TW550356B - Side rail and combined oil control ring incorporated with the side rails for reduction of oil consumption - Google Patents

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550356 • A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明所屬技術領域 (請先閲讀背面之>£意事項再填寫本頁) 本發明係相關於用於內燃機之機油控制環用側軌，尤 其是相關於在汽缸上展現傑出潤滑油控制功能的側軌及結 合此側軌之組合式機油控制環。 先前技術 機油控制環裝附在活塞的圓柱形外表面上所形成之環 槽，用以控制內燃機中的汽缸內表面上之潤滑油。現今實 用機油控制環的典型例子爲包含隔片擴張器及裝附於隔片 擴張器之單一或一對側軌的組合式機油控制環。在操作內 燃機時，當側軌在汽缸中與活塞一起往復運動使側軌外表 面滑動於汽缸內表面上的同時，側軌留在活塞環槽中。同 時，隔片擴張器產生彈力將側軌側表面壓在環槽的徑向表 面上，也將側軌外表面壓在汽缸內表面上。結果，朝區軸 室的側軌外表面自汽缸內表面刮下大量潤滑油以在汽缸內 表面上形成適當厚度的潤滑薄膜，也防止潤滑油蔓延或徐 緩進入燃燒室中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 通常，機油控制環平行及在活塞上部位所裝附的頂或 第二活塞環下方裝附於活塞，及機油控制環的隔片擴張器 一般設計成在汽缸內牆上產生比頂部或第二環內牆上較高 的衝壓力，提供機油控制環較強的張力。因爲爲了減少燃 料消耗需減少活塞瓌及汽缸內牆間的摩擦力，故近來隔片 擴張器的張力已被設計成較小。同時在操作中，機油控制 環聰明地具有與汽缸的變形內表面接近的隨動性或相配的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -5 - 550356 Α7 Β7 五、發明説明（2 ) (請先閱讀背面<注意事項再填寫本頁) 變形。因此，雖然較小的隔片擴張器張力對靈巧的活塞往 復運動是理想的，但另一方面此種隔片擴張器卻會導致潤 滑消耗量的增加，因爲其使操作側軌對汽缸的隨動性退 化，因此，側軌外表面無法保持接近滑動接觸汽缸的變形 內表面。因此，近來的機油控制環傾向需要在較低的隔片 擴張器張力的情況下，能夠保持側軌對汽缸內表面良好隨 動性之較薄的環寬。 例如，日本專利揭示號碼6-272763揭示高效率製造不 會破裂的高合金鋼扁平線作爲機油控制環用側軌的材料。 在製造中，藉由冷拉或熱拉將鋼線強行形成圓形橫向區， 然後經由冷軋或熱軋形成厚度小於1 mm的扁平鋼線，使得 最後的扁平鋼線具有扁平側表面及形成於扁平側表面間之 筒形表面。扁平鋼線另外形成具有大的圓形準確度之線圈 形狀，並切割成在汽缸內表面上可有效形成適當厚度機油 薄膜之具有筒形內外表面的環材料。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 而且，日本專利揭示號碼2000-320672展現對不規則變 形的汽缸表面產生具有良好隨動性能的較低張力以提高氣 密特性之薄的三件型組合式機油控制環。組合式機油控制 環包含隔片擴張器及彼此軸向隔開裝附於隔片擴張器之兩 側軌，其中上及下價ίΐ軌的外尖端間之軸距短於通過上及下 側軌的虛構中央平面之軸距，以在操作中提高側軌對汽缸 的變形內表面之相配的變形或隨動性，但其對改善隨動性 並沒有產生任何實際作用。 