桨尾翼

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桨尾翼
申请号	CN201010153842.2	申请日	2010-04-22	公开(公告)号	CN101870353A	公开(公告)日	2010-10-27
申请人	贝克船舶系统有限公司;			发明人	亨宁·库尔曼;
摘要	为实现改进用于水上交通工具的桨(100)的尾翼(40)的性能，桨(40)具有纤维复合材料。
权利要求	1.桨(100)的尾翼(40)，用于水上交通工具，特别是对操作性要求高的船舶，其特征在于，所述尾翼(40)包括纤维复合材料。 2.如权利要求1所述的尾翼，其特征在于，所述尾翼(40)包括尾翼体，所述尾翼体至少部分地由纤维复合材料组成。 3.如权利要求2所述的尾翼，其特征在于，所述尾翼体至少部分地形成所述尾翼(40)的外表面。 4.如权利要求2或3所述的尾翼，其特征在于，所述尾翼体具有一个或多个相互分离的内部空腔(47)，所述空腔(47)优选地填充有填充材料，特别是泡沫材料。 5.如权利要求2至4中的任一项所述的尾翼，其特征在于，所述尾翼体包括位于前部且朝向桨(100)的前缘(41)、位于后部且背向桨的后缘(42)以及设置在两个边缘之间的加固元件，特别是中间板(46)。 6.如权利要求2至5中的任一项所述的尾翼，其特征在于，所述尾翼体在位于前部且朝向桨(100)的前缘(41)的区域中得到加固。 7.如权利要求2至6中的任一项所述的尾翼，其特征在于，在剖视图中，所述尾翼体在所述前缘(41)的区域内的最大长度是所述尾翼(40)最大长度的15至50％。 8.如前述权利要求中的任一项所述的尾翼，其特征在于，所述尾翼(40)包括至少一个接纳/铰链元件，用于连接桨(100)和/或用于接纳桨的部件，所述接纳/铰链元件优选地设置在所述朝向桨的前缘(41)的区域内和/或上部尾翼端区域(43)内。 9.如权利要求8所述的尾翼，其特征在于，所述至少一个接纳/铰链元件由一种或多种金属材料，特别是钢组成。 10.如权利要求8或9所述的尾翼，其特征在于，所述至少一个接纳/铰链元件包括一个或多个管(70，80，91，92)，所述纤维复合材料可绕所述一个或多个管(70，80，91，92)缠绕和/或压成薄层。 11.用于水上交通工具、特别是对操作性要求高的船舶的桨(100)，其特征在于，所述桨(100)包括如前述权利要求中的任一项所述的尾翼(40)。 12.如权利要求11所述的桨，其特征在于，所述尾翼(40)包括至少一个接纳/铰链元件，用于连接桨叶片(20)和/或用于接纳桨叶片(20)的部件，所述接纳/铰链元件优选地设置在朝向所述桨叶片(20)的所述桨(40)的前缘(41)的区域内和/或所述上尾翼端区域(43)内，其中部分铰链设置在所述桨叶片(20)上，并设计成用于可旋转地连接所述桨叶片(20)上的尾翼(40)，所述部分铰链连接所述尾翼的至少一个接纳/铰链元件和/或插入到所述尾翼的至少一个接纳/铰链元件，和/或其中所述桨(100)的铰链装置(10)，特别是滑动旋转活塞，连接所述尾翼的至少一个接纳/铰链元件和/或插入到所述尾翼(40)的至少一个接纳/铰链元件。 13.用于水上交通工具、特别是对操作性要求高的船舶的桨(100)的尾翼(40)的制造方法，其特征在于，至少基本由纤维复合材料制成尾翼体，所述尾翼体至少基本形成所述尾翼(40)的外表面并且具有至少一个空腔(47)，如果适当，在所述尾翼体内和/或尾翼体上设置一个或多个接纳/铰链元件，用于连接桨(100)和/或接纳桨(100)的部件，以及，如果适当，所述至少一个空腔(47)填充有填充材料。 14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，为制造所述尾翼体，制造两个半壳以及，如果适当，设置在所述半壳之间的加固元件，并且装配成所述尾翼体。 15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，为制造所述尾翼体，设置一个或多个芯，特别是泡沫芯，和/或一个或多个接纳/铰链元件，所述纤维复合材料围绕所述接纳/铰链元件缠绕和/或压成薄层。
