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发动机各机构详解


第一节 概述 一、 功用: 将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能,再转变为曲轴旋转 运动而对外输出动力。 二、 组成 1、机体组:由气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、气缸盖和气缸垫等不动件 组成。

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2、 活塞连杆组:由活塞、活塞环、活塞销和连杆运动件组成。

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3、 曲轴飞轮组:由曲轴、飞轮等组成。

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三、 受力分析 曲柄连杆机构受的力主要有气压力,往复惯性力,旋转离心力和摩擦力。 1、气压力:(图 2—1)气压力 P 的集中力 PP 分解为 NP 和 SP,NP 称侧压 力,它使活塞的一个侧面压向气缸壁,造成该侧磨损严重;SP 经连杆传给曲柄 销,分解为 RP 和 TP,RP 使曲轴主轴颈处受压,TP 为周向产生转矩的力。

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2、 往复惯性力 Pj:(图 2—2)活塞在上半行程时,惯性力都向上,下半行程 时,惯性力都向下。在上下止点活塞运动方向改变,速度为零,加速度最大,惯 性力也最大;在行程中部附近,活塞运动速度最大,加速度为零,惯性力也等于 零。

3、 离心惯性力 PC:旋转机件的圆周运动产生离心惯性力,方向背离曲轴中心 向外。离心力加速轴承与周颈的磨损,也引起发动机振动而传到机体外。 4、 摩擦力:指相互运动件之间的摩擦力,它是造成配合表面磨损的根源。

发动机曲柄连杆机构[二]
机体组由气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、气缸盖、气缸垫组成。 一、 气缸体与曲轴箱 1、 构造 通常将气缸体与曲轴箱铸为一体,笼统地称为气缸体。 气缸体内引导活塞做往复运动的圆筒就是气缸,气缸外面制有水套以散热。曲轴 箱上有主轴承座孔,还有主油道和分油道。

(点击图片可放大) 图 2—6 2、 气缸的排列形式 (1) 直列式:多用于六缸以下的发动机。 (2) V 型式:它缩短了发动机的长度和高度,多用于八缸以上的发动机。 (3) 对置式:是 V 型的特殊形式。 气缸体的构造

3、 曲轴箱的型式 (1) 平分式 定义:主轴承座孔中心线位于曲轴箱分开面上。 特点:刚度小,前后端呈半圆形,与油底壳接合面的密封较困难。 应用:中小型发动机。 (2) 龙门式 定义:主轴承座孔中心线高于曲轴箱分开面。 特点:刚度较大,油底壳前后端为一平面,密封简单可靠。 应用:大中型发动机。 (3) 隧道式 定义:主轴承座孔不分开。 特点:刚度最大,主轴承同轴度易保证,主轴承用滚动轴承。 应用:负荷较大的柴油机。

二、 油底壳 1. 功用:贮存和冷却机油并封闭曲轴箱。 2. 构造:(1)用薄钢板冲压而成。 (2) 内部设有稳油挡板,以防止汽车振动时油底壳油面产生较大的波动。 (3) 最低处有放油塞。 (4) 曲轴箱与油底壳之间有密封衬垫。

三、 气缸套 1. 目的:解决成本与寿命之间的矛盾。 气缸内镶了用耐磨的高级铸铁材料制成的气缸套, 而缸体则可用价廉的普通铸铁 或质量轻的铝合金制成,这样,既延长了使用寿命,又节省了好材料。 2. 型式 (1) 干式缸套 定义:其外表面不直接与冷却水接触。 特点:1)壁厚较薄(1mm~3mm); 2) 与刚体承孔过盈配合; 3) 不易漏水漏气。 (2) 湿式缸套 定义:其外表面直接与冷却水接触。 特点:1)壁厚较厚(5mm~9mm); 2) 散热效果好; 3) 易漏水漏气; 4) 易穴蚀。 定位:1)径向:靠上下两个凸出的、与气缸体间为动配合的圆环带 A 和 B。 2) 轴向:利用缸套上部凸缘与缸体相应的台阶。 密封:1)下部:靠 1~3 个耐热耐油的橡胶密封圈。 2) 上部:缸套顶面高出缸体 0.05mm~0.15mm,当气缸盖螺栓拧紧后,缸套与 缸体凸台接合处、缸套与缸垫接合处,承受较大的压紧力,具有防止水套漏水、 气缸漏气和保证缸套定位的作用。

