高強度螺栓的簡介 高強度螺栓的分類及應用
螺栓與螺帽經(jīng)常搭配使用，常用于固定結構性的物體，凡是涉及到部件的連接或組裝都會用到它們。螺栓是我們常說的五金產(chǎn)品之一，它一般是由金屬質材料制成，其種類會隨其制成材料的不同而不同。螺栓的應范圍很廣，不同的用途需要不同種類的螺栓，對螺栓性能的要求也有很大的差別。在一些特殊的環(huán)境中或一些有特殊要求的機器上會需要螺栓有很高的強度，于是就出現(xiàn)了高強度螺栓。那么什么是高強度螺栓？它一般是由什么材料制成的呢？下面就由小兔給大家介紹一下高強度螺栓。
一、關于高強度螺栓通俗地講，高強度螺栓就是人們預先給其施加強大的壓力而未出現(xiàn)明顯變形或折斷的螺栓，或者可以理解成為用高強度鋼制成的螺栓。高強螺栓與普通螺栓最明顯的不同就是它能承受超強的外部壓力，而不易變形、折斷，如果折斷也是那種脆性折斷。根據(jù)國家相關的標準規(guī)定，性能等級在8.8級的螺栓就可以稱之為高強度螺栓了。從制成材料來看，高強度螺栓一般是由高強度的鋼制成，即35#鋼等優(yōu)質材料；而普通螺栓一般由Q235鋼制成。
高強度螺栓由于能承受的載荷遠高于同規(guī)格的普通螺栓，因此，它主要被用于一些高壓環(huán)境，如高壓或超高壓設備的連接、橋梁、鋼軌等，其中用于超高壓設備連接的高強度螺栓還需要施以較大的預應力。此外，高強度螺栓也經(jīng)常被用于建筑結構，但是一般用于建筑結構的高強度螺栓是不可以重復使用的，因此對此類的螺栓的要求就要更高了。高強度螺栓一般以8.8級和10.9級為主，其中10.9級的高強度螺栓應用最多。
二、高強螺栓的具體分類及相應的應用范圍高強螺栓是用來連接各種部件的，由于連接的部件的不同，或連接環(huán)境的不同，需要其具備不同的性能，因此，人們就根據(jù)這些要求生產(chǎn)出了不同種類的高強度螺栓。1、承壓型高強度螺栓：這類型的高強螺栓主要用于靜態(tài)或有少許滑動結構部件之間的連接，要求高強度螺栓用于很強的抗承壓力的能力，同時還要具備很強抗剪能力。2、摩擦型高強度螺栓：這類型的高強螺栓主要用于制動系統(tǒng)和承受動荷載的重要結構的連接，例如，重型吊車梁的連接、實腹梁的連接等。
3、抗拉型高強度螺栓：這類型高強度螺栓的基本要求是要求螺栓在受到強大的拉力是不易變形、折斷或脫落等，它們常被用于受壓件的法蘭連接。 以上就是小兔給大家介紹的高強度螺栓的相關知識，希望對大家有所幫助。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種工程建設和機器設備不斷的出現(xiàn)，因此，高強的螺栓的應用還將越來越廣泛，我們對其性能的要求也會越來越高。
高強度螺栓到底強在哪？
超高強度緊固件可以在相同夾緊力下，通過減少自身尺寸來降低重量和增加安裝空間，因此可以對被連接部件進行功能和體積優(yōu)化，從而使裝備達到整體減重和性能優(yōu)化的目的。
那么什么是高強度螺栓呢？高強度螺栓究竟強在哪？小編今天帶你來了解一下。
2021年11月28日，由上海大學材料科學與工程學院董瀚教授領銜的高性能鋼鐵材料團隊、河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司、七豐精工科技股份有限公司、舟山市7412工廠、江蘇冶金技術研究院、上海大學（浙江）高端裝備基礎件材料研究院、上大新材料（泰州）研究院等七家單位經(jīng)過一年多的聯(lián)合攻關，通過“材料生產(chǎn)—緊固件制造—服役評價”全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作，基于鋼鐵材料高性能化理論，利用龍鳳山鑄業(yè)生產(chǎn)的高純鐵原料成功研發(fā)出超高強度緊固件用B17.8及B19.8鋼，形成了16.8級和19.8級緊固件制造技術。
16.8和19.8級緊固件實物
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什么是高強度螺栓？
高強度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強度摩擦預緊螺栓，英文簡稱：HSFG?？梢?，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術人員對高強度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)一：