说明书全文	桨尾翼技术领域 [0001] 本发明涉及一种用于水上交通工具的，尤其是对操作性要求高的船舶的桨的尾翼。所述“操行性要求高”可理解为在以下的船中，要求船具有极大的桨力，或必须在低速行驶时进行诸如靠岸操作时，该船不需要例如来自拖轮的其它辅助就能实现操作。背景技术 [0002] 具有这种尾翼的桨也被称作“尾翼桨”。这里主要涉及所谓的完全悬浮的桨，可移动和/或可旋转的尾翼通过例如铰链等合适的固定方法固定在其后缘上，即，沿船行驶方向可见的桨后边缘上。然而，原则上，这种可移动的尾翼也可以用在其它种类的桨上，例如半悬浮的桨或者装配在尾柱底部(Stevensohle)的桨。 [0003] 尾翼通常铰接在桨的桨叶片上，其中通过设置在船体和尾翼之间的铰链装置可预先确定尾翼的偏转。这样的桨经常设计成强制控制的，从而在放下桨的时候，也就是说，在桨围绕桨柄轴线旋转时，尾翼同样移动。利用尾翼桨获得了高螺旋桨流偏移以及大的桨力，从而与常规的桨相比，改善了桨的操作性。因此尾翼与主桨的桨叶片一起旋转，通常通过铰链等连接，并且在完成安装状态下，通常围绕垂直轴线或者平行于桨叶片的后缘的轴线旋转。 [0004] 尾翼通常具有如下构造其高度与桨叶片相同，其长度在沿船行驶方向观察时约为桨叶片长度1/3至1/10。因此用于诸如集装箱船或者油轮等大型船舶的尾翼相应地达到更大的尺寸，其中，桨叶片通常具有80m2或者更大。与桨叶片一样，桨尾翼通常由金属，尤其由钢制成，用于大型船舶的桨尾翼具有相应的大重量。 [0005] 图1示出了完全悬浮的桨100的立体图，完全悬浮的桨100具有现有技术公知的典型的可铰接的尾翼30。图1所示的桨包括桨叶片20，其可围绕桨柄21旋转，桨柄21与设置在船体内的操舵装置(此处未示出)连接。沿行驶方向可视的桨叶片20的后缘上设置有可旋转的、强制控制的以及通常由金属制成的尾翼30，尾翼30设置有滑动旋转活塞铰链的铰链装置10。铰链装置10设置在尾翼30的上端区域以及作为船舶结构(未示出)固定构件的艉鳍(Skeg)后端，并且铰链装置10包括具有铰链销14以及各自属于水平活塞和垂直活塞(此处未示出)的轴承箱12和16的万向节。可以看出，铰链装置10设置在桨尾翼或者桨尾翼30的桨叶片20的桨尾翼外侧。尾翼30沿桨叶片20的全部高度延伸，并且设置成可围绕桨叶片20的尾板22旋转。 [0006] 基本的优点在于，将桨或者桨尾翼制造得尽可能轻，以在放下桨时必需施加很小力，并能使桨的轴承的尺寸相应地更小等。然而，另一方面，因桨尾翼比桨叶片具有朝螺旋桨流的更大角度而在桨尾翼中引起极高的桨力。尤其是在桨尾翼和桨叶片之间的连接区域中产生极高的力，从而用于制造桨尾翼的材料必须具有相应的弯曲刚性以及连接刚性。发明内容 [0007] 本发明目的在于，提出一种用于水上交通工具的桨的尾翼，与现有技术公知的桨尾翼相比，其具有改善的性能，尤其是减小的重量，同时与作用在桨尾翼上的桨力相关的足够的稳定性。 [0008] 本发明的目的利用具有权利要求1中的技术特征的桨尾翼来实现。 [0009] 在本发明中，桨尾翼具有纤维复合材料，其优点在于，通过至少是局部地由纤维复合材料制造或生产桨尾翼，显著地减小桨尾翼的重量，同时获得足够的稳定性，例如桨尾翼的弯曲刚性和连接刚性。