四、 气缸盖 1. 结构:(图 2—10、图 2—11)气缸盖上有冷却水套、燃烧室、进排气门道、 气门导管孔和进排气门座、火花塞孔(汽油机)或喷油器座孔。

2. 汽油机燃烧室(图 2—13) (1) 盆形燃烧室:其特点为 1) 气门平行于气缸轴线; 2) 有挤气—冷激面,可形成挤气涡流; 3) 盆的形状狭窄,气门尺寸受限,换气质量较差,燃烧速度较低,CO 和 HC 排放较高而 NO 的排放较低。 (2)楔形燃烧室:其特点为 1) 气门斜置,气流导流较好,充气效率高; 2) 有挤气—冷激面,可形成挤气涡流; 3) 燃烧速度较快,CO 和 HC 排放较低而 NO 的排放稍高。 (3)半球形燃烧室:其特点为 1) 气门成横向 V 型排列,因此气门头部直径可以做得较大,换气好; 2) 火花塞位于燃烧室的中部火焰行程短, 燃烧速度最高, 动力性、 经济性最好。

是高速发动机常用的燃烧室; 3) CO 和 HC 排放最少,而 NO 的排放较高。

五、 气缸垫 1. 作用:保证气缸体与气缸盖间的密封,防止漏水、漏气。 2. 构造(图 2—14) (1) 金属—石棉垫:(见 a、b)外包铜皮和钢片,且在缸口、水孔、油道口 周围卷边加强,内填石棉(常掺入铜屑或钢丝,以坚强导热)。 (2) 金属骨架—石棉垫:以编织的钢丝网(图 c)或有孔钢板(图 e)为骨架, 外覆石棉,只在缸口、水孔、油道口处用金属片包边。 (3) 纯金属垫:(见图 e)由单层或多层金属片(铜⒙粱虻吞几郑┲瞥桑?糜 谀承┣炕?⒍???/span>

3、 安装注意:金属皮的金属—石棉垫,缸口金属卷边一面应朝向易修整接触面 或硬平面。因卷边一面会对与其接触的平面造成压痕变形。

发动机曲柄连杆机构[三]

第三节 活塞连杆组 活塞连杆组由活塞、连杆、活塞环、活塞销和连杆等组成。(点击此处可演示 拆装动画)

(点击图片可放大) 图 2—6 一、 活塞 (一) 功用 1. 与气缸盖气缸壁等共同组成燃烧室; 2. 承受气体压力,并将此力传给连杆,以推动曲轴旋转。 (二) 材料:汽车发动机活塞广泛采用铝合金。其特点为 1. 质量小(约为铸铁活塞的 50%~70%); 2. 导热性好(约为铸铁的三倍); 活塞连杆组

3. 热膨胀系数大。 (三) 组成(图 2—16) 根据其作用,活塞可分为顶部、环槽部、裙部和活塞销座四部分。

图 2-16

活塞的组成

1. 顶部:是燃烧室的组成部分,用来承受气体压力。 汽油机活塞的顶部形状有:(图 2—17)

图 2-17

活塞顶部形状

(1) 平顶:受热面积小,广泛采用。 (2) 凸顶:与半球形燃烧室配用。 (3) 凹顶:高压缩比发动机为了防止碰撞气门,也可用凹坑的深度来调整压缩 比。 2. 环槽部:用以安装活塞环。 3. 裙部:为活塞运动导向和承受侧压力。其型式有 (1) 全裙式:裙部为一薄壁圆筒。(摄像)

(2) 半拖板式: 将非承压面的裙部去掉一部分, 以减少质量和防碰曲轴平衡重。 (图 2—18)

图 2-18 半拖板式 活塞

(3) 拖板式:将非承压面的裙部全部去掉。(图 2—19)