在操作中，活塞朝上敲擊期間，側軌外側表面與活塞 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -6 - 550356 A7 _B7 五、發明説明（3 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 移動方向反向地在汽缸內表面上產生摩擦力，使得機油控 制環在環槽中朝曲軸室移動。在此時，下側軌接觸並平行 於環槽的底表面，及當由於機油控制環及環槽與隔片擴張 器的變形間空隙，使摩擦力朝曲軸室傾斜上側軌的同時， 下側軌在筒形外表面的大體***部位接觸汽缸內表面。 因此，上側軌在外表面的厚度中央部位上方之上點與汽缸 內表面產生接觸。 在活塞朝下敲擊期間，機油控制環在環槽中朝曲軸室 移動，結果，上側軌接觸並平行於環槽的頂表面，及當下 側軌在外表面的厚度中央部位下方之下點與汽缸內表面產 生接觸的同時，上側軌在筒形外表面的大體***部位接 觸汽缸內表面。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 雖然由於隔片擴張器的彈力，側軌與汽缸內表面產生 接觸，但相信環繞的側軌外表面既無法在側軌的傾斜及未 傾斜狀態中總是能夠在汽缸內表面上產生適當厚度的機油 薄膜，亦無法自汽缸內表面上下刮下足夠的潤滑油量。尤 其是’當機油控制環與用以在汽缸內表面上減低側軌的衝 壓力之低張力的側軌結合時，已發現機油控制環會增加機 油消耗。 本發明的目的係設置一在專爲機油控制環設定的低張 力條件下，能夠執行良好的機油控制功能之側軌。本發明 的另一目的係設置一裝配有此種低張力側軌之機油控制 環。本發明的另一目的係設置一在內燃機中能夠減少潤滑 油及燃料消耗之側軌及組合式機油控制環。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 7 - 550356 A7 ____B7_ _ 五、發明説明（4 ) 發明內容 (請先閱讀背面之•注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 根據本發明的側軌（1 )被形成具有一般爲矩形區之環 形’此矩形區包含一對彼此平行的側表面（2a，2b )，形成 於側表面（2a，2b)的兩外周邊間用以接觸汽缸（16)內表 面（17)之外表面（3)，及形成於側表面（2a，2b)的兩 內周邊間用以接觸機油控制環的隔片擴張器（10)之內表 面（4 )。外表面（3 )包含一對連接於相鄰的側表面（2a， 2b )之邊緣表面（5 )，及形成於邊緣表面（5 )間之中間 表面（6)。邊緣表面（5)的半徑小於習知技術之筒形表 面（30 )的半徑，使得在操作中，側軌（1 )成傾斜狀態 時，邊緣表面（5)能夠容易靠汽缸（16)上的機油薄膜滑 動，並使側軌（1 )可在汽缸（1 6 )內表面（1 7 )執行滑順 的滑行運動。中間表面（6 )的曲率半徑大於習知技術之筒 形表面（30 )的曲率半徑，以在側軌（1 )是未傾斜狀態時 可在汽缸（16 )上高效率刮下潤滑油，藉以在汽缸（16 ) 內表面（1 7 )及側軌（1 )間形成必要及最小厚度的潤滑油 薄膜。而且，用以形成中間表面（6 )之較大曲率半徑提供 對汽缸（16)內表面（17)較大的接觸區域以提高抗磨損 力。 圖示簡單說明 當與下列附圖一起考慮時，參照詳細說明及申請專利 範圍將可對本發明有更完整的瞭解： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -8 - 550356 五、發明説明（5 ) 圖 2爲根據本發明之側軌的較佳實 施例之剖面 圖 〇 圖 3爲根據本發明之側軌的另- -較佳實施 例 之 剖 面 圖。 圖 4爲根據本發明之側軌的另- -較佳實施 例 之 剖 面 圖。 圖 5爲裝配有根據本發明之側軌 的機油控制 環 之 剖 面 圖。 圖 6爲當具有機油控制環的活塞 朝上敲擊時 裝 配 有 根據 本 發明之側軌的機油控制環之剖面 圖。 