杆与齿条连接,该转向横拉杆铰接在待转向的轮的转向节上,从而使得齿条的平移运动转换成轮的转向回转。
为了减轻重量和运动部件的惯性质量,已知将齿条设计为空心体,即管状空心型材的形式。
用于制造空心齿条的方法在现有技术中例如在WO 2019/078276 A1或EP 1 839772 A1中描述。为了制造,首先提供具有圆周均匀的壁厚(壁厚度)的轴对称的空心圆柱形管区段,在该管区段上构造有齿部区段。使具有相应于负齿形的模空腔(也被称为工具凹道)的压制工具在径向方向上从外部压靠到管区段上,由此通过管壁的塑性变形产生齿部。在此,管壁的材料跟随齿轮廓的表面沿周向、径向和轴向挤压和变形。以这种方式,在环形的管横截面中,具有多个在轴向上以齿间距彼此相继的齿的齿部被压入管壁中。
优点在于合理地制造具有相对小的质量的空心齿条。然而,由于压制方法,取决于齿几何形状和尺寸,所追求的尽可能均匀的齿的填充和轮廓精度不能实现或仅能以高的制造成本实现。此外,齿轮廓的冲压引起壁厚的局部减小。由此,齿部的设计自由度原则上受到限制。由于材料去除和随之而来的进一步的壁厚的变薄,用于通过磨削或类似方法优化齿几何形状的附加的再加工必要时可能是受限制的,并且随之带来附加的制造耗费。
鉴于前面阐述的问题,本发明的目的是,在合理的制造的情况下实现齿部的扩展的设计自由度。
发明内容
根据本发明,该目的通过具有权利要求1的特征的用于制造齿条的方法、由此制造的根据权利要求12和13的齿条以及根据权利要求15的转向传动器来实现。有利的改进方案由从属权利要求给出。
在用于制造机动车转向传动器的齿条的方法中,所述齿条具有沿纵轴线的纵向方向轴向地延伸的管状空心型材,所述空心型材具有轴向延伸的带齿部的齿部区段,在所述方法中提供空心圆柱形管区段,所述管区段具有给定的、在圆周上均匀的壁厚,所述齿部引入所述空心圆柱形管区段中,根据本发明提出以下步骤,
-通过局部塑性成形产生具有壁厚增大的展平部,
-在壁厚增大的区域中产生齿部。
根据本发明,在具有带有均匀壁厚的圆柱状的环绕的管壁或壁的圆柱形管区段上,在第一步骤中产生展平部,该展平部具有平坦的或至少区段式平坦的面区域或者通过这样的面区域形成,该面区域相对于管区段的圆形的管横截面平行于割线并且平行于纵轴线延伸。
所述展平部通过如下方式产生,壁的圆柱部段状的圆周部分区域至少区段地塑性成形、具体而言被压平到展平部的平坦的壁区段中。在展平部的圆周部分区域之外的管区段的其余的外周优选地在其圆柱形形状和其原始直径方面基本上保持不变。这里,基本上应理解为,虽然直径在可测量的范围内最小地变化,但是这在技术意义上不是变化,因为直径的变化小于原始直径的5%。通过使展平部的在前述割线的方向上测量的宽度小于原始在周向方向测量的圆周部分区域的周向宽度,在压平时出现在径向方向和周向方向上的材料流。换句话说,在此在周向方向上进行一种压缩(Stauchung),这引起在展平部的区域中的壁厚增大(在径向方向上测量)。
在壁厚增大(也同义地被称为壁加厚部或壁厚加厚部或展平部壁厚)的区域中的壁厚大于在展平部区域中的其余的、优选具有管区段的原始外直径的圆柱形环绕的外周中的壁厚。
在局部的、在圆周部分区域上受限的、平坦的壁厚增大部的有针对性的生产中,存在与现有技术的显著区别,在现有技术中,在承受前述缺点的条件下,管壁在齿模具中挤压。