图 2-19

拖板式活塞

4. 活塞销座:用以安装活塞销。在销座孔两端有卡环槽,用以安装卡环。 (四) 活塞的变形及采取的相应措施 1. 变形原因:热膨胀、侧压力和气体压力。

2. 变形规律 (1) 活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量,使配缸间隙变小。因活塞温度高于气 缸壁,且铝合金的膨胀系数大于铸铁; (2) 活塞自上而下膨胀量由大而小。因温度上高下低,壁厚上厚下薄; (3) 裙部周向近似椭圆形变化,长轴沿销座孔轴线方向。因销座处金属量多而 膨胀量大,以及侧压力作用的结果。(图 2—20)

图 2-20 3. 结构措施

活塞裙部的变形

(1) 活塞纵断面制成上小下大的截锥形。

图 2-21

活塞头部形状示意图

图 2-22

锥形裙部活塞示意图

(2) 活塞横断面制成椭圆形, 长轴垂直于销座孔轴线方向, 即侧压力方向。 (图 2—23)

图 2-23 (3) 销座处凹陷 0.5mm~1.0mm。

椭圆活塞示意图

(4) 裙部开绝热—膨胀槽(“T”形或形槽),其中横槽叫绝槽,竖槽叫膨胀 槽。(图 2—24)

图 2-24

开槽活塞

(5) 采用双金属活塞:即在活塞裙部或销座内嵌铸入钢片,以减少裙部的膨胀 量。 1) 恒范钢片式:活塞销座通过恒范钢片与裙部相连,而恒范钢片(含镍 33%~ 36%)的膨胀系数仅为铝合金的十分之一。这样,使裙部膨胀量大为减少。(图 2—25)

图 2-25

恒范钢片活塞

2) 自动调节式:(图 2—26)膨胀系数小的低碳钢片贴在销座铝层的内侧,依 靠钢片的牵制作用, 及钢片与铝壳之间的双金属效应来减小裙部侧压力方向的膨 胀量。

图 2-26

自动调节式活塞

3) 筒形钢片式:浇铸时,将钢筒夹在铝合金中(图 2—27),冷凝时钢筒内外 侧的铝合金分别产生“收缩缝隙”和拉应力。工作时因要先消除“收缩缝隙”和 拉应力而膨胀量减小。

图 2-27 (五) 偏置销座(图 2—32)

镶筒形钢片活塞

1. 定义:活塞销座朝向承受作功侧压力的一面(图示左侧)偏移 1mm~2mm。 2. 作用:减轻活塞换向时对气缸壁的敲击噪声。

3. 原理:因销座偏置,在接近上止点时,作用在活塞销座轴线以右的气体压力 大于左边,使活塞倾斜,裙部下端提前换向。而活塞在越过上止点,侧压力反向 时,活塞才以左下端接触处为支点,顶部向左转(不是平移),完成换向。可见 偏置销座使活塞换向分成了两步,第一步是在气体压力较小时进行,且裙部弹性 好,有缓冲作用;第二步虽气体压力大,但它是个渐变过程。为此,两步过渡使 换向冲击力大为减弱。

图 2-32

销座位置与活塞的换向过程

二、 活塞环 (一) 气环 1. 作用:(1)密封:防止气缸内的气体窜入油底壳; (2) 传热:将活塞头部的热量传给气缸壁; (3) 辅助刮油、布油。

图 2-36

活塞环的结构

2. 活塞环的间隙(图 2—37) (1) 端隙Δ 1:又称开口间隙,是活塞环装入气缸后开口处的间隙。一般为 0.25mm~0.50mm; (2) 侧隙Δ 2:又称边隙,是环高方向上与环槽之间的间隙。第一道环因温度 高,一般为 0.04mm~0.10mm;其它气环一般为 0.03mm~0.07mm。油环一般侧

隙较小,一般为 0.025mm~0.07mm; (3) 背隙Δ 3:是活塞环装入气缸后,活塞环背面与环槽底部的间隙。一般为 0.5mm~1mm。

图 2-37

活塞环的间隙

1-气缸;2-活塞环;3-活塞;△1-开口间隙;△2-侧隙;△3-背隙

3. 气环的密封原理(图 2—38) (1) 第一密封面的建立:环在自由状态下,环外径>缸径,装缸后在其弹力 P0 作用下与缸壁压紧,形成第一密封面。 (2) 第二密封面的建立:活塞环在运动时产生惯性力 Pj,与缸壁间产生摩擦力 F,以及侧隙有气体压力 P1,在这三个力的共同作用下,使环靠在环槽的上侧或 下侧,形成第二密封面。 (3) 气环的第二次密封:窜入背隙和侧隙的气体,使环对缸壁和环槽进一步压 紧,加强了第一、二密封面的密封。