特别有利地使用碳纤维复合材料。也可使用纤维强化的合成材料以及其他纤维强化的材料。石墨纤维可特别地用作碳纤维材料。使用纤维强化材料的优点在于小重量以及高刚性和强度。纤维复合材料的用途在于制造在其上作用极大的桨力的桨尾翼，该用途由本发明首次描述。 [0010] 有利地，使尾翼尽可能地大，也就是说，最大部分和/或基本由纤维连接材料制成。还使尾翼完全由纤维复合材料制造成为可能。桨尾翼上的纤维复合材料的部分越大，由此实现的优点就越重要，例如： [0011] ●桨的轴承的尺寸可以变小 [0012] ●桨尾翼的装配或者维修将变得简单 [0013] ●尾翼的制造以及桨叶片的调整将变得简单 [0014] 在本发明的一个优选实施例中，尾翼具有尾翼体，尾翼体的至少一部分由纤维复合材料形成。尾翼体如此设计，使其形成尾翼的底部支架或者骨架。特别的是，尾翼体应该设计成吸收在航行中引入桨尾翼的力。优选地，尾翼体尽可能由纤维复合材料组成，从而尾翼体尤其优选地基本由纤维连接材料制成。同样，使纤维复合材料形成整个尾翼体变得可能。由于桨尾翼的尾翼体通常由金属制造成，尾翼体上的纤维复合材料的份额越高，获得的重量减小量越大。尾翼体通常如此设计，使其可吸收作用在桨尾翼上的力。相应地，尾翼体必须具有足够高的稳定性或者坚固性，这些稳定性和坚固性在形成纤维复合材料时产生。 [0015] 此外，优选的，尾翼体基本上，优选为全部，形成桨尾翼的外表面。因此在本实施方式的情况下，尾翼体包括尾翼的侧面、前缘、后缘以及桨尾翼的上、下端区域。如果适当，在由纤维复合材料制成的桨尾翼表面上涂有附加的、合适的另一材料层，如保护漆等。在本实施例中，所述尾翼体从而形成基本封闭的本体，即形成桨尾翼。 [0016] 特别地，在上述典型的实施例的情况下，有利地，所述尾翼体形成一个或多个相互分离的内部空腔。这些空腔可有利地填充合适的填充材料，特别是诸如高强度和防水泡沫的泡沫材料。由此桨尾翼不必设计成大重量，进一步有利于减小桨尾翼的重量。然而同时，尾翼体如此设计，使其具备足够的稳定性或强度。空腔填充有填充材料用于进一步支持桨尾翼。在这些实施例中，由纤维加强的合成材料以及由PU泡沫制造的泡沫芯等可形成桨尾翼并且因此完全不需要由金属制成的元件或者部件。 [0017] 此外，优选地，尾翼体包括朝向桨的前缘以及背向桨的后缘，其中在两个边缘之间设置加固元件，特别是中间板。在此实施例中，特别是桨尾翼的外表面基本由尾翼体形成。加固元件用于加固桨尾翼或者提升桨尾翼的承载能力，并且通常能设计成任何合适的形式。特别优选地，加固元件设计成中间板，中间板优选的同样由纤维复合材料制成。中间板将尾翼体的内部空腔分离成单个底部空腔或底部分区，且每个底部空腔都设有泡沫芯。然而，一般也可以想到，加固元件有其它形式，例如支柱。 [0018] 在另一优选的实施例中，尾翼具有一个或多个接纳/铰链元件，接纳/铰链元件设置成与桨连接，和/或用于接纳桨的(构成)部件。通常桨尾翼以铰接的方式安装在主桨的桨叶片上，相应地，必须在桨叶片和桨尾翼以及铰链装置之间设有可旋转的连接。接纳/铰链元件用于接纳这些部件的尾翼侧或者产生连接。因此接纳/铰链元件可设置成用于接纳通常安装在桨叶片区域上方的铰链装置，例如滑动偏移活塞的部件。替代地或附加地，接纳/铰链元件部件可以是介于桨尾翼和桨叶片之间的铰链连接等的部件，其中在这种情况下，接纳/铰链元件可设计成铰链接纳元件和铰链本身。 [0019] 为实现与桨连接，或者能接纳桨的部件，有利地，接纳/铰链元件安装在桨尾翼的前缘区域内和/或桨尾翼的上端区域。此外，优选地，接纳/铰链元件优选地制造成位于桨尾翼的尾翼体的内部或与尾翼体成为一体。优点在于简化了桨尾翼的制造过程，由此保证，接纳/铰链元件设置在桨尾翼的最坚固的区域，即尾翼体内，因为在桨尾翼和桨叶片之间的连接区域通常产生最大的力。 [0020] 接纳/铰链元件通常由任何合适的材料制成，特别是由纤维复合材料或者多种不同材料的组合。然而优选地，接纳/铰链元件由金属材料，特别是钢制成。如上所述，由于最大的力产生在接纳/铰链元件的区域，或者钢特别适合作为轴承材料，有利地，这些元件由诸如钢的金属制成。然而通常还可使用其它合适的、具有足够的强度的和连接硬度的材料。如果接纳/铰链元件由钢制成以及一体化地设置在尾翼体内，在尾翼体的其他部分由纤维复合材料制成时，在本发明框架内，尾翼体可视作基本由纤维复合材料制成。 [0021] 接纳/铰链元件由钢材料制成的优点在于提供一种可能性，即在制造尾翼体之前，在相对小的机床上以精加工的尺寸加工接纳/铰链元件。接纳/铰链元件可通过合适的装置校正，以最终完成尾翼体的安装。因此在以通常的钢构造方式制成尾翼体之后，避免对接纳/铰链元件进行一般的和相对复杂的机械处理。 [0022] 接纳/铰链元件通常具有任何合适的形式。在一个优选的实施例中，接纳/铰链元件设计成管或多个管的组合。优选地，纤维复合材料的纤维可围绕管缠绕以制成桨尾翼。因此，管可用作缠绕芯，纤维围绕管缠绕以制造尾翼体，并且在完成缠绕后，管保留在部件内，即尾翼体内。这种设计成管的接纳/铰链元件特别适于接纳铰链装置的滑动旋转活塞和/或接纳桨叶片的铰链的铰链销。而且，在一体化装置情况下能提升尾翼体的稳定性或坚固性。 [0023] 特别的是，既然作用于桨尾翼的最大的力通常产生在介于桨尾翼和桨叶片之间的连接区域中，并且桨尾翼通常以可旋转的方式在其前缘区域内与桨叶片连接，有利地，以加强的方式将尾翼体设置在前缘区域内。与尾翼体的其他区域相比，这可以通过诸如在前缘区域中，提供纤维复合材料加强层或者使整个尾翼体更厚的设计实现。 [0024] 在另一优选实施例中，在剖视图中，尾翼体在前缘区域内具有尾翼最大长度的15至50％，优选为20至40％的最大长度。从而，在这样的长度比例情况下，在实现最大重量减小量的同时，达到使桨尾翼具有足够的稳定性或坚固性的最佳结果。从而，尾翼体的最大长度有利地设置在桨尾翼与桨叶片的旋转连接区域中，特别是在最上方的旋转连接区域中。 [0025] 与用钢构造的产品相比，以纤维复合方式构造的产品通常能更简单地实现复杂几何或者弯曲的轮廓表面。通过几何最佳适应设计，特别是在设置铰链的上端区域，同时实现了对流体动力最有利而流体阻力很小的轮廓。 [0026] 此外，本发明的技术目的通过用于水上交通工具，特别是对操作性要求高的船的桨的尾翼的制造方法解决，其中制造尾翼体，尾翼体基本由纤维复合材料制成，并基本形成尾翼的外表面且具有至少一个空腔。通过由纤维复合材料制成尾翼体，可明显减少重量，同时保证实现桨尾翼具有足够的坚固性。提供空腔区域来代替实体的设计有助于进一步减小桨尾翼的重量。优选地，可在尾翼体上设置一个或多个接收/铰链元件，接纳/铰链元件设计成用于与桨连接和/或用于接纳桨的部件。此外，优选地，至少一个空腔填充有填充材料。 [0027] 为制造至少大部分由纤维复合材料制成的尾翼体，现有技术公知的任何合适的制造方法通常可用于纤维复合材料。在本发明的方法的优选实施例中，两个半壳用于组合形成尾翼体，制造该两个半壳以用来制造尾翼体。此外，有利地，可使用加固元件，特别是中间板，中间板在装配之前定位在两个半壳之间，从而在装配之后设置在两个半壳的内部，并进而在尾翼体的空腔内。在替代实施例中，设置泡沫芯，由纤维复合材料制成的尾翼体缠绕。此外，还可有利地实现围绕接收/铰链元件缠绕。替代地或附加地，由纤维复合材料制成的层或者垫子，可层压，特别是手工地，在芯和/或接收/铰链元件上。与此相反地，纤维缠绕通常利用机器实现。