CN101639407B - 电动轮多功能试验台架 - Google Patents
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Abstract
本发明一种电动轮多功能试验台架,其包括测功电机、电动推杆、加载电机、装有轮毂电机的电动轮、转鼓、转速扭矩传感器、压力传感器、滚珠丝杆机构、上层控制器(计算机)、A/D&D/A卡、USB/CAN转接盒,其中计算机通过D/A卡按照实验工况控制测功电机的转速,计算机通过D/A卡按照实验工况动态控制加载电机施加在电动轮上的垂直载荷,计算机通过USB/CAN转接盒按照实验工况控制装有轮毂电机的电动轮的扭矩,压力传感器和转速扭矩传感器分别通过A/D卡和串口向计算机发送电动轮载荷,转速和扭矩信号。本发明无需专门安排实验人员进行实车路试,在实验室在无人监控情况下自动对电动轮耐久性进行考核,具有节省人力物力,考核快、准等优点的试验台架。
Description
技术领域
本发明属于动力传动系统台架试验技术,具体涉及轮边电驱动汽车的轮毂电机驱动模块(简称电动轮)的一种新型多功能试验台架。
背景技术
轮边电驱动汽车一般没有内燃机,只有轮毂电机和电池(如蓄电池,燃料电池等)新型动力源,所以其动力系统具备电机动力源的优点(如效率高,无污染等),是一种新型的汽车节能和环保技术,在世界范围内得到了广泛的关注和研究。以电动/发电一体化轮毂电机为重要构成部件的轮边电动汽车动力传动系统,作为一种新型的动力传动技术,目前还缺少相应的多功能试验台架对驱动系统的耐久性、电动轮系统复合制动等进行测试和评价,基于纯电动轮边驱动系统开发的需要,设计了电动轮多功能试验台架。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动轮多功能试验台架,其为结构紧凑、切实有效的轮毂电机驱动模块多功能试验台架,实现对轮边电驱动汽车动力系统的耐久性等多种性能的考核。
为达到以上目的,本发明的解决方案是:
一种电动轮多功能试验台架,其包括台架主体、垂直加载系统、侧向加载系统、上层控制器,所述的台架主体包括位置对称的主体支架、位于主体支架中间自上而下三层板型结构、上下两条横臂及主销,三层板型结构上设有沉头孔,上下两条横臂分别位于上层板和下层板上,上下两条横臂中央设有供主销穿过的孔,主体支架底部设有线性导轨连接固定于地面上;所述的垂直加载系统包括垂向加载电机及其控制器、滚珠丝杆、丝杆螺母、导向杆、第一拉压板、第二拉压板、第一双向力传感器、双向推力轴承、第一同步带轮系统,垂向加载电机及其控制器安装于台架主体内,滚珠丝杆穿过中、下层板结构的中间沉头孔,且丝杆上配合安装有丝杆螺母,导向杆为两根,分别穿过三层板结构两边的沉头孔及丝杆螺母两边的通孔并与第一拉压板连接固定,第一拉压板下方通过第一双向力传感器连接有第二拉压板,第二拉压板与双向推力轴承连接固定,双向推力轴承另一侧与主销固定,第一同步带轮系统将垂向加载电机的动力传动至滚珠丝杆从而电机转动带动丝杆转动;所述的侧向加载系统包括电动推杆支架、电动推杆及其控制器、支架旋转轴、球铰、转向横臂、第二双向力传感器、光学编码器、第二同步带轮系统,推杆支架两端设有与导向杆固结的通孔,远离通孔处的电动推杆支架上连接固定有支架旋转轴,旋转轴还与电动推杆的一端连接固定,电动推杆另一端与固定于转向横臂上的球铰连接固定,转向横臂与主销相连,第二双向力传感器固定在三角支撑支架和台架主体间,三角支撑支架一端与第二双向力传感器固定,另一端通过螺纹连接与试验台支架固定,试验台支架连接地面和试验台主体,第二同步带轮系统将电动推杆施加于主销的转动传递至光学编码器;该试验台架由直流电源供电,由上层控制器控制各控制器动作,且各传感器测得信号发送给上层控制器处理。
其还包括轮毂电机、轮毂电机控制器、转鼓、测功电机、测功电机控制器,轮毂电机固定于主销上,进而安装轮胎,转鼓置于轮胎下方,转鼓输入轴通过联轴器连接转速转矩传感 器及测功电机。