在接下来的步骤中实现在壁厚增大的区域中产生齿部。在此优选是后续的成型加工,以在首先基本上平坦的展平部中构造齿部。在此,通过增大的壁厚可以使用成型方法,所述成型方法在现有技术中由于管区段的为了节省重量而尽可能限制的相对小的壁厚而不能实现。由此得到更大的结构设计自由度的优点,更确切地说尤其是在齿部的齿的成型和尺寸方面。此外,通过使用优化的成型方法得到制造技术上的优点,以与已知的压入的齿部相比实现更高的齿填充和/或齿轮廓的改进的精度。例如,齿可以通过由实心体切削而形成,如以下将进一步描述的。
可以克服由于管区段的壁厚太小而造成的迄今为止的限制,而无需一开始就使用在整个圆周上较大的壁厚,这会导致不利的较大的重量。
齿条优选可以由钢制成,优选由可良好冷成形的钢品种制成。例如,管区段可以通过定长剪切钢管材料(半成品)容易地作为半成品批量制造。
可能的是,壁厚增大通过管区段的圆周部分区域的扁平成形产生。为了扁平成形,可以使用塑性成形方法,其适合于将圆柱形管区段的最初的圆柱部段状的部分区域转换成基本平坦的展平部,同时产生根据本发明的壁厚增大,例如通过压制、锤击、捏合等。有利地,可使用可产生在圆周部分区域上局部受限的壁加厚部的成形方法,其中,在其余圆周中,圆柱形的形状和原始的壁厚保持不变。由此得到所述的结构上的和制造技术上的优点,并且同样保持获得所追求的关于空心的齿条的长度的相对小的重量。
有利地可以设置,通过冷成形生产壁厚增大。在此涉及常见的可合理执行的整体成形方法(Massivumformverfahren)。在根据本发明的方法中的优点是,通过塑性成形仅产生展平部,该展平部具有相对简单的几何形状,该几何形状与在现有技术中产生齿部相反地可以无问题地并且无制造技术限制地通过冷成形产生。另一个优点是,在冷成形中,在壁厚增大的区域中改善组织结构并且提高强度。由此,关于随后引入的齿部得到扩展的设计自由度,并且也可以提高齿部的磨损强度和运转平稳。
可以规定,塑性成形通过基本在径向方向上从外部作用的成形工具实现。在此,具有与所述展平部相对应的工具面或模具面的成形工具基本上径向地朝管区段运动,以使圆柱形的圆周区段平化并且产生展平部。塑性的扁平成形可以以有利的低的制造耗费来实施,例如通过冲挤、捏合、锤击等。
优选地,管区段在基本沿径向方向作用的成形力期间在展平部之外的圆周中、即在所谓的齿条的背部的区域中如此被支撑,使得在产生壁厚增大期间圆柱形形状和尺寸在那里不改变。例如,管区段可以被容纳在空心圆柱形的容纳部或保持部中,其内直径与管区段的外直径相匹配。由此,所述管区段可以在制造技术上简单并且有效地形状稳定地被支撑。
该方法的一个有利的实施方案可以设置,塑性成形通过振荡的锤击实现。振荡的锤击是一种冷成形方法,其中,在根据本发明的方法中,在径向上(其相应于展平部的法向方向)借助于锤工具将多个彼此相继的锤击打施加到待成形的区域上。在每次锤击打时进行最小的、增量的成形,该成形这样频繁地重复,直至达到展平部的期望的最终尺寸。由此,能够以有利的方式实现均匀的、受控的成形过程,所述成形过程能够实现优化的组织结构和形状的匹配。
优选可以设置,塑性成形沿轴向方向前进地进行。在此,成形工具、例如在锤击时使用的锤工具在轴向方向上短于展平部的轴向长度,其相应于齿部区段的长度。为了在展平部的整个长度上产生塑性成形,在成形过程期间通过轴向进给使成形工具和管区段在轴向方向上相对于彼此运动。例如,可进行与振荡成形工具(例如前述锤工具)的运动同步的逐步轴向进给。由此可以实现特别均匀的、低应力的成形,由此可以实现有利地优化的组织结构。
作为逐步的替代方案,也可以进行连续的进给。由此也可以通过在轴向方向上轧制来实现塑性成形。
