现代轿车自动变速器的应用发展趋势

zhangjg

1.自动变速器概述

??车用自动变速器作为一种新型的传动器，最早是由1939年通用公司奥兹莫比尔部开发的，目前已经经历了半个多世纪的发展，而且其形式也多种多样。1977年美国克菜斯勒公司首先开发出了带锁止离合器的液力变矩器。这种锁止装置实际上是全自动离合器。锁止离合器时，变矩器将不起作用。这对改善燃料的经济性和降低变速器的温度有益处。

??在现代轿车上，常见的是采用电控的液力自动变速器，主要是由自动离合器和自动变速器两大部分组成。它能够根据油门的开度和车速的变化，自动地进行换档。与无级变速器相比，液力自动变速器最大的不同是在结构上，它是由液压控制的齿轮变速系统构成。因此，液力自动变速器并不是真正的无级变速，还是有档位的。其所能实现的是在两挡之间的无级变速。而无级变速器则是两组变速轮盘和一条传动带组成的，因此，其比传统自动变速器结构简单，体积更小。另外，它可以自由改变传动比，从而实现全程无级变速，使汽车的车速变化平稳，没有传统变速器换档时那种“顿”的感觉。

??无级变速器的无级变速原理的关键，是二个传动滑轮和联接此二个滑轮的传动带，每个滑轮都由一对彼此合成V形槽的锥体组成，通过传动带联接二滑轮，利用液压操纵机构移动锥体的开合，使传动带离滑轮轴心的径向位置发生变化，从而获得二滑轮之间的传动比(一般最大范围可达5：1)。自动变速器多挡化虽能扩大自动变速的范围，但它并非安全迅速，只在有级变速与无级变速之间，理想的无级变速器是在整个传动范围内能连续的、无挡比的切换变速比，使变速器始终按最佳换挡规律自动变速。无级化是对自动变速器的理想追求。

??现代无级变速器传动效率提高，油门反应快、油耗低，随着汽车技术的进步，已经越来越不满足于液力自动变速器，希望彻底改进无级变速器，从实现汽车从有级变速阶段向无级变速阶段的飞跃。福特、菲亚特、奥迪等企业纷纷推出了能够匹配大排量发动机的无级变速器。目前国内的自动档基本上全是液力自动变速器，只有奥迪采用了无级变速器。奥迪无级/手动一体式变速器，其就在原有的无级变速器基础上，进行多项技术上的创新、改进和提高。无极变速装备有自动控制装置，行车中可根据车速自动调整档位，无需人工操作，省去许多换档及踏踩离合的工作。

??2.自动变速器的结构分类

??一般车用变速器可分为手动变速器和自动变速器两大类。自动变速器是指不依靠人的手力，而能自动实现换挡功能的变速器。目前汽车上常用的自动变速器的类型有：液力自动变速器、液压传动自动变速器、电力传动自动变速器、有级式机械自动变速器和无级式机械自动变速器等。

??自动变速器按照汽车驱动方式的不同，可分为后驱动自动变速器和前驱动自动变速器即自动驱动桥。后驱动自动变速器的变矩器和齿轮变速器的输入轴及输出轴在同一轴线上，发动机的动力经变矩器、变速器、传动轴、后驱动桥的主减速器、差速器和半轴传给左右两个后轮。

??前驱动自动变速器在自动变速器的壳体内还装有主减速器和差速器。纵置发动机前驱动变速器的结构和布置与后驱动自动变速器基本相同；横置发动机前驱动变速器由于汽车横向尺寸的限制，要求有较小的轴向尺寸，通常将输入轴和输出轴设计成两个轴线的方式，变矩器和齿轮变速器输入轴布置在上方，输出轴布置在下方，减少了变速器总体的轴向尺寸，但增加了它的高度。

??自动变速器按前进挡的挡位数不同，可分为2个前进挡、3个前进挡、4个前进挡、5个前进挡。新型轿车装用的自动变速器基本上都是4个前进挡，没有超速档。目前己经开发出装有5个前进挡自动变速器的轿车。

无级变速器是自动变速器的一种手动变速器，结构简单、准确有效，但是，也存在操纵复杂、长期使用容易疲劳，换档时冲击较大等不足之处。自动档(又称无极变速)装备有自动控制装置，行车中可根据车速自动调整档位，无需人工操作，省去了许多换档及踏踩离合的工作。