其还在轮毂电机上安装制动盘、在主销上安装制动钳并连接制动油路和电磁阀、增加飞轮和变速器与转鼓连接、并增加光学编码器、油路压力传感器以对电动轮模块制动能力测试。
该上下两条横臂的中央通孔内设有轴承钢珠制成的滚动导轨,并用端盖密封,且与滚动导轨配合的主销直径小于通孔直径,主销长度大于上下两条横臂间距。
该导向杆穿过的三层板结构的沉头孔保持同轴,且沉头孔内置有无油轴承,沉头孔大孔端用端盖固定阻止无油轴承的轴向移动;该滚珠丝杆穿过的中、下层板结构的沉头孔内置有推力轴承,沉头孔也设有端盖以阻止推力轴承的轴向移动。
该丝杆螺母与导向杆固结。
该球铰一端设有通孔,通过连接件穿过该孔及电动推杆上对应的孔连接固定;球铰另一端设有插入转向横臂对应通孔内固定的外螺纹。
该转向横臂通过双键与主销连接,并使用紧定螺钉限制其沿主销轴向移动。
该线性导轨上及台架主体的主体支架上设有对应的螺孔,通过连接件将线性导轨和主体支架连接固定;试验台支架上表面对应于台架主体设有相应的螺孔,通过连接件固定线性导轨的滑块。
该第二拉压板与双向推力轴承外壳上的法兰结构通过螺栓连接。
该电动推杆支架通过螺母固定在导向杆上,与导向杆一起运动。
该连接件为螺栓螺母。
该上层控制器与第一双向力传感器和第二双向力传感器及转速扭矩传感器之间通过D/A卡及串口通信,并通过USB/CAN转接盒、A/D卡控制加载的测试条件。
本发明通过计算机控制转鼓驱动电机、垂向加载电机和转向电机,模拟电动轮实际工作时的垂向载荷、侧向载荷及转速转矩。用转鼓电机模拟电动轮工作时的转速和转矩,用垂向加载电机带动滚珠丝杆施加垂向载荷,模拟路面谱信息,用转向电机制造侧偏角,模拟侧向载荷。
由于采用了以上技术方案,本发明具有以下有益效果:本发明具有结构简单,布置紧凑,成本低,易于控制,功能强大,扩展性强等优点。有此试验台架就不需要专门安排实验人员实车路试就能在实验室里对电机的耐久性进行自动考核,节省人力和物力;而且该台架能按照试验工况自动控制电动轮的扭矩和转速,对其可靠性和耐久性进行考核,考核速度快,考核结果准确。
附图说明
图1是电动轮动态加载装置示意图一。
图2是电动轮动态加载装置示意图二。
图3是电动轮多功能试验台架示意图。
图4是电动轮多功能试验台架控制框图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-图2所示本发明提出的电动轮多功能试验台架主要包括直流电源柜、试验台台架主体、试验台底部支架、垂向加载系统、侧向加载系统、轮毂电机、轮毂电机控制器、转鼓、测功电机、测功电机控制器和上层控制器(计算机),其中台架主体及支架部分,垂向及侧向加载系统是主要设计的部分,其余部分可根据实验要求选用类似产品替代。以下依次介绍。
直流电源柜直接或通过变压器为试验台各部分提供动力,包括垂向和侧向加载系统、轮 毂电机、测功电机、上层控制器及相应的电机控制器。
试验台架主体由左右两部分对称的主体支架2、中间自上而下三层板型结构20、21、22、上下两条横臂27及主销10组成。左右两侧主体支架2底部设有多个螺纹孔,通过螺栓与底部的线性导轨17连接。中间三层板型与左右支架焊接,中间一层的板21左右各有一个沉头孔,其中安放无油轴承,其具有结构紧凑、低摩擦、自润滑的特点,沉头孔的大孔端用端盖23阻止无油轴承的轴向移动,该端盖23用螺钉固定在板21上,板20和板22左右也有类似的沉头孔和端盖用于放置无油轴承,三层板间对应孔保持同轴。板21和板22中部开有较大的沉头孔,其中放置一对推力轴承,同时通过螺钉将轴承端盖固定在相应的板上以阻止轴承的轴向移动。上下横臂27与板20及板22,通过螺纹连接固定(示意图中该细节简化,连接关系类似焊接,因焊接后主销无法拆卸,故仅在无需更换主销时可使用焊接固定),横臂27中央打孔,内有用轴承钢珠等制成的滚动导轨,并用端盖密封。主销10通过上下横臂27中的孔与其内的滚动导轨配合。可以上下移动并且绕轴线转动。其上下两端直径均不大于横臂中间孔的直径,但其由于主销10需要在垂直方向上能有一定的位移,故其长度大于上下横臂间的距离。安装时需先将主销两端分别穿过横臂中央的孔与滚动导轨配合完毕后再固定到板20和22上。