材料等級超過8.8級的螺栓，就是“高強度螺栓”？
高強度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質是是否施加預緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實際上在英標規(guī)范，美標規(guī)范中提到的高強度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級和10.9級兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6、5.6、8.8、10.9、12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強度高低并不是區(qū)別高強度螺栓與普通螺栓的關鍵。
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高強度螺栓強在哪？
按照GB50017，計算單個普通螺栓（B類）8.8級和高強度螺栓8.8級抗拉及抗剪強度。
通過計算我們可以看到，相同等級的情況下，普通螺栓的抗拉強度和抗剪強度的設計值都要高于高強度螺栓。
那么高強度螺栓，“強”在哪里？
為回答這一個問題，必須從兩種螺栓的設計工作狀態(tài)入手，研究其彈塑性變形的規(guī)律，并理解到設計破壞時的極限狀態(tài)。
普通螺栓和高強度螺栓工作狀態(tài)下應力應變曲線
設計破壞時的極限狀態(tài)
普通螺栓：螺桿本身發(fā)生超過設計允許的塑性變形，螺桿被剪壞。
普通螺栓連接，開始承受剪力前連接板間就會發(fā)生相對滑移，繼而螺栓桿和連接板接觸，發(fā)生彈塑性形變，承受剪力。
高強度螺栓：有效摩擦面間的靜摩擦力被攻克，兩塊鋼板發(fā)生相對位移，設計考量上即為破壞。
高強度螺栓連接，摩擦力首先承受剪力，當荷載增大到摩擦力不足以抵抗剪力，靜摩擦力被攻克，連接板發(fā)生相對滑移（極限狀態(tài)）。但此時雖然破壞，但螺栓桿與連接板發(fā)生接觸，依然可以利用其本身的彈塑性形變，承受剪力。
誤區(qū)二：
承載能力高就是高強度螺栓？
由單個螺栓的計算可知，高強度螺栓抗拉和抗剪的設計強度均低于普通螺栓。其高強實質是：正常工作時，節(jié)點不允許發(fā)生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節(jié)點剛度大。
可見，在給定設計節(jié)點荷載的情況下，用高強度螺栓設計的節(jié)點并不一定能節(jié)省螺栓使用數(shù)量，但是其變形小，剛度大，安全儲備高。高強度螺栓適合用主梁，等要求節(jié)點剛度較大的位置，符合“強節(jié)點，弱桿件”的基本抗震設計原理。
高強度螺栓之強，并非在于其本身的承載能力設計值，而是表現(xiàn)于其設計節(jié)點的剛度大，安全性能高，抗破壞的能力強。
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高強度螺栓和普通螺栓的對比
普通螺栓和高強度螺栓由于其設計的受力原理不同，其在施工檢驗方法上有極大的區(qū)別。
同等級普通螺栓各項機械性能要求均比高強度螺栓略高，但高強度螺栓較普通螺栓多一項沖擊功的驗收要求。
普通螺栓和高強度螺栓的標示是對同等級螺栓現(xiàn)場識別的基本方法。由于英美標準中對于高強度螺栓扭矩值計算的取值并不相同，所以識別兩種標準的螺栓也有必要。
高強度螺栓：（M24，L60，8.8級）
普通螺栓：（M24，L60，8.8級）
可見普通螺栓大約為高強度螺栓價格的70%，結合其驗收要求的對比，可以得出，其溢價部分就應該是為了保證材料的沖擊功（韌性）性能。
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如何提高螺栓疲勞強度
無論承受什么復雜的載荷，高強度螺栓的常見失效形式就是疲勞失效。早在1980年有專家研究了200例螺栓連接的失效，其中50%以上是疲勞破壞。提高高強度螺栓的抗疲勞性能至關重要。
螺栓疲勞斷裂具有以下特征：
1. 疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低。
2. 疲勞斷口均為無明顯塑性形變的脆斷性突然斷裂。