圖 7爲當活塞朝下敲擊時，機油控 制環的剖面 圖 〇 A7 B7 圖1爲習知技術的側軌之剖面圖 (請先閲讀背面之法意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 $ S元件對照表 1:側軌 1:上側軌 1:下側軌 2a:側表面 2a:上側表面 2b:側表面 2b:下側表面 3:外表面 4:內表面 5 :邊緣表面 5 :上邊緣表面 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9 · 550356 A7 ——^_ B7_ 五、發明説明（6 ) 5:下邊緣表面 6:中間表面 6a:邊界部位 (請先閱讀背面之*注意事項再填寫本頁) 7:環槽 頂表面 9:底表面 10:隔片擴張器 11:組合式機油控制環 12:活塞 16:汽缸 17:內表面 3 0:筒形表面 h 1:環寬 h6:側軌寬 h7:環寬 P:虛構平面 實施方式 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 下文中將連同附圖說明本發明的實施例。 如圖1所示，習知技術的側軌已做成筒形的外及內表 面30，即使他們已設有提高滑動性能之表面修正。習知 上，根據鋼線滾軋成扁平區，能夠偶而一致地形成筒形表 面30使外及內表面30可徑向地擴張成大體上固定曲率半 徑的筒形。 本^:1〇- 550356

A7 B7 五、發明説明f ) 如圖2所示，根據本發明的側軌被形成具有一般爲矩 形區之環形，此矩形區包含一對彼此平行的徑向側表面2a， 2b，形成在側表面2a，2b的兩外周邊間之外周圍表面3，及 形成在側表面2a，2b的兩內周邊間之內周圍表面4。 每一邊緣表面5形成有大體上等於側軌寬h6的五分之 一（1/5 )到五分之八（8/5 )之半徑。中間表面6形成有大 體上固定半徑的圓柱形表面或形成有大於邊緣表面5的曲 率半徑之大體上固定曲率半徑之筒面。中間表面6的軸長 度在大約30%及大約70%側軌寬h6間的範圍。 每一邊緣表面5不能形成有小於五分之一側軌寬he的 半徑’因爲此種小邊緣曲率無法被壓模拉曳，且大於五分 之八側軌寬心的每一邊緣表面5半徑則無法產生適當機油 薄膜，因爲此種半徑在每一邊緣表面5及中間表面6間的 邊界部位6a上提供尖銳的環狀邊緣。當中間表面6的軸長 度h7小於大約30 %側軌寬1)6時，中間表面6在活塞12朝下 及朝上敲擊時產生足夠的刮擦功能，導致增加的機油消 耗。當中間表面6的軸長度h7大於大約70%側軌寬he時， 在活塞12朝上運動期間，雖然側軌1傾斜成最大傾斜角 度，上側軌1的邊緣表面5仍無法接觸汽缸1 6內表面17。 因此，由邊緣表面5附近的中間邊緣6或扁平表面刮下潤 滑油，導致增加的機油消耗。 如圖5所示，一對側軌1與隔片擴張器10結合以形成 組合式機油控制環1 1。筒形表面30更進一步滾軋或壓製以 形成外表面3，此外表面3包括一對連接於相鄰側表面2a， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） I 批衣-- (請先閱讀背面之，注意事項再填寫本頁)

、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -11 - 550356 A7 B7 五、發明説明（8 ) (請先閲讀背面之iir意事項再填寫本頁) 2b之邊緣表面5，及在外表面3的中間部位或內面上配置 於邊緣表面5間之中間表面6。由固定半徑或稍微凸狀的圓 柱形表面及具有大曲率半徑的彎曲表面配置成中間表面6。 邊緣表面5爲原本由滾軋所形成之擴張或膨脹的筒形表面 30之殘餘，但他們最好改良成具有小於筒形表面30的曲率 半徑之曲率半徑的彎曲表面。如圖2的橫向橫向區所示， 在橫向區邊界部位6a具有連續單一弧或組合弧的彎曲表面 並形成於中間邊緣6及每一邊緣表面5間，使得彎曲表面 正切於邊緣表面5及中間邊緣6二者以經由邊界部位6a界 定卒滑且不間斷的連接表面。