图 2-38

气环的密封原理

1-第一密封面;2-第二密封面;PA-第一密封面的压紧力;PB-第二密封面 的压紧力;

P-气缸内气体压力;P1-环侧气体压力;P2-背压力; P0-环的弹力;Pj-环的惯性力;F-环与缸壁的摩擦力
4. 活塞环的泵油作用及危害(图 2—41) 原因:(1)存在侧隙和背隙; (2) 环运动时在环槽中靠上靠下。 现象:当活塞带着环下行(进气行程)保?房吭诨凡鄣纳戏剑?反痈妆谏瞎蜗碌 娜蠡?统淙牖凡巯路剑坏被钊?执?呕飞闲校ㄑ顾跣谐蹋┦保?酚挚吭诨凡鄣 南路剑??苯?图费沟交凡凵希?绱朔锤矗?徒?蠡?捅玫交钊?ァ?/span>

图 2-41 活塞环的泵油作用 危害:(1)增加了润滑油的消耗; (2) 火花塞沾油不跳火; (3) 燃烧室积炭增多,燃烧性能变坏; (4) 环槽内形成积炭,挤压活塞环而失去密封性; (5) 加剧了气缸的磨损。 措施:(1)采用扭曲环; (2) 采用组合式油环; (3) 油环下设减压腔(图 2—34)。

图 2-34 活塞减压腔

5. 气环的断面形状(图 2—43) (1) 矩形环:结构简单,与缸壁接触面积大,散热好,但易泵油。 (2) 锥形环 1)特点:与缸壁线接触,有利于密封和磨合。下行有刮油作用,上行有布油作 用,并可形成楔形油膜。 2) 安装注意:(锥角朝下(在环端有向上或 TOP 等标记); (锥形环传热性差,常装到第二、三道环槽上。

图 2-43 气环的断面形状 a)矩形环;b)锥形环;c)内切口扭曲环;d)外切口扭曲环;e)梯形环;f)桶形环 (3) 扭曲环:将矩形环内圆上方或外圆下方切成台阶或倒角而成。 1) 扭曲原理:当活塞环装入气缸后,环受到压缩产生弯曲变形,断面中性层以 外产生拉应力、中性层以外产生压应力,矩形环由于中性层内外断面不对称,使 F 和 F 不在同一平面内,从而形成力偶 M,在力偶的作用下,活塞环发生微量的

扭曲变形。

图 2-44 扭曲环的作用原理 a)矩形环;b)扭曲环 2) 特点:(具有锥形环的特点; (减小了泵油作用; (作功行程环不再扭曲,两个密封面达到完全接触,利于散热。 3) 安装:内上切扭曲环装入第一道环槽,外下切扭曲环装入第二、三道环槽。 (4) 桶形环:其特点为 1) 环的外圆面为凸圆弧形; 2) 环面与缸壁圆弧接触,避免了棱角负荷; 3) 环上下运动时,均能形成楔形油膜。 (5) 梯形环:(图 2—45)当活塞在侧压力作用下左、右换向时,环的侧隙和 背隙将不断变化, 使胶状油焦不断从环槽中被挤出。梯形环用于热负荷较大的柴 油机的第一道环。

图 2-45 梯形环工作情况 1-气缸壁;2-活塞;3-扭曲环 (二) 油环 1. 作用:刮油。即将气缸壁上多余的润滑油刮下来。 2. 类型 (1) 整体式:(图 2—36b)其外圆上切有环形槽,槽底开有回油用的小孔或 窄槽。