试验台支架34连接地面和试验台主体,其本身为框架结构,中部可以通过传动轴和转速转矩传感器29,以便使台架结构更加紧凑,充分利用空间,下表面和地面刚性连接。约束了支架的空间6个自由度。上表面对应于试验台主体左右两侧也设有相应的螺纹孔,用于固定线性导轨17的滑块部分,通过滑块与导轨的装配关系,既为台架主体提供垂直支撑,又可以限制台架主体只能沿导轨方向运动,台架主体因此具有一个水平方向的自由度,为侧向力的测量及侧滑试验创造提供了条件。
垂向加载系统包括垂向加载电机1及其控制器、滚珠丝杆3,丝杆螺母4、导向杆5、第一拉压板6、第二拉压板8、第一双向力传感器7、双向推力轴承9、第一同步带轮系统26组成。上位机通过电机控制器发送指令,由电源柜将交流电通过变压为垂向加载电机1提供动力。滚珠丝杆3与板21和板22中间孔内的推力轴承配合,丝杆螺母4与滚珠丝杆3配合安装。左右两根导向杆5与无油轴承配合,穿过支架主体中三层板左右两侧的孔和丝杆螺母两端的孔,并与第一拉压板6通过螺母固定。使用螺母将丝杆螺母4与导向杆5固结,因此导向杆本身无法转动,仅能沿轴向移动。由第一同步带轮系统26将动力由电机1传递到滚珠丝杆3一端,由于滚珠丝杆两端的推力轴承限制了其轴向移动,使其只能沿轴线转动。而丝杆螺母因为与导向杆固结也无法转动,故最终该系统的运动方式是丝杆绕轴向转动,丝杆螺母沿丝杆轴线方向上下移动,并进而带动导向杆上下移动,导向杆又带动第一拉压板6上下移动,第一拉压板6和第二拉压板8之间使用第一双向力传感器7连接,可以测得垂向载荷的大小并反馈回上位机,形成闭环控制,同时可以避免将导向杆与无油轴承,滚珠丝杆与丝杆螺母,同步带系统等各个环节产生的摩擦计入最终施加的载荷,使施加的垂向载荷更加精确,双向推力轴承9的中轴圈上端靠在主销10的台阶面上,下端用套筒顶住,主销10的下部末端有与套筒配合的外螺纹,套筒的另一侧用螺母锁紧(套筒在轴线方向无法运动,其绕轴线的转动因为接触面的摩擦而被限制),使中轴圈与主销固结,下轴圈为套筒,一端与第二拉压板8接触,另一端通过钢珠与中轴圈接触,上轴圈即为推力轴承外壳,内部通过钢珠与中轴圈接触,外部通过外壳上的法兰结构用螺栓与第二拉压板8连接,将载荷通过第二拉压板8传递给推力轴承9,进而传给主销10。当第二拉压板8向下运动时,上轴圈即外壳通过钢珠将压力传给中轴圈进而传给主销10,当第二拉压板8向上运动时,下轴圈随第二拉压板8一起向上运动,将压力通过钢珠传递给中轴圈进而传给主销10。由于双向推力轴承9在施加沿 主销10轴向载荷的同时允许其绕轴线转动,因此可以使主销10的垂向运动与转向运动互相独立,不会产生干涉。当主销孔内装入轮毂电机并保持轮胎与转鼓接触,系统即可将垂向载荷施加到轮毂电机上。
侧向加载系统包括电动推杆支架12、电动推杆13及其控制器、支架旋转轴14、球铰15、转向横臂16、第二双向力传感器18、光学编码器24、第二同步带轮系统25组成。支架12左右各有一个孔,与导向杆5配合并通过螺母固结,支架旋转轴14通过其底部的法兰结构与支架12通过螺栓连接。上端穿过电动推杆尾部的孔并用螺母限制电动推杆沿旋转轴的轴向运动,使其只能绕旋转轴轴线转动。在球铰15一端设有通孔,用螺栓穿过该孔和电动推杆头部的孔并使用螺母固定,使球铰15一端与电动推杆固结。球铰15另一端设有部分外螺纹,可插入转向横臂上对应的孔,并通过螺母与其固结,转向横臂通过双键与主销连接,同时使用紧定螺钉限制其沿主销轴向移动。由于主销上下移动幅度和导向杆相同,故电动推杆支架和主销始终保持相对静止,可以避免主销的垂直位移导致转向系统因空间运动而引起转向干涉。当电动推杆的长度改变时,主销即会产生相应转角,而该转角通过第二同步带轮系统25会被传递到光学编码器24上,并反馈回上位机形成闭环控制。通过螺纹连接将第二双向力传感器18固定在支架33和台架主体间,支架33是一个三角支撑,一端与第二双向力传感器18固定,一端通过螺纹连接与试验台支架34固定。当该转角在车轮转动时产生相应的侧向力时,由于台架主体具有沿线性导轨方向移动的自由度,故侧向力便可被传感器测得并反馈给上位机。