??无级变速器可以从一种扭矩(或转速)平稳地转变为另一种扭矩(或转速)，在变化过程中不是一级一级(或一挡一挡)地跃变，而是稳定、缓和地渐变。无级变速器有液力式无级变速器(亦称液力变扭器)和机械式无级变速器等两种。

??电控自动变速器主要由液力变矩器、行星齿轮机构、液压控制系统和电控系统四大部分组成。

??机械式无级变速器按其作用又可分为冲击式和摩擦式两种。冲击式为一种断续的传动，即跳动式的，构造非常复杂，且工作时要产生很大的冲击载荷，应用在汽车上尚有很多困难。摩擦式则为一种连续的传动，发动机的扭力系借摩擦扭矩的变化而匀顺地传到后面，其构造比较简单，目前已经应用在汽车上。

??3.自动变速器的特点

??自动变速器能进行繁复的加速、减速变速器换挡等功能，具有变速平滑、驾驶轻便等优点。汽车自动变速器一般和变矩器一起使用，带有液力传动的特点，可以弥补机械变速器的一些缺点。它可以根据发动机的工况和车速情况，自动选择挡位，而且具有下列显著特点：

??(1)整车具有更好的驾驶性能：汽车驾驶性能的好坏，除与汽车本身的结构有关外，还取决于正确的控制和操纵。自动变速器能通过系统的设计，使整车自动去完成这些使用要求，以获得最佳的燃油经济性和动力性，使得驾驶性能与驾驶员的技术水平关系不大，因而特别适用于非职业驾驶。

??(2)良好的行驶性能：自动变速装置的挡位变换不但快而且平稳，提高了汽车的乘坐舒适性。通过液体传动和微电脑控制换挡，可以消除或降低动力传递系统中的冲击和动载，这对在地形复杂、路面恶劣条件下作业的工程车辆、军用车辆尤为重要。试验表明，在坏路段行驶时，自动变速器的车辆传动轴上，最大动载转矩的峰值只有手动变速器的20%～40%。原地起步时最大动载转矩的峰值只有手动变速器的50%～70%，且能大幅度延长发动机和传动系零部件的寿命。

??(3)高行车安全性：在车辆行驶过程中，驾驶员必须根据道路、交通条件的变化，对车辆的行驶方向和速度进行改变和调节。以城市大客车为例，平均每分钟换挡3～5次，而每次换挡有4～6个手脚协同动作。正是由于这种连续不断的频繁操作，使驾驶员的注意力被分散，而且容易产生疲劳，造成交通事故增加；或者是减少换挡，以操纵油门大小代替变速，即以牺牲燃油经济性来减轻疲劳强度。自动变速的车辆，取消了离合器踏板和变速操纵杆，只要控制油门踏板，就能自动变速，从而减轻了驾驶员的疲劳强度，使行车事故率降低，平均车速提高。

??(4)降低废气排放：发动机在怠速和高速运行时，排放的废气中，CO或CH化合物的浓度较高，而自动变速器的应用，可使发动机经常处于经济转速区域内运转，也就是在较小污染排放的转速范围内工作，从而降低了排气污染。

??(5)可以延长发动机和传动系的使用寿命：因为自动变速器采用液力变矩器和发动机“弹性”连接，外界的冲击负荷可以通过藕合器缓冲，有过载保护的功能。在汽车起步换挡、制动时能吸收振动，相应减小了发动机和传动系的动载荷。


(6)操纵简单：只需设置液压工作阀的位置，自动变速器就可以根据需要进行自动加挡和减挡，省去了起步和换挡时踏离合器、更换变速杆位置和放松油门等复杂的操作规程，大大减小了驾驶员的劳动强度。

??(7)提高了汽车的平顺性：因采用液力变矩器在汽车起步时，车轮上的牵引力逐步增加，无振动并减少车轮滑动，使起步容易平稳。汽车在行驶中的稳定车速也可以降到最低，甚至为零。行驶阻力增大时，发动机也不会出现熄火。