图 2-36

整体式油环

1-槽;2-回油孔 (2) 组合式:(图 2—49)由上下刮油片和产生径向、轴向弹力的衬簧组成。 其特点为

1) 密封好:第一密封面,靠径向力,因衬簧长大于刮片长而产生径向力。 第二密封面,靠轴向力,因衬簧和钢片总厚度大于环槽高而产生轴向力。 2) 无侧隙,无窜油。 3) 刮油能力强:因钢片薄,对缸壁比压大。 4) 上下片可分别动作,适应性好。 5) 回油能力强。

图 2-46

组合式油环

1-钢片;2-衬簧;3-径向衬簧;4-轴向衬簧;5-活塞 三、 活塞销 (一) 作用:连接活塞和连杆,并传递活塞的力给连杆。

(二) 结构:用低碳钢或低碳合金钢制成的厚壁管状体。(图 2—50)

图 2-50 (三) 连接方式 1. 全浮式

活塞销

(1) 定义:在发动机正常工作温度下,活塞销在连杆小头孔和活塞销座孔中都 能转动。 (2) 装配:1)销与销座孔在冷态时为过渡配合,采用分组选配法。 2) 热装合:将活塞放入热水或热油中加热后,迅速将销装入。 2.半浮式 (1) 定义:销与销座孔和连杆小头两处,一处固定,一处浮动。(一般固定连 杆小头) (2) 装配:加热连杆小头后,将销装入,冷态时为过盈配合。

四、连杆 (一) 功用:将活塞的力传给曲轴,变活塞的往复运动为曲轴的旋转运动。

(二) 组成:连杆组由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等组成。(图 2 —51)

图 2-51

连杆组

1-小头;2-杆身;3-大头;4、9-装配记号(朝前);5-螺母;6-连杆盖;7-连杆 螺栓; 8-轴瓦;10-连杆体;11-衬套;12-集油孔 (三) 构造 1. 小头:用来安装活塞销,以连接活塞。 2. 杆身:常做成“工”字形断面。 3. 大头:与曲轴的连杆轴颈相连。大头一般做成分开式,即连杆体大头和连杆 盖。 (1) 切口形式:有平切口和斜切口两种。 (2) 定位方式(图 2—53) ①连杆螺栓定位:靠连杆螺栓的光圆柱部分与螺栓孔的配合来定位。其定位精

度较差,用于切口连杆。 ②锯齿形定位:依靠接合面的齿形定位。 ③套或销定位:依靠套或销与连杆体(或盖)的孔紧配合定位。 ④止口定位

图 2-53

斜切口连杆大头及其定位方式

(3) 喷油孔:有的连杆的大头面对气缸主承压面的一侧,钻一喷油孔(1mm~ 1.5mm),以润滑气缸主承压面。 (四) 连杆的安装 1. 不能破坏连杆杆身与盖的配对及装合方向,在二在者的同一侧打有配对标记。 2. 不能装反,也不能乱缸,在杆身上有方向标记,大头侧面有缸号标记。 (五) 连杆轴承(俗称小瓦) 1.作用:保护连杆轴颈及连杆大头孔。 2. 组成:由钢背和减磨层组成。钢背由 1mm~3mm 的低碳钢制成。减磨层为 0.3mm~0.7mm 的减磨合金,层质较软能保护轴颈。

图 2-54 3. 减磨层材料

连杆轴瓦

(1) 白合金(巴氏合金):减磨性能好,但机械强度低,且耐热性差。常用于 负荷不大的汽油机。 (2) 铜铅合金:机械强度高,承载能力大,耐热性好。多用于高负荷的柴油机。 但其减磨性能差。 (3) 铝基合金:有铝锑镁合金、低锡铝合金和高锡铝合金三种。 1)铝锑镁合金和低锡铝合金:机械性能好,负载能力强,但其减磨性能差。 主要用于柴油机。 2) 高锡铝合金: 具有较好的机械性能和减磨性能, 广泛应用于柴油机和汽油机。 4、 轴瓦的自由弹势 (1)定义:轴瓦在自由状态下的曲率半径略大于座孔半径,其直径之差称为自 由弹势或张开量。 (2) 配合过盈:因轴瓦外径周长较座孔周长稍大,连杆螺栓紧固后,便产生一

定的配合过盈量。靠合适的过盈量保证轴瓦在工作时不转、不移、不振,并可使 轴瓦与座孔紧密贴合,以利散热。

发动机曲柄连杆机构[四]