因为这种方法不需要用于半壳模具的初始投资，利用这种方法，可制造高质量的极其经济的尾翼或者尾翼体，尤其在小数量制造情况下。附图说明 [0028] 优选的实施方式将在以下的附图中描述。附图示意性地示出了： [0029] 图1具有现有技术公知的尾翼的完全悬浮的桨的立体图； [0030] 图2本发明的桨尾翼的立体侧视图； [0031] 图3a图2所示的桨尾翼的侧视图； [0032] 图3b图2所示的桨尾翼的俯视图； [0033] 图4a图3b所示的桨尾翼的截面图； [0034] 图4b1图3a所示的桨尾翼的截面图； [0035] 图4b2图4b1所示的局部截面的放大图； [0036] 图4c图3a所示的桨尾翼的另一截面图； [0037] 图4d图3a所示的桨尾翼的另一进一步截面图； [0038] 图4e图3a所示的桨尾翼的另一进一步截面图； [0039] 图4f图3a所示的桨尾翼的另一进一步截面图； [0040] 图4g图3a所示的桨尾翼的另一进一步截面图； [0041] 图5a接纳/铰链元件的立体图； [0042] 图5b接纳/接头元件的立体图；以及 [0043] 图5c接纳/接头元件的立体图。 [0044] 附图标记列表 [0045] 100桨 [0046] 10铰链装置 [0047] 12轴承体 [0048] 14铰链销 [0049] 16轴承体 [0050] 20桨叶片 [0051] 21桨柄 [0052] 22桨叶片后缘 [0053] 30现有技术的尾翼 [0054] 40依据本发明的尾翼 [0055] 41前缘 [0056] 42后缘 [0057] 43上端区域 [0058] 44下端区域 [0059] 45侧壁 [0060] 46中间板 [0061] 47空腔 [0062] 48a，b凹口 [0063] 70钢管 [0064] 71上端区域 [0065] 80钢管 [0066] 91钢管 [0067] 92钢管 [0068] 93开口 [0069] 94端片具体实施方式 [0070] 图2示出了本发明的尾翼40，设计成可旋转地铰接于水上交通工具的桨的桨叶片上。图2通过虚线示出了尾翼40的被遮盖的或者内部部件。因此，尾翼40包括前缘41、后缘42、上端区域43以及下端区域44。尾翼40由通过纤维复合材料制造成的尾翼体组成，所述纤维复合材料包括制成前缘41、后缘42、上端区域43以及下端区域44的所有尾翼材料。此外，尾翼体还包括尾翼体侧壁或者侧面45，以及介于边缘41、42和侧壁45之间的多个中间板46。中间板46将自两个端区域43、44起，介于边缘41、42以及尾翼体的侧壁45之间所形成的空腔分割成多个相互分离的空腔47。这些空腔优选地填充泡沫芯(此处未示出)。在尾翼40的前缘41的区域内设置上凹口48a以及下凹口48b。而且，在两个凹口48a、48b之间设置平行于尾翼40的纵轴的钢管70，所述纵轴平行于钢管70的尾翼40位于前缘41的区域的尾翼体内。在下凹口48b和下端区域44之间，在尾翼体内设置另一与纵轴平行的钢管80。在上凹口48a上方设置另一相对较短的钢管91，其与另一基本垂直安装的更长的钢管92连接。钢管92以垂直于尾翼40的纵向方向地延伸穿过上端区域43。钢管91、70和80与凹口48a、48b一起组成两个接纳/铰链元件，用于与桨叶片可旋转地连接。此处所示的尾翼40的前缘的接纳/铰链元件由管70、80、91和凹槽48a、48b组成，并且特别地设计成用于接纳桨叶片的铰链的铰链销。围绕铰链销设置的桨叶片的铰链部件(此处未示出)可插入到相应的凹口48a、48b中时，铰链销(此处未示出)可分别插入到管70、80、 91的朝向凹口48a、48b开口的端区域。所有管70、80、91、92设置成完全在桨尾翼40的尾翼体内部或者设计成与它成为一体。