3. 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結果。
對于螺栓，其失效形式主要是螺紋部分的塑性形變和螺桿的疲勞斷裂，其中：
65%的破壞發(fā)生在與螺母聯(lián)接的第一個螺牙；
20%的破壞發(fā)生在螺紋與光桿的轉變處；
15%的破壞發(fā)生在螺栓頭與螺桿過渡圓角處。
01
優(yōu)化設計減小應力集中
嚴格控制螺栓的收尾尺寸消除應力集中:
a. 采用較大的過渡圓角
b. 切制卸荷槽
c. 螺紋收尾處切制退刀槽
d. 優(yōu)化螺栓的頭下傾角也可以有效減少應力集中
e. 采用加強型的螺紋
加強型螺紋與普通螺紋的主要區(qū)別在外螺紋的小徑d1和牙根過渡圓角R。
加強型螺紋的主要特點是小徑d1較普通螺紋大些，牙根過渡圓角半徑增R大，減小螺栓的應力集中，且對R有具體要求：R+=0.18042P，Rmin=0.15011P，其中P為螺距,而普通螺紋無此要求,甚至可以為平直段。
02
改善制造工藝
加強控制螺栓的制造過程中熱處理和表面處理工藝可以有效提高螺栓的疲勞。
a. 熱處理
螺栓先熱處理后滾絲成型，這樣在螺栓的內部產(chǎn)生較大的殘余壓應力，從而減緩裂紋的形成及發(fā)展，因而提高螺栓的疲勞強度。
其中熱處理時還應防止脫碳現(xiàn)象的發(fā)生，對比無表面脫碳和有表面脫碳情況下螺栓的疲勞強度。
脫碳層由于碳被氧化，金相組織其滲碳體的數(shù)量較正常組織少，因此在力學性能上其強度或硬度較正常組織低。
通常存在表面脫碳情況下螺栓的疲勞強度下降19.8%。
b. 磷化
螺栓表面磷化處理是為了防銹及穩(wěn)定裝配時的摩擦。
但是磷化處理同時也可起到減磨作用。
在滾絲過程中降低滾絲輪螺紋和螺絲螺紋之間的摩擦力，這對滾絲后螺栓螺紋上的應力分布及降低螺紋表面粗糙度都將產(chǎn)生積極作用。
03
設置適當?shù)念A緊力
普通螺栓聯(lián)接的螺桿拉力主要被最前面的三牙受力螺紋承受。
當初始預緊力足夠大時，會使部分螺紋根部局部進入塑性變形，同時在這些螺紋根部產(chǎn)生殘余應力。
螺紋根部產(chǎn)生的殘余壓應力，能提高螺紋的疲勞強度。
同時塑性變形后的螺紋還能改善螺紋受力分布，使螺紋牙上的接觸壓力變小。
由此也提高了螺紋的疲勞強度。
預緊力越大，螺栓聯(lián)接抵抗聯(lián)接分離的能力越大，抵抗預緊力松弛的能力越強。
同時螺栓聯(lián)接的實際有效疲勞強度也越大。
因此，增大螺栓聯(lián)接的預緊力， 利于提高螺栓聯(lián)接抵抗循環(huán)外載作用下疲勞失效的能力，使螺栓聯(lián)接在振動沖擊力與有限超載作用下產(chǎn)生疲勞失效的風險變得更小。
高強度螺栓又叫高強度摩擦預緊螺栓，這些你知道嗎
高強度螺栓是鋼結構施工中最普遍常見的施工內容，所有鋼結構工程師都會覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認識高強度螺栓，可能會顛覆你最基本的認識。
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什么是高強度螺栓
高強度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強度摩擦預緊螺栓，英文簡稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術人員對高強度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)一：材料等級超過8.8級的螺栓，就是“高強度螺栓”？
高強度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質是是否施加預緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實際上在英標規(guī)范，美標規(guī)范中提到的高強度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級和10.9級兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強度高低并不是區(qū)別高強度螺栓與普通螺栓的關鍵。
誤區(qū)二：高強度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是為“高強”？