??(8)提高生产率：换挡时功率基本没有间断，可保证汽车有良好的加速性和较高的平均车速，使发动机的磨损减少，延长了大修间隔里程，提高了出车率。

??但自动变速器缺点是：与手动变速器相比，其结构较复杂，零件加工难度大，生产成本较高，修理也较麻烦。另外自动变速器的传动效率不够高，当然，通过与发动机的匹配优化、液力变矩器锁止、增加挡位数等措施，可使自动变速器的传动效率效率接近手动变速器的水平。

??4.自动变速器的应用形式

??现代车用自动变速器的应用，主要有以下两种形式：

??(1)液压控制式自动变速器：这是一种利用车速和加速踏板踏入量之间的关系所决定的传动比，通过油压控制机构进行自动控制的变速器。常用的液压控制式自动变速器一般由液力藕合器或变矩器、液压操纵系统和行星齿轮传动系统组成。液力藕合器利用液体流动，把发动机的动力传递给齿轮传动系统，行星齿轮传动系统可以利用本身的传动特点，改变发动机的转速和转矩，起着换挡的作用。液压操纵系统可以根据汽车行驶的实际需要操纵行星齿轮系统，使其加挡、减挡或倒车，从而改变汽车的行驶速度和方向。

??液力变速器由三个工作轮，即泵轮、蜗轮和固定不变的液流导向装置导轮(又称反应器)组成。为了保证液力变扭器的性能及液流很好地循环，三个工作轮的叶片都弯成一个角度，这是与液力耦合器的叶片不同的。泵轮和蜗轮为冲压件，导轮为铝合金精密铸造件。泵轮与变速器壳体连成一体，固定于发动机曲轴后端的凸缘上。导轮装在自由轮机构上，自由轮内座花键孔径经导轮固定套管固定在壳体上，蜗轮通过轮毂的花键孔与从动轮连接。导轮浮动于泵轮和蜗轮之间，并保持一定轴向间隙。在工作过程中轴向力较大，导轮端装有止推垫片，蜗轮与壳体装有聚甲醛塑料垫片。变扭器壳体的外面装有供起动机的齿圈。三个工作轮在液力变扭器装配好之后形成环形的内腔。其纵向端面称为变扭器的循环圆。

??液力变扭器和液力耦合器一样，正常工作时贮于环形内腔的工作液，除有绕变扭器轴线的圆周运动外，还有在循环圆内循环流动，故能将扭矩由泵轮传到蜗轮上。液力变扭器在传动作用上不同于液力耦合器的是：液力耦合器只能将扭矩大小不变地传给蜗轮，即只能起离合器的作用；但液力变扭器则不仅能传递扭矩，而且能在泵轮扭矩不变的情况下，随着蜗轮的转速(反映着汽车的行驶速度。不同面能自动地改变蜗轮轴上的输出扭矩数值，故能兼起离合器和变速器的变扭作用。

??液力变扭器虽然能在一定范围内无级地改变扭矩比，但由于它存在着变扭能力与效率之间的矛盾，目前应用的液力变扭器一般变扭系数都不够大，难以满足汽车使用要求，故在高级轿车上，广泛采用的是液力变扭器与齿轮式变速器联合组成液力机械式无级变速器。与液力变扭器配合使用的齿轮式变速器有行星齿轮式变速器和固定轴线式齿轮变速器两种。国产红旗牌高级轿车上采用的就是液力变扭器与行星齿轮式变速器联合的液力机械式变速器，它由一个四元件(泵轮、蜗轮、第一导轮与第二导轮)的综合液力变扭器与可以自动换档的两行星齿轮变速器所组成。

工作中驾驶员踏下油门的位置或发动机进气管的真空度和汽车的行驶速度，能指挥液压操纵系统工作，液压操纵系统利用液体压力控制行星齿轮系统的离合器和制动器，并改变行星齿轮传动的状态。以上过程完全是在变速器内部进行的，不需要驾驶员的操作，即所谓的自动换挡。在这里液力变矩器的作用是：增大汽车起步的转矩以提高车辆的起步性能，可减少变速冲击，隔断发动机输出转矩的振动，但却存在输入轴和输出轴流动空转打滑引起发动机功率损失的问题，因而在其后又引入了锁止机构，虽然解决了一些问题，但由于受各控制元件的制约，变矩器的作用难以充分发挥，特别是减小发动机转矩变动的问题还需要解决。况且这种锁止离合器只能在发动机转矩变小的高转速范围内起作用，因此不能充分提高燃油的经济性，为解决这一问题，世界上各大汽车公司采取了种种措施，如采用锁止离合器微量滑动方式；采用粘性连轴器吸收振动的方式等，但效果并不是很理想，后来人们把电子技术引进汽车领域，于是作为一种新型的自动变速器，电子控制式自动变速器应运而生。