可以设置,在塑性成形时,在管区段中布置支撑芯轴。支撑芯轴可以优选地具有对应于齿部区段的内横截面的支撑横截面。该支撑芯轴在成形之前引入到敞开的管横截面中并且在成形时用作配对工具,即用作一种用于从外部作用以在展平部的区域中产生壁厚增大的成形工具、例如锤工具的砧或下模。通过支撑芯轴可以以小的耗费确保,壁厚增大在展平部的圆周区域中局部地实现,而其余的圆周保持不变形,从而尤其在该处壁厚小于在根据本发明的壁厚增大的圆周区域中的壁厚。
优选地,可以设置,壁厚增大大于空心圆柱形管区段的壁厚的10%,即在壁厚增大的区域中的壁厚为原始壁厚的110%或更大。特别优选地,壁厚增大为相对于管区段的壁厚的20%或更大,这也就是说在壁厚增大的区域中的壁厚为原始壁厚的120%或更多。由此可以确保,之后进行的向壁厚增大部中的齿部引入可以在制造技术上毫无问题地实现,因为提供了足够的材料横截面,其能够实现齿部的优化的制造。
优选地可以设置,壁厚增大小于空心圆柱形管区段的壁厚的40%。特别优选地,壁厚增大相对于管区段的壁厚为小于或等于30%,即在壁厚增大的区域中的壁厚为原始壁厚的130%或更小。由此可以确保齿条空心型材在齿部区段的区域中的有利地高的固有频率和刚性,并且可靠地避免了由于过高的成形程度而引起的潜在问题。在此,为优化地制造齿部所提供的材料横截面在任何情况下都是足够的。
本发明的一个有利的实施方案设置成,齿部通过切削加工来形成。在此,齿优选可以通过切削加工由实心体构造,例如通过铣削或拉削。这意味着,在根据本发明的壁厚加厚的步骤之后,展平部首先是平的并且首先不具有接下来才通过切削加工产生的齿结构。通过切削加工方法产生的优点是,与通过纯塑性成形产生的齿部相比,可以-在其余尺寸相同的条件下-实现齿的更好的填充。另外,有利的是,与现有技术中通过纯塑性成型可能实现的设计自由度相比,无需进一步的再加工就可以提供具有更高设计自由度的优化的齿几何形状。通过根据本发明的塑性壁厚增大,在此产生特别牢固的组织以及在齿足区域下方的足够的剩余横截面,从而通过切削加工产生的齿具有高强度。
此外可以设置,齿部通过塑性成形产生。优选地,在根据本发明的壁厚增大部的区域中可进行塑性成型,以至少部分地构造齿几何形状。例如,钢、优选地可良好热成形的钢品种可通过在650℃-700℃下的热成形变形。在此已经可以实现齿的良好填充,其中通过根据本发明的壁厚增大可以实现齿部的局部提高的刚性,并且附加地或替代地可以实现用于优化齿几何形状的切削加工。
可能的是,制造至少一个具有齿部区段的齿部段并且在随后的步骤中与至少一个另外的杆部段轴向地接合。按照这种方式,根据本发明制造的齿条可以集成在所谓的组装的齿条中,该齿条由至少两个首先单独制造的并且提供的、轴向延伸的杆部段借助于合适的接合方法如焊接等接合而成。另一个杆部段同样可以包括按照根据本发明的方法产生的齿部段。作为替代或补充,也可以在根据本发明的齿条上作为另外的杆部段附接螺纹部段、支承部段或连接部段等。该另外的杆部段可以同样如齿部段那样构造为空心构件。替代地,另外的杆部段可以由实心材料形成。
也可以考虑并且可能的是,在管区段上产生至少一个另外的功能区段。这可以是另一个齿部区段,并且附加地或替代地,可以是连接区段或支承区段、螺纹区段等。按照这种方式,根据本发明优化的齿部也可以集成到用于机动车转向器的齿条的一体的结构形式中,例如借助于塑性的和/或切削的加工。
借助于根据本发明的方法的前述实施方式,优选地,可以提供用于机动车的转向传动器的齿条。这相对于在现有技术中已知的、纯塑性地由管区段制成的齿部的特征在于,能够实现齿的改善的填充、优化的齿轮廓和提高的耐久性。