由單個螺栓的計算可知，高強度螺栓抗拉和抗剪的設計強度均低于普通螺栓。其高強實質是：正常工作時，節(jié)點不允許發(fā)生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節(jié)點剛度大。
可見：在給定設計節(jié)點荷載的情況下，用高強度螺栓設計的節(jié)點并不一定能節(jié)省螺栓使用數(shù)量，但是其變形小，剛度大，安全儲備高。適合用主梁，等要求節(jié)點剛度較大的位置，符合“強節(jié)點，弱桿件”的基本抗震設計原理。
高強度螺栓之強，并非在于其本身的承載能力設計值，而是表現(xiàn)于其設計節(jié)點的剛度大，安全性能高，抗破壞的能力強。
02
高強度螺栓規(guī)格
國內常用的高強度螺栓分為 ASTM 及 JIS 規(guī)格。通常用的 ASTM 高強度螺栓有 A325 及 A490 兩種，具體使用情況如表一所示。
表一 ASTM 高強度螺栓通用情況
A325 螺栓主要成分為 TYPE1 及 TYPE3 兩種，TYPE1 為一般結構用，如需要時可以熱浸鍍鋅，耐候鋼材應配合使用TYPE3螺栓，采用 TYPE3 螺栓時設計圖上應特別標明，A325 螺栓的機械性如表二所示。
表二 ASTM高強度螺栓機械性能
A490 螺栓的材料強度比 A325 高，但是 A490 螺栓不可熱浸鍍鋅。A490 螺栓分為 3 種 TYPE 同樣耐候鋼材配合使用 TYPE3 型螺栓。A325 及 A490 螺栓標準直徑以英尺為單位，以 1/8 英尺為單位增量，且皆介于 1 英尺至 1.5 英尺之間，以 1 英尺左右的直徑較常用。
有些特殊的情況，所需螺栓直徑超過 1.5，此時可采用 A490 螺栓。A490 螺栓使用情況如表一所示，材料強度如表二所示。ASTM 高強度螺栓的螺頭及螺帽皆為六角形頭，其中螺帽必須為重型六角形螺帽。
JIS規(guī)格的高強度螺栓分為六角螺栓頭的 F 系列以及為減輕材料用量及美觀需求而發(fā)展之圓螺栓頭之 S 系列（見圖一），圓螺栓頭在安裝后拆卸較困難。
圖一 JIS F10T圓頭型扭矩控制高強度螺栓
材料強度不同，F(xiàn)系列又分為 F8t、F10t 及 F11t 三種，s系列則分成 s8t 及 s10t 二種，其中 F11t 材質因品質較不易控制，僅部分制造商有制造生產(chǎn)資質，其材料強度如表三所示。
表三 JIS 高強度螺栓材料強度
JIS 螺栓直徑以 mm 為單位，一般常用的直徑規(guī)格在 12mm 至 24mm 之間。有過去的熱浸鍍鋅經(jīng)驗可知，高強度螺栓在熱浸鍍鋅前處理酸洗過程中會吸收氫氧，因此會產(chǎn)生延遲破壞現(xiàn)象，延遲破壞就是高強度螺栓緊固一段時間后發(fā)生突然斷裂現(xiàn)象，這是因為金屬結晶內蓄含的氫氧壓力過大的結果。
延遲破壞在 F10t 以上之高強度螺栓才會發(fā)生，F(xiàn)8t 以下不會發(fā)生，故摩擦結合所使用的熱浸鍍鋅高強度螺栓只能用 F8t 以下。
因為中國土木水利工程學會所編著的《熱浸鍍鋅鋼橋設計施工手冊》明確標明建筑使用 F8t 螺栓、F10 螺帽、F35 的華司組合及鍍鋅試驗片的疲勞強度約比黑漆母材低 12kgf/mm2，因此對熱浸鍍鋅的高強度螺母 F8t 應視情況考慮酌增螺栓用量。
螺栓的外觀如圖二所示，螺栓在螺栓頭會標識其種類，如圖三及四所示，以方便使用及施工管理。
圖二 螺栓外觀及尺寸
圖三 ASTM 高強度螺栓之標示
圖四 JIS 高強度螺栓之標示
螺栓需配合螺帽及墊圈使用，螺栓、螺帽加上墊圈組成螺栓組，表四及表五分別為 ASTM 及 JIS 高強度螺栓組的組合。耐候鋼材應該配合耐候型螺栓、螺帽及墊圈使用。
表四 ASTM 高強度螺栓組
注：螺帽除A563-B外，其余皆為重型六角形螺栓。
表五 JIS 高強度螺栓組
另外墊圈可以避免螺栓或螺帽鎖緊過程因旋轉而傷及鋼板，亦可分散螺栓頂部壓力過于集中，此外，將墊圈在旋轉端（螺栓頭端或螺帽端）可以降低旋轉面的摩擦力。
03
螺栓軸拉力-軸向變形曲線
螺栓緊固過程會先鎖到緊貼狀態(tài)，所謂的緊貼狀態(tài)就是使用專用的扳手擰螺栓數(shù)圈是結合面貼合之緊固狀態(tài)。緊密狀態(tài)下的螺栓內已經(jīng)承受了部分預拉力。
圖八為螺栓自貼緊情況開始，螺栓之軸拉軸向變形的曲線關系，橫坐標為螺帽旋轉圈數(shù)，等同于軸向變形，縱坐標為螺栓拉力，曲線至緊貼狀態(tài)開始呈線性關系，然后在螺牙處會先屈服，曲線進入非線性階段，緊接著螺牙處產(chǎn)生頸縮而強度開始下降，最后螺牙處斷裂。