管92是另一接纳/铰链元件，并且设计成用于接纳桨叶片(此处未示出)的铰链装置，特别是滑动旋转活塞，的部件。活塞可穿过管92，因此用于将尾翼强制地铰接到水上交通工具的桨的桨叶片上。与现有技术公知的、如图1所示的尾翼相比，本发明的桨尾翼40的接纳/铰链元件92设置在尾翼40的尾翼体内部或者设计成与尾翼40的尾翼体成为一体，并且不像通常那样设置在尾翼40的上端区域43上。由此简化桨尾翼的结构，并且不必在尾翼40上安装其它部件。 [0071] 图3a示出了图2的桨尾翼40的侧视图。相反地，图3b示出了这个尾翼40的俯视图。图4a至4g示出了图2、3a和3b的尾翼的不同剖面图。图4a示出了穿过尾翼40的纵向剖面。图4a中的所有阴影、截面表示尾翼40的由纤维复合材料制成的尾翼体，与接纳/铰链元件的管70、80、91、92成为一体。中间板46彼此平行地安装，并且将尾翼40的尾翼体的内部区域分割成数个相互分离的空腔47，空腔47优选地填满泡沫芯。而且，可以看出，整个尾翼由纤维复合材料制成的尾翼体、与尾翼体成为一体的管70、80、91、92以及如果适当，设置在空腔47内的泡沫芯(未示出)组成。此外，可以看出，由于大负荷出现在上凹口48a的区域中的前缘41，该前缘41得到了加固，即，比其余区域所示的更厚。正如上、下端区域43、44的外侧那样，前缘41的外侧设计成大体上是线性的。相反地，后缘42具有平的，弧形的或者凸出的轮廓，其中尾翼40的最宽处设计在上端区域43中。管70、80、91以及92用于一个接纳桨的部件。此外，它们还加固了它们设置于其中的尾翼体的相应区域，即前缘区域41和上端区域43。 [0072] 图4b1示出了相对于图4a所示的纵向截面图旋转90°的穿过桨尾翼40的纵向截面。图4b2为图4b1的上端区域43的放大图。可以看出，管92由桨尾翼40的上端区域43中的尾翼体的纤维复合材料完全环绕或包围。因此，桨尾翼40的整个外表面由纤维复合材料所制成的尾翼体形成。 [0073] 相反地，图4c至4g分别示出了图2、3a或3b所示的桨尾翼的不同横截面。图4c示出了穿透介于管92和上方的空腔47之间的区域内的桨尾翼40的剖视图。这样，截面沿交线C-C穿透尾翼体。因此，图4c示出了由纤维复合材料制成的所有表面，仅由管91的凹口打破了表面的连续性。尾翼的轮廓从前缘41开始，以半圆形方式延伸到设置于管91高度的轮廓宽度最大的区域。然后，壁45大致平行地延伸，直到它们以曲线的方式逐渐变窄，延伸了约大于桨尾翼一半长度后达到后缘42。 [0074] 图4d示出了穿过从沿纵向方向可见的且设置于凹口48a后面的中间板46的截面。可以看出，中间板46设计成与壁45和后缘42成为一体。 [0075] 图4e示出了穿过空腔47的另一剖视图。可以看出，由纤维复合材料制成的前缘区域41的长度大致为桨尾翼总长度的1/3。空腔47设计成大致三角形，其中两条长边呈弧形。 [0076] 图4f示出了穿过中间板46的另一剖面图以及图4g示出了穿过空腔47和凹口48的剖面图。 [0077] 图5a、5b和5c示出了一体地设置在桨尾翼40中的管70、80、91、92的立体详图。管70具有上端区域71，设置于凹口48a的区域内，并且比管70的其余部分具有更大的直径。这个大直径用于加强上端区域71以及根据套管对于铰链销的功能，用于调整铰链销和桨的铰链(此处未示出)的接纳。管91和92通过形成接近直角，特别是通过焊接，而连接在一起，其中在与管91相反侧的管92中具有开口93。所有的管70、80、91、92均在其开口端具有圆盘状的端片94，达到放置在尾翼40的尾翼体的纤维复合材料上。图5a至5c中所示的钢管结构也可被称作“入口”。