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(2)电子控制式自动变速器：常规的汽车自动变速器中锁止式变矩器均靠液压传动，但随着电子技术在汽车上的推广应用，采用微型电子计算机等装置作为自动变速器的液压控制装置，再用某些液压控制装置对变速器换挡机构进行操纵控制，这样不仅使换挡时间更加精确、换挡更加平稳，而且操纵自如灵活；另一方面可以使变速挡尽量与驾驶员的意愿相结合；其次采用电子控制，通过选择适合行驶状态的最佳传动比，可以提高汽车的动力性，提高乘坐的舒适性，并与发动机控制相结合，相应提高燃油的经济性。

??电子控制式自动变速器是利用油压回路的电磁线圈通电和断电，来控制变速器的变速定时及变速时的过渡特性。其电子控制系统主要有：变速点控制、自锁控制、变速时过渡特性控制、油压控制、变速时锁止控制等。在电子控制式自动变速器中，由车速传感器和节流阀开度传感器将车速和节流阀开度转换成电信号后，作为电子控制装置ECU的输入信号，经变速器中的ECU计算处理后，再适时输出信号给电磁阀，利用这些电磁阀来控制油压回路。显而易见，液压控制式自动变速器与电子控制式自动变速器的不同之处在于，利用电子技术检测方式和对油压的控制方式上，电子控制式自动变速器是采用传感器来检测车速和节流阀开度，利用电子技术对电磁阀进行控制，从而实现对汽车自动变速器进行更迅速、适时和更精确的控制。

??5.电控机械无级自动变速器(CVT)

??机械式无级变速器与液力传动自动变速器相比，在操纵方便性和乘坐舒适性方面可与液力变矩器相媲美，而其传动效率却远高于液力矩器。更主要的是它能最好地协调车辆外界行驶条件与发动机负载，充分发挥发动机动力，提高整车燃油经济性。从理论上讲CVT可使发动机始终在经济工况下运行。另外，CVT的牵引性能好，在汽车加速时无需切断动力，能显著地提高超车性能。

??人们很早就意识到CVT是方便驾驶、提高车辆燃油经济性的理想装置，由几十年前出现的双锥体球、盘、环柱体等发展到皮带传动，但由于摩擦面的摩擦系数及零件承受单位压力的限制，加之加工工艺和控制上的难题，不能传递较大功率，仅限用于微型汽车上。在20世纪70年代中后期，CVT研制成功并于1982年投放市场。

??Ford公司1987年在世界上首次将装钢带的CVT轿车引入市场，受到用户好评。与此同时有人认为钢带一般都在五层以上，运动时各层速度不同，互相有摩擦与磨损。如一根带断，就会引发其他带连续断下去，故1956年德国开始了无级链传动的研究，到1987年已生产20多种样机，各国均视其为自动变速技术的崭新途径。

目前我国CVT已经进入实用阶段，一汽大众生产的奥迪A6轿车己选装CVT自动变速器，它采用带/链传动，是奥迪公司首家推出能够应用于功率和转矩分别达到150kW和300N.m的V6 2.8L发动机系统的CVT变速器，并且正在制定一个在行驶性能、燃油经济性和动力性及舒适性等方面的新标准。

??6.自动变速器的应用现状

??现代无级变速器传动效率提高，油门反应快、油耗低，随着汽车技术的进步，已经越来越不满足于液力自动变速器，希望彻底改进无级变速器，从实现汽车从有级变速阶段向无级变速阶段的飞跃。福特、菲亚特、奥迪等企业纷纷推出了能够匹配大排量发动机的无级变速器。曰前国内的自动档基本上全是液力自动变速器，只有奥迪采用了无级变速器。奥迪无级/手动一体式变速箱，其就在原有的无级变速器基础上，进行多项技术上的创新、改进和提高。