轮毂电机的电机轴与主销孔配合安装,并用螺母固定在主销上,电源柜输出的交流电经变压后为其提供能源,上位机通过轮毂电机控制器控制其输出的转速转矩等参数。
转鼓系统用于模拟路面状况,转鼓30置于轮胎下方,表面与轮胎接触,转鼓输入轴通过联轴器与转速转矩传感器29连接,并通过其连接到测功电机28,由电源柜为其提供能源,通过上位机经测功电机控制器控制其输出的转速转矩等参数,并与传感器反馈的值形成闭环。
以上是台架的组成及其连接关系,下面介绍其动态加载原理。
其垂向动态加载原理是:加载电机1壳体固定在支架2上,通过联轴器将滚珠丝杆机构中的丝杆3连接在加载电机轴上,从而电机轴的转动将带动滚珠丝杆转动。滚珠丝杆3两端用轴承端盖19固定在支架2上,故不能移动,只能转动,丝杆螺母4上安装了与丝杆3平行的导向杆5,故不能转动,只能移动。随着滚珠丝杆的转动,丝杆螺母4将沿着导向杆5上下移动。丝杆螺母的上下移动带动拉压板6上下移动,拉压板6通过力传感器7与拉压板8连接,从而测得垂向压力并把垂直压力传递给拉压板8,压板两端通过线性导轨11约束使之只能沿垂向运动,并且承受由于主销偏距产生的部分力矩。拉压板8又通过双向推力球轴承9与转向主销10连接,推力轴承外壳通过螺栓与拉压板8连接,进一步把垂向力传递给转向主销以及安装在主销上的电动轮,从而将电动轮压紧在转鼓上。
其侧向动态加载原理是:在导向杆5上端安装电动推杆支架12并将电动推杆13安装于该支架上,使之可绕推杆旋转轴14旋转,推杆另一端连接到球铰15,并通过球铰与转向臂16连接,转向臂通过平键把转矩传递给转向主销10。支架底部安装在线性导轨17上,可以沿车轮侧向移动,同时,支架后部安装力传感器18,传感器另一端与固定的基座连接。从电源柜获得的交流电经过变压器转换为直流电后为电动推杆提供动力,接通电源后,电动推杆内部的驱动电机带动丝杆,将旋转运动转化为直线运动,使推杆伸长,当电动推杆长度改变时,推杆本身绕旋转轴14转过一个角度,并且推动转向臂16进而使转向主销产生一个转角。由于电动推杆支架与导向杆相互连接,导向杆本身只能沿轴向移动而不能转动,故当导向杆上下移动时,转向主销和电动推杆支架在垂直方向上处于相对静止,可以消除由于车轮 上下跳动对转向机构引起的附加转向干涉。当车轮产生一个转角后,由于转鼓转动方向是固定不变的,则会产生一个侧偏角,进而产生一个侧向力。由于支架是安装在线性导轨上的,产生的侧向力大小可以通过传感器18测得。
此外,通过对该装置进行改造,增加制动系统相应组件,例如在电机上安装制动盘、在转向主销上安装制动钳并连接制动油路和电磁阀、增加飞轮32和变速器31与转鼓连接、并增加光学编码器、油路压力传感器等测量设备,经上位机控制,可以使该台架具备进行电动轮模块制动实验的能力。该装置是一种可测试电机性能、电机耐久性、电动轮模块复合制动性能的多功能试验台架。
本发明中,机械连接如下所述,轮毂电机端盖(轮毂电机为外转子式永磁直流电机)通过螺栓与车轮轮辋连接,将轮毂电机安装在车轮中,构成电动轮驱动模块(简称电动轮),通过平键连接将电机轴(定子)固定在电动轮动态加载装置的主销孔中。测功电机轴28通过联轴器与转速扭矩传感器29输入轴相连,转速扭矩传感器29输出轴通过联轴器与转鼓30相连,电动轮通过动态加载装置压紧在转鼓30上。
本发明中,电气连接如下所述,通过导线将直流电源柜连接在工业三相电上,直流电源柜通过连接导线向轮毂电机控制器供电,上层控制器(即计算机)根据试验工况通过CAN通讯控制轮毂电机的扭矩,工业三相电通过导线向测功电机控制器供电,计算机根据试验工况通过D/A卡控制测功电机的转速。家用单相电通过导线向加载电机控制器供电,上层控制器PC根据试验工况和压力传感器的反馈信号通过D/A卡控制其转速从而控制电动轮的载荷。
本发明中,上层控制器硬件部分由计算机,D/A&A/D卡,USB/CAN转接盒组成。其软件部分由VB软件编写的控制程序组成。上层控制器PC根据设定的耐久性试验工况和现场采集的反馈信息,分别控制测功电机的转速、加载电机的位置、轮毂电机的扭矩,以模拟电动轮的实际行驶工况。