圖八 螺栓之軸拉力-軸向變形關系曲線
螺栓受拉力時，臨界斷面發(fā)生在螺牙處，螺牙的最大拉力強度為材料抗拉強度與漲緊力面As的乘積
。其中，
=0.75 至 0.79Abn = 每公分螺牙數(shù) d=螺栓標準直徑Ab=螺栓標準斷面積（cm2）=πd/4 材料的屈服發(fā)生在螺牙的凹痕處，螺牙的屈服會發(fā)生在局限在局部區(qū)域，而螺栓的軸向拉變形的關系曲線并沒明確的在那個時間點，螺栓在螺牙出屈服時的載重為 proof load，等于螺栓材料的屈服強度與張力面積的乘積，A325 螺栓的 proof load 約為自身抗拉強度的 70%，A490 螺栓的 proof load 約為自身抗拉強度的 80%。
所以高強度螺栓在安裝時需要加一預緊力 Tb，此預緊力為螺栓抗拉強度80%表八為 A325 與 A490 螺栓最小預緊力，表九為 JIS 螺栓最小預緊力。
A572 螺栓的最小預拉力約等于其 proof load，A490 螺栓最小預緊力也很接近其 proof load，實際施工時預拉力會高出最小預緊力，因此螺栓在施加預緊力時基本上已經(jīng)屈服。
原則上，在不使用螺栓破壞，且不至使螺栓產(chǎn)生永久塑性變形至易產(chǎn)生松弛前提下，螺栓的預緊力越大越好。
表八 A325 及 A490 螺栓最小預緊力
表九 JIS 螺栓最小預緊力
04
普通螺栓與高強度螺栓對比
普通螺栓可重復使用，高強度螺栓不可重復使用。 高強度螺栓一般由高強鋼材制成（45號鋼(8.8s)，20MmTiB(10.9S)，是預應力螺栓，摩擦型用扭矩扳手施加規(guī)定預應力，承壓型擰掉梅花頭。普通螺栓一般由普通鋼材(Q235)制成，只需擰緊即可。 普通螺栓一般為4.4級、4.8級、5.6級和8.8級。高強度螺栓一般為8.8級和10.9級，其中10.9級居多。 普通螺栓的螺孔不一定比高強度螺栓大。實際上，普通螺栓螺孔比較小。 普通螺栓A、B級螺孔一般只比螺栓大0.3~0.5mm。C級螺孔一般比螺栓大1.0~1.5mm。 摩擦型高強度螺栓靠摩擦力傳遞荷載，所以螺桿與螺孔之差可達1.5～2.0mm。 承壓型高強度螺栓傳力特性是保證在正常使用情況下，剪力不超過摩擦力，與摩擦型高強度螺栓相同。當荷載再增大時，連接板間將發(fā)生相對滑移，連接依靠螺桿抗剪和孔壁承壓來傳力，與普通螺栓相同，所以螺桿與螺孔之差略小些，為1.0～1.5mm。
普通螺栓和高強度螺栓由于其設計的受力原理不同，其在施工檢驗方法上有極大的區(qū)別。
同等級普通螺栓各項機械性能要求均比高強度螺栓略高，但高強度螺栓較普通螺栓多一項沖擊功的驗收要求。
標識樣式對比
普通螺栓和高強度螺栓的標示是對同等級螺栓現(xiàn)場識別的基本方法。由于英美標準中對于高強度螺栓扭矩值計算的取值并不相同，所以識別兩種標準的螺栓也有必要。
價格對比
高強度螺栓：（M24，L60，8.8級）
普通螺栓：（M24，L60，8.8級）
可見普通螺栓大約為高強度螺栓價格的70%，結合其驗收要求的對比，可以得出，其溢價部分就應該是為了保證材料的沖擊功（韌性）性能。
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螺栓緊固方法
普通螺栓的緊固程度并無明確規(guī)定，鎖緊時所施加的力一般只要連接緊密即可。但因鎖緊時未施加拉力，因此容易出現(xiàn)螺帽松弛脫落現(xiàn)象，為防止松脫的方法可用彈簧墊圈或采用雙螺帽的方法由外螺帽將內螺帽壓緊以防止兩螺帽同步旋轉而松弛。
采用雙螺帽時內螺帽需使用重型六角螺帽，外螺帽可采用一般螺帽（見圖九），一般高強度螺栓不論承載型的或者擦阻型因預緊后存在張力，此預緊力引致接觸面正應力可產(chǎn)生抗扭轉摩擦阻力，因而可使螺帽產(chǎn)生不松脫現(xiàn)象，所以不必附加防脫裝置。
圖 九
但若是由于特殊用途（例如振動機械或者車體重要結構位置）必須采用特殊夾頭來防止螺帽松動的情況，螺栓的夾頭決定螺栓及螺牙長度或形式，以便用來防止松脫，螺帽夾緊裝置詳細信息見圖十。
圖 十
06
結語
高強度螺栓目前在汽車領域使用較為廣泛，主要使用在汽車強度連接及其重要的部位，像汽車的輪轂等位置，為汽車的安全穩(wěn)定行駛起到無可替代的作用。
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