??在奥迪的变速器上安装了一种称为多片式链带的传动组件，这种组件能够传递和控制峰值扭力高达28ONm的6缸发动机，源源不断地输出的动力和扭矩。由于这种组件的应用，大大拓展了无级变速器的使用范围，这种新的无级变速器的传动比远远超过了以前各种自动变速器的传动比的极限值。另外，这种变速器还采用了湿式多片式离合器，取代了以前无级变速器和普通自动变速器车上的液压变矩。有资料显示：新型的无级变速器车辆油门反应更快、油耗更低、从车辆的整体性能来看，装有无级/手动一体式变速器的奥迪A62.8轿车的1OOkm/h加速时间比装普通自动变速器的同级车快了1.3秒，甚至比装有最佳的5速手动变速器的相同车型也快0.1秒。同时，按照欧洲的燃料消耗标准，它比装常规自动变速器车辆每百公里少消耗0.9L汽油，而且比装5速手动变速器的车每百公里少消耗0.2L。另外，在价格上，装有无级/手动一体式变速箱的奥迪A62.8也仅比同样车型售价增加2500元。

??无极变速装备有自动控制装置，行车中可根据车速自动调整档位，无需人工操作，省去了许多换档及踏踩离合的工作。其不足之处在于价格昂贵、维修费用很高，而且使用起来比手动档车费油，因为自动变速器的动力传递是通过液压来完成的，在工作中会造成动力损失。尤其是低速行驶或堵车中走走停停时，更会增大油耗。

??7.自动变速器的发展趋势

??由于电子技术的不断发展和进步，特别是微机控制功能的进一步增加，各种传感器和执行机构性能的改善，所以在自动变速器上也开始大量采用。1969年出现的程序式变速器是电子技术在自动变速器中的首次应用。进入80年代后，大规模集成电路技术的发展，使得由微机控制发动机和变速器换挡成为可能。

??现代汽车变速器的发展趋势是向着可调自动变速箱或无级变速器方向发展。采用无级变速器可以节约燃油，使汽车单位油耗的行驶里程提高30%。通过选择最佳传动比，能够使发动机保持在很窄的转速范围内运转，从而获得最有利的功率输出，无级变速器传动比传统的自动变速器轻，结构更简单而紧凑。自90年代以来，随着电子技术的飞速发展，以及用户对它的操纵性能、舒适性、安全性能等方面的苛刻要求，世界上许多汽车生产厂家不断投入人力和财力，大力加强自动变速器的技术研究，促进其不断的向前发展。


近年来，随着微电子技术的飞速发展，电子控制自动变速器的问世，给汽车带来了更理想的传动系统。机电一体化技术进入汽车领域，推动了汽车变速装置的重大变革。自动变速器装置均出现了电子化的趋势。现代轿车自动变速器的发展方向是：

??(1)电子控制全域锁止离合器及液力缓速装置：为了提高传动效率，改善经济性能，轿车用自动变速器普遍采用了变矩器锁止离合器，并进行电子控制以保持其换档的平顺性。锁止式液力变矩器其功能特点所决定了自动变速器由液力藕合器--液力变矩器--锁止式液力变矩器的过程。液力变矩器除了能传递转矩外，还能增大发动机的转矩，以吸收扭转振动的作用，液力藕合器却不能。带锁止离合器的液力变矩器，克服了液力变矩器输出轴与输入轴之间存在滑动而使液力变矩器传动效率降低的缺点，这种锁止装置实际上是全自动离合器。锁止离合器时，变矩器将不起作用。这对改善燃料的经济性和降低变速器的温度有益处。如曰产汽车公司的公爵牌及荣光牌轿车。在一些重型汽车及公共汽车上装有液力缓速装置将得到大多数驾驶员的拥护，它可以大大提高行车安全性及制动系统零件的寿命。

??(2)适合于整车驱动系统的电子控制智能型自动变速器：智能型的电子控制自动变速器的电子系统可以在汽车行驶过程中，对汽车的运行参数进行控制，合理地选择换档点，而且在换档过程中对恶化的参数进行修正。如：摩擦片的摩擦系数、油的粘度、车辆的负荷变化等。同时具有自动诊断系统，可以将汽车运行中的故障记录下来，便于维护。