该目的同样通过一种用于机动车的转向传动器的齿条实现,该齿条具有在纵轴线的纵向方向上轴向延伸的管状基体,该管状基体带有轴向延伸的齿部区段,该齿部区段带有具有至少一个齿的齿部。根据本发明,管状基体至少在与齿部区段相邻的区段中具有在周向上均匀的壁厚,并且齿部区段在齿的区域中具有壁厚增大部,该壁厚增大部大于壁厚。
得益于与该方法共同通用的、壁厚增大的发明构思,齿部可以在无现有技术的缺点的情况下构造在齿部区段中。
优选地,齿具有大于壁厚的高度。齿的高度是齿顶和齿足之间的距离。得益于这种改进方案可以进一步提高齿条稳定性。
针对所述方法所描述的有利的改进方案可以容易地转用到齿条上,仅仅由于所述齿条和所述方法基于共同的发明构思。
在用于机动车的转向传动器中,该转向传动器包括沿其纵轴线的方向可移动地支承的齿条并且在其齿部区段中与可转动地支承的转向小齿轮接合,根据本发明提出,所述齿条根据本发明的方法的之前所描述的实施方式构造。在已知的转向传动器中,通过根据本发明的齿条可以节省重量和/或结构空间,并且可以确保高的运行平稳和安全性。
附图说明
下面借助于附图对本发明的有利的实施方式进行详细解释。详细地示出:
图1以示意图示出了根据本发明的机动车转向***,
图2示出了根据本发明的齿条的第一实施方式,
图3以横截面和立体图示出了在根据本发明的方法之前的用于制造齿条的管区段,
图4以横截面和立体图示出了根据图4的按照根据本发明的方法加工的管区段,
图5以横截面和立体图示出了由根据图4的经加工的管区段按照根据本发明的方法生产的完成的齿条,
图6示出了根据本发明的齿条的第二实施方式,
图7示出了根据本发明的齿条的第三实施方式,
图8示出了根据本发明的齿条的第四实施方式。
具体实施方式
在不同的附图中,相同的部件始终设有相同的附图标记,并且因此通常也分别仅命名或提及一次。
图1示出了具有承载单元10的机动车转向***1的示意性立体图,承载单元10可安装在未示出的车身上,并且转向轴11可旋转地支承在承载单元10中。
在沿行进方向处于后方的端部处-在图1中朝向左方,方向盘12安装到转向轴11处,用于通过转向轴11的旋转引入手动转向指令。
此外,助力驱动器14可以设置在转向轴11处,所述助力驱动器14根据引入到方向盘12中的手动转向扭矩将支持的辅助扭矩连接至转向轴11。助力驱动器14能够以本身已知的方式包括电动的伺服驱动器,所述伺服驱动器直接地或经由传动器与转向轴11连接。
在为了更好的概览而在图1中示意性地未示出壳体的转向传动器2中,安装在转向轴11的前端部处的小齿轮13可旋转地支承。
转向传动器2具有在其基本形状方面呈管状的根据本发明的齿条3,该齿条在其纵轴线L的方向上轴向地延伸,也就是说在其纵向方向上延伸。齿条3在转向传动器2中沿纵向方向可移动地支承,如用双箭头表明的那样。
齿条3的两个外端部通过转向横拉杆15与可转向的轮16的转向节连接。
在图2中单独示出的第一实施方式中,齿条3具有管状的基体30,该基体具有齿部区段31,该齿部区段具有轴向长度A并且具有齿部,该齿部具有多个齿部的齿32,这些齿横向于纵轴线L延伸并且在纵向方向上彼此以齿间距布置。小齿轮13与齿部区段31的齿部接合,使得转向轴11的旋转经由齿条3的纵向移动转换成轮16的转向回转。
管状的基体30是空心圆柱形的并具有外直径D。
根据本发明的方法的齿条3的制造在图3、4和5中以彼此相继的制造步骤示意性示出。
图3示出管区段4,所述管区段作为用于根据本发明的方法的起始材料由较长的钢管材料定长剪切。空心圆柱形管区段4具有外直径D和在圆周上均匀的壁厚B。
图4示出了管区段4,在该管区段上根据本发明方法的第一步骤构造有单侧的展平部41。所述展平部41构造为平坦的,其中,平坦的外侧沿着割线穿过具有外直径D的圆形的横截面延伸。展平部41具有横向于纵轴线L测量的宽度C,该宽度对应于所述割线的长度,如在图4的左侧所示的横截面中所见。展平部41的轴向长度相应于齿部区段的长度A。