另外，在此實施例中，邊界 部位6a可以是在不是如此尖銳邊緣的邊緣及中間表面5及 6間之不連續環形線。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 側軌寬h6可在大約0.3 mm到大約0.65 mm間的範圍， 因爲側軌寬h6小於0.3 mm的側軌未具有足夠機械強度，而 側軌寬h6大於0.65 mm的側軌使低張力機油控制環狀態下 之機油控制環對汽缸16內表面17的隨動性下降，導致機 油消耗量的增加。對外表面3亦相同，內表面4亦藉由滾 軋處理形成以徑向膨脹或擴張成具有半徑大體上爲側軌寬 h6 —半的筒形，然後在無更進一步形成內表面4的滾軋處 理之後，側軌裝附於隔片擴張器。然而，如圖3所示，爲 了在製造中容易處理滾軋材料或爲了避免滾軋材料錯誤裝 附於線圏機器，外表面3的鏡像形狀或類似形狀可適用於 內表面4。 如圖6所示，側軌裝附於隔片擴張器1〇以在活塞12 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 550356 A7 B7 五、發明説明（9 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 環槽7中裝配機油控制環11。由於隔片擴張器1 〇的彈力， 上側軌1具彈性地壓向環槽7的頂徑向表面8及亦壓向汽 缸16內表面17。下由於隔片擴張器10的彈力，側軌1具 彈性地壓向環槽7的底徑向表面9及亦壓向汽缸16內表面 17 0 在圖示於圖2的實施例中，中間表面6在一對邊緣表 面5間被形成大體上固定半徑，中間表面6的軸長度在大 約30%及大約70%側軌寬h6間的範圍。圖3的另一實施例 展示形成有以等於或小於大約0.01 mm的高度自中間表面6 及每一邊緣表面5的連接或邊界部位6a所徑向突出之凸形 或稍微朝外凸起的筒形。具有大於0.01 mm突出之中間表 面6的凸形會使藉由中間表面6的刮擦潤滑油功能下降。 外表面3倍形成具有對稱通過中間表面6的中央虛構平面P 之上及下邊緣表面5的鏡像，使得雖然顛倒側軌，仍可正 確地裝附於隔片擴張器10。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在操作中活塞12朝上敲撃期間，由於上側軌1的外表 面3及汽缸1 6內表面1 7間之摩擦力也由於機油控制環及 環槽7及隔片擴張器10的變形間之空隙，故上側軌1的外 表面3接觸汽缸16內表面17並同時上側軌1的外表面3 移向曲軸室，使得上側軌1的上側表面2a憑藉如圖6所示 之隔片擴張器10的的彈力強制與環槽7的頂表面8分開。 結果，在只有上邊緣表面5與汽缸16保持滑動接觸的同 時，具有在後面及下降狀態的外表面3之上側軌1以傾斜 狀態朝上移動。因此，藉由上邊緣表面5刮下少量的潤滑 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13 - 550356 A 7 B7 五、發明説明（10 ) (請先閱讀背面之ii:意事項再填寫本頁) 油，上側軌1的上邊緣表面5可保持容易靠汽缸16上的機 油薄膜滑動之姿勢及可用於在上邊緣表面5及汽缸1 6間形 成足夠厚度的機油薄膜。 在此時，下側軌1保持接觸環槽7的底表面9而無如 上側軌1所做的大傾斜移動，及下側軌1在一般爲扁平中 間表面6的大體***部位接觸汽缸16以在汽缸16上高 效率及有效地刮下潤滑油並產生所需的最小厚度潤滑油薄 膜。由下側軌1所刮下的機油經由隔片擴張器10的開口 (未圖示）及環槽7到曲軸室的通道（未圖示）供應到曲 軸室。