第四节 曲轴飞轮组

曲轴飞轮组由曲轴、飞轮、皮带轮、正式齿轮(或链轮)等组成。(图 2— 57)

图 2-57

曲轴飞轮组

一、 曲轴 (一) 功用 1. 把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出。 2. 驱动配气机构及其它附属装置。 (二) 材料:大多采用优质中碳钢或中合金碳钢。有的采用球墨铸铁。 (三) 构造:曲轴包括前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重、后端轴等, 一个连杆轴颈和它两端的曲柄及主轴颈构成一个曲拐。(图 2—58)

图 2-58

整体式曲轴

1. 主轴颈和连杆轴颈 主轴颈是曲轴的支承部分。 每个连杆轴颈两边都有一个主轴颈者,称为全支承曲 轴(图 2—60a);主轴颈数等于或少于连杆轴颈数者称为非全支承曲轴(图 2 —60b)。

图 2-60

曲轴的支承形式示意图

曲轴上有贯穿主轴颈、 曲柄和连杆轴颈的油道, 以便润滑主轴颈和连杆轴颈。 (图 2—61)

图 2-61

曲轴油道

1-主轴颈;2-曲轴;3-连杆轴颈;4-圆角;5-积污腔;6-油管;7-开口销; 8-螺塞;9-油道;10-挡油盘;11-回油螺纹

2. 曲柄和平衡重:曲柄是用来连接主轴颈和连杆轴颈的。平衡重的作用是平衡 各机件产生的离心惯性力及其力矩。 3. 曲拐的布置 (1) 布置原则 1) 使各缸作功间隔角尽量相等。 对直列多缸四冲程发动机, 作功间隔角为 7200/

缸数。 2) 连续作功的两缸相隔尽量远,减少主轴承连续载荷和避免相邻两缸进气门同 时开启的抢气现象。 3) V 型发动机左右两排气缸尽量交替作功。 (2) 常用曲拐布置 1) 直列四冲程四缸发动机(图 2—64) (曲拐对称布置于同一平面内。 (相邻作功气缸的曲拐夹角为 7200/4=1800。 (发动机工作顺序有 1—3—4—2 和 1—2—4—3 两种。 (其工作循环表如下:(扫描 52 页表 2—1) 2)直列四冲程六缸发动机(图 2—65a)

(曲拐对称布置于三个平面内。 (相邻作功气缸的曲拐夹角为 7200/6=1200。

(发动机工作顺序有 1—5—3—6—2—4 和 1—4—2—6—3—5 两种。 (其工作循环表如下:(扫描 53 页表 2—2) 4. 前端轴与后端轴(图 2—58)

图 2-63

曲轴的前端轴与后端轴

(1) 作用:前端轴用来安装正时齿轮、皮带轮及起动爪等;后端轴有凸缘盘, 用来安装飞轮。 (2) 前后端的密封:曲轴前后端都伸出曲轴箱,为了防止润滑油沿轴颈流出, 在曲轴前后都设有防漏装置。常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧油封、 回油螺纹等。 5. 曲轴的轴向定位(图 2—57)

(1) 结构: 在某一道主轴承的两侧装止推片。 止推片由低碳钢背和减磨层组成。 (2) 安装注意:止推片有减磨层的一面朝向转动件。当曲轴向前窜动时,后止 推片承受轴向推力;向后窜动时,前止推片承受轴向推力。 (3) 曲轴的轴向间隙的调整:更换止推片的厚度。 二、 飞轮(图 2—57 的飞轮) (一) 功用 1. 贮存和能量:在作功行程贮存能量,用以完成其它三个行程,使发动机运转 平稳。 2. 利用飞轮上的齿圈起动时传力。 3. 将动力传给离合器。 4. 克服短暂的超负荷。 (二) 构造 1. 飞轮为一外缘有齿圈的铸铁圆盘。

2. 有的飞轮上有一缸上止点记号和点火提前角刻度线(汽油机)或供油提前角 刻度线(柴油机),以便调整和检验点火正时,供油提前角和气门间隙。(图 2 —74 和 2—75)


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