展平部41通过振荡的锤击借助于径向从外部冲击到管区段4上的锤工具5生产。在此,管区段4的原始的圆柱形的外圆周面成形为展平部41的平坦的外侧。展平部41的宽度C小于被塑性扁平地成形的、在相应于宽度C的割线上方的具有外直径D的圆弧区段的周长,由此,壁在展平部41的区域中如此在周向上被压缩,使得通过塑性成形产生壁厚增大W。如在图4的横截面中(左侧)可见,与展平部41的区域中的壁厚增大W相应的增大的壁厚大于管区段4的壁厚B,该壁厚B与在轴向上位于展平部41外部的未变形的基体30中的壁厚B相同。在背部42(也称为齿条背部42,其径向地与展平部相对置)的区域中,外直径D和壁厚B对管区段4没有改变。
锤工具5的在锤击时径向从外部碰到管区段4的成型表面的轴向宽度E小于展平部41或齿部区段31的长度A。在整个长度A上的塑性成形通过如下方式实现,分别在一次或多次锤击之后进行管区段4相对于锤工具5的逐步轴向进给,如在图4中用纵向相继的箭头所示的那样。由此实现逐步的、有利于均匀组织的塑性成形。
从图4出发,优选切削地从展平部41的实心体中铣削或拉削齿32,使得实现在图5中示出的齿条3的完成的实施方案。因此,齿32的齿尖原则上可以终止于根据图4的展平部41的外平面中。因此可以想到,以去除材料的方式加工齿尖,以产生工整的齿顶平面,但其中可以相对少量地去除材料。
在径向上与齿部区段31相对置的齿条背部42具有与未变形的管区段4相同的外直径D和相同的壁厚B。在所示的实施例中同样未变形的管状基体30在轴向上在齿部区段31之外具有相同的尺寸。
如在图5中的横截面(左侧)中可看出的那样,齿部的齿32在展平部41的壁厚加厚部W中从实心体加工出,优选通过铣削或拉削。沿径向方向测量的从齿足至齿尖(齿顶)的齿32的齿高小于壁厚加厚部W。
图6所示的实施例是所谓的组装的齿条6,其中根据本发明完成的齿条3形成齿条部段,该齿条部段与设计为具有螺纹区段62的螺纹部段61的功能部段在接合部位63处接合在一起,例如通过焊接、尤其是通过摩擦焊接。螺纹区段62例如可以是循环球传动器的球螺纹,在所述球螺纹中,附加的助力能够通过在这里未示出的助力驱动器的可由马达旋转地驱动的球螺母沿齿条6的纵向方向被接入。
齿条3的在图7中示出的第三实施方式又如根据图2的第一实施方式那样一件式地构造。除了齿部区段31之外,该第三实施方式还具有第二齿部区段33,该第二齿部区段33布置成相对于第一齿部区段31有轴向间距并且围绕纵轴线L错开。未示出的助力驱动器的可马达驱动的小齿轮可以与此齿部区段33接合,以将助力沿纵向方向接入到齿条3中。
在图8中示出的第四实施方式再次是类似于图6中构造的齿条6,然而其中两个原则上相同类型构造的、根据本发明的齿条3分别形成齿条部段,所述齿条部段在接合部位63处相互连接,例如通过焊接。在此,两个齿部区段31能够如根据图7的一件式的实施方式的齿部区段31和33那样布置。
附图标记列表
1 机动车转向***
10 承载单元
11 转向轴
12 方向盘
13 小齿轮
14 助力驱动器
15 转向横拉杆
16 轮
2 转向传动器
21 壳体
3 齿条
30 基体
31 齿部区段
32 齿
33 齿部区段
4 管区段
41 展平部
42 齿条背部(背部)
5 锤工具
6 齿条
L 纵轴线
A 齿部区段31的长度
D 基体30的外直径
B 管区段4的壁厚
C 展平部41的宽度
E 宽度
Claims (15)