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在活塞12朝下敲擊期間，由於下側軌1的外表面3及 汽缸16內表面17間所產生之摩擦力也由於機油控制環及 環槽7及隔片擴張器10的變形間之空隙，故下側軌1的外 表面3接觸汽缸16內表面17並同時在環槽7中移向燃燒 室，使得下側軌1的底側表面2b憑藉如圖7所示之隔片擴 張器10的的彈力強制與環槽7的底表面9分開。結果，在 只有下側軌1的下邊緣表面5與汽缸1 6保持滑動接觸的同 時，具有在後面及上升狀態的外表面3之下側軌1以傾斜 狀態朝下移動。因此，藉由下邊緣表面5刮下少量的潤滑 油，下側軌1的下邊緣表面5可保持容易靠汽缸1 6上的機 油薄膜滑動之姿勢及可用於在下邊緣表面5及汽缸1 6間形 成足夠厚度的機油薄膜。P10 在此時，上側軌1保持接觸環槽7的頂表面8而無如 下側軌1所做的大傾斜移動，及上側軌1在一般爲扁平中 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 550356 A7 B7 五、發明説明（11 ) (請先閱讀背面之^一意事項再填寫本頁) 間表面6的大體***部位接觸汽缸1 6以在汽缸16上高 效率及有效地刮下潤滑油並產生所需的最小厚度潤滑油薄 膜。由上側軌1所刮下的機油經由隔片擴張器10的開口及 環槽7到曲軸室的通道供應到曲軸室。 在此方式中，在活塞1 2朝上或朝下敲擊期間，上或下 側軌1以傾斜狀態在環槽7中移動遠離環槽7的頂表面8 或底表面9，以經由具有良好隨動性的側軌1之薄膜，使上 述的前面側軌1之邊緣表面5與汽缸16產生接觸。同時， 隨後側軌1的中間表面6自汽缸16刮下足量的潤滑油以限 制損失到燃燒室中的潤滑油，用以減低機油消耗。 雖然本發明可應用於至少一裝配在組合式機油控制環 之側軌以節省潤滑油，但其自然適合將本發明應用於機油 控制環中的兩或所有側軌並藉以達到完全減少機油消耗。 亦希望使用相同類型的上及下側軌以防止因沒有他們的裝 配用法說明而錯誤裝附側軌。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明人利用以6000 rpm-W〇T (全敞開節流閥）每十 小時運作之具有排量1 800 cc的水冷式4汽缸之實際引擎執 行機油消耗測試以證明根據本發明的側軌效果。根據本發 明的側軌被備製成具有如圖2所示之橫向區外形，且裝配 於描畫於圖5之具有2.0 mm環寬hi及0.3到0.5 mm軌寬 h6之機油控制環。頂環由具有氮化物外表面3的馬丁體不 銹鋼製成，第二環由具有錐形外表面3的鑄鐵製成。在每 一測試中調換第一及第二環。所有裝配的機油控制環具有 有著2.0 mm環寬h之79 mm標稱直徑。舊的隔片擴張器具 •15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 550356 A7 B7 五、發明説明（12 ) 有軸向波紋結構以產生大約20 N的組合張力。上及下側軌 具有自0.3 mm，0.4 mm，0.5 mm所選的三種軌寬h6類型。 在側軌被圈成精確的圓形時，外側表面3被搭接以形成具 有六種環寬h7類型：大約20%，大約30%，大約40%，大 約50%，大約60%，及大約70%之扁平中間表面6。下表指 出機油消耗的側試結果：具有平面度Pr = h6/h7之0。，其中 習知技術側軌的機油消耗率以比較“ 1 ”表示。在類似方法 中，具有筒形外表面之習知技術側軌被備製並測試成具有 平面度Pr爲零之樣本號碼1，8，及15。 圖示於表中的測試結果顯示與樣本號碼3至7，10至 14，及17至21的側軌結合之組合式機油控制環和那些具 有樣本號碼1，2，8，9，15，及16的側軌之組合式機油控 制環比較在減少潤滑油消耗上較優秀，而且顯示當中間表 面6的寬度h7小於側軌寬h6的30%時，潤滑油的消耗增 力口。 (請先閱讀背面之^一意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公漦） 550356 A7 B7 五、發明説明（13 側軌寬 (mm) 號碼 平面度 (%) 機油 消耗 側軌寬 (mm) 號碼 平面度 (%) 機油 消耗 1 0 1 0.4 12 50 1Π3 0.6 2 20 1.0 13 60 0.6 0.5 3 30 0.8 14 70 0.7 4 40 0.7 15 0 0.75 5 50 0.7 16 20 0.7 6 60 0.7 17 30 0.6 7 70 0.8 0.3 18 40 0.5 8 0 0.9 19 50 0.5 0.4 9 20 0.8 20 60 0.5 10 30 0.7 21 70 0.6 11 40 0.6 -- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如上述，本發明能夠設置一具有在側軌爲傾斜及未傾 斜垂直狀態時與汽缸內表面產生接觸之邊緣表面及中間表 面的較薄側軌，其可達成下面效果： 1 ·邊緣表面容易靠汽缸上的機油薄膜滑動，用以使側 .軌的滑行運動滑順； 2·中間表面用於自汽缸刮下足量的潤滑油以在汽缸上 形成必要及最小厚度的機油薄膜； 3.中間表面界定對汽缸之較大接觸區域以提高抗磨損 力； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17 - 550356 A7 B7 五、發明説明C14 ) 4. 具有較短寬度或減低張力之側軌在操作中執行對汽 缸的變形內表面之良好的隨動性； 5. 藉由側軌之出色的刮擦功能及良好的隨動性，側軌 執行較佳的機油控制功能以明顯地減少機油及燃料消奉毛. 及 6. 側軌有效地提升內然機性能。 C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 550356 A8 B8 C8 D8 ☆、申請專利範圍1 {請先閱讀背面之注意事免再填寫本頁) 1. 一種用於機油控制環之側軌，該側軌被形成具有一 般爲矩形區之環狀，此矩形區包含一對彼此平行的側表 面’形成於該側表面的兩外周邊間用以接觸汽缸內表面之 外表面，及形成於該側表面的兩內周邊間用以接觸該機油 控制環的隔片擴張器之內表面， 該外表面包含一對連接於該相鄰側表面之邊緣表面， 及形成於該邊緣表面間之中間表面， 每一該邊緣表面形成有實質上等於該側軌寬的五分之 一到五分之八之半徑， 該中間表面以形成有實質上固定半徑之圓柱形面，或 以形成有大於該邊緣表面的曲率半徑之實質上固定曲率半 徑的筒面形成，該筒面以等於或小於大約0.01 mm的高度 形成自該中間表面及邊緣表面間的連接稍微朝外突出之凸 形表面，及 該中間表面的軸長係在側軌寬的大約30%到大約70%間 範圍。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2. 如申請專利範圍第1項之側軌，其中該側軌寬係在 大約0.3 m m到大約0 · 6 5 m m間的範圍。 3. 如申請專利範圍第1項之側軌，其中該內表面形成 有大約爲側軌寬的一半之曲率半徑。 4. 如申請專利範圍第1項之側軌，其中該內表面被形 成與該外表面相同的形狀。 5. 如申請專利範圍第1至4項任一項之側軌，其中藉 由滾軋該側軌，該邊緣表面形成有膨脹表面。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -19 - 550356 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 2 6. —種具有隔片擴張器及由該隔片擴張器朝外徑向所 壓製的側軌之組合式機油控制環，其中該側軌係申請專利 範圍第1至4項任一項之側軌。 (請先閲讀背面之注意事f再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） · 20 -