??电子控制技术利用微机控制变速器，不仅使换挡程序更加符合驾驶员的意愿，而且还能利用模糊控制理论，解决特殊情况下变速程序的复杂问题，使自动变速器的控制能力及可靠性大幅度提高。现代电子控制自动变速器的主要特点是一机(微机)多参数、多规律性的控制。多参数指输入微机的控制参数多元化，即控制参数不仅有发动机转速、车速、节气门开度等信号，而且又反映发动机、变速器工作环境和行驶等信号。可见控制参数多元化，更能全面的反映发动机和变速器的实际工况；多规律是指控制微机中间时存储多种不同的换挡规律，如最佳经济性、动力性，各种加速行驶时的最佳经济性、最佳排放量等，驾驶员可按需要调用相应的规律实现最佳控制。总之电子控制能实现多参数、多规律性的控制，使发动机和变速器在在不同油门开度和各种行驶环境下都能处于最佳工作状态。

??曰本丰田凌志牌高级轿车应用了智能型发动机一变速器综合控制系统。该系统利用计算机控制系统进行综合控制。在变速时，使发动机扭矩临时降低，与此同时，控制离合系统油压，使变速平稳。在离合系统油压控制中，检测与预计最优化值的偏差，并利用新开发的线性电磁阀进行修正反馈控制。

??(3)电子控制无级变速器(ECVT)：无级变速器能够自由改变速比，故能进行理想的变速控制，比多档位齿轮传动机构更优越。自动变速器多挡化虽能扩大自动变速的范围，但它并非安全迅速，只在有级变速与无级变速之间，理想的无级变速器是在整个传动范围内能连续的、无挡比的切换变速比，使变速器始终按最佳换挡规律自动变速。无级化是对自动变速器的理想追求。

??但是无级变速器存在着体积大、笨重和传动效率低的问题，而且也缺少解决耐久性问题的相应措施。但随着电子技术的应用，电子控制的V型金属带型无级变速器在西欧及曰本得到重视，正在积极开发市场，以希望其一步到位。目前研制开发并在微型轿车上采用此类变速器约有曰本富士重工公司及荷兰VDT公司等。

??由于电子技术的不断发展和进步，特别是微机控制功能的进一步增加，各种传感器和执行机构性能的改善，所以在自动变速器上也开始大量采用。1969年出现的程序式变速器是电子技术在自动变速器中的首次应用。进入80年代后，大规模集成电路技术的发展，使得由微机控制发动机和变速器自动换挡成为可能。在我国，上海通用公司在其生产的别克轿车上装备了4T65-E电控自动变速器，这是我国第一家汽车公司将自动变速器作为标准装置装于轿车，该变速器于1998年10月份正式下线生产。


(4)自动预选式换档系统：近来ZF公司又开发了一种自动预选式换档系统，它可以使驾驶员体会到驾驶车辆的快感，又不需要紧张费力的操作。这种自动预选式换档装置，是全自动换档系统的基础，它的性能包括：电子控制自动选档，换档时刻由驾驶员确定；驾驶员不需要手操作换档。主动和被动保护装置；诊断屏幕实现系统监督。

??自动变速器除采用无级变速作用的变矩器外，其齿轮数也在不断增多，从而使变速范围不断加宽。这有助于改善发动机的燃油经济性和动力性，使发动机工况进一步向最佳化逼近。

??(5)小型化：减轻重量、缩短动力传递路线，能使汽车节油，自动变速器的小型化正起着这种作用。70年代以来(FI置发动机前轮驱动)微型车急剧增多，从而为自动变速器小型化提供了前提条件。此外，自动驱动桥(即把变速器与驱动桥合为一个整体)的趋势十分突出，小型化又推动了FF化和自动驱动桥的发展。

??电子控制与液压控制相比，具有明显的优势：电子控制可以实现以前由液压控制难以实现的更复杂多样的控制功能，使变速器的性能得到提高。电子控制可以极大地简化液压控制结构，减少生产投资等。电子控制功能借助于软硬件结合才能实现，由于软件易于修改，可使产品具有适应结构参数变化的特性。随着汽车电子化的发展，汽车传动系的电子控制可以与发动机、制动系、安全气囊等系统通过总线联网，资源共享，实现整体控制，进一步简化控制结构。

??当今世界各大汽车公司对无级变速器的研制都十分活跃。不久的将在，可望电子控制式的无级变速器将得到广泛的应用和发展。

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连连流星

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