1.制造用于机动车的转向传动器(2)的齿条(3,6)的方法,所述齿条具有在纵轴线(L)的纵向方向上轴向延伸的管状的空心型材,所述空心型材具有带有齿部的轴向延伸的齿部区段(31),其中提供了具有给定的、在周向上均匀的壁厚(B)的空心圆柱形的管区段(4),所述齿部(32)被引入到所述管区段中,其特征在于以下步骤,
-通过局部塑性成形产生具有壁厚增大(W)的展平部(41),
-在壁厚增大(W)的区域中产生齿部(32)。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,通过使管区段(4)的圆周部分区域扁平成形来产生壁厚增大。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,通过冷成形产生壁厚增大(W)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述塑性成形通过基本在径向方向上从外部作用的成形工具(5)实现。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述塑性成形通过振荡的锤击实现。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,塑性成形沿轴向方向前进地进行。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在塑性成形时,在管区段(4)中布置支撑芯轴。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,壁厚增大(W)大于空心圆柱形的管区段(4)的壁厚(B)的10%。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,壁厚增大小于空心圆柱形的管区段(4)的壁厚的40%。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述齿部通过切削加工形成或通过塑性成形产生。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,制造至少一个具有所述齿部区段(31)的齿部段(3)并且在接下来的步骤中与至少一个另外的杆部段(3,61)轴向地接合。
12.用于机动车的转向传动器(2)的齿条(3,6),其特征在于,所述齿条是根据权利要求1至11中任一项所述的方法制造的。
13.用于机动车的转向传动器(2)的齿条(3,6),所述齿条具有沿纵轴线(L)的纵向方向轴向延伸的管状基体(30),所述管状基体具有轴向延伸的齿部区段(31),所述齿部区段(31)具有带有至少一个齿(32)的齿部,其特征在于,所述管状基体(30)至少在与所述齿部区段相邻的区段中具有在周向上均匀的壁厚(B),并且所述齿部区段(31)在所述齿(32)的区域中具有比所述壁厚(B)大的壁厚增大(W)。
14.根据权利要求12或13所述的齿条(3,6),其特征在于,所述齿部通过切削加工操作形成和/或所述齿部区段相对于相邻的区段具有减小的断裂延伸率或者增大的断裂延伸率。
15.用于机动车的转向传动器(2),所述转向传动器包含沿其纵轴线(L)的方向能移位地支承的齿条(3,6),并且所述齿条的齿部区段(31)中接合有能转动地支承的转向小齿轮(13),其特征在于,所述齿条(3,6)根据权利要求12至14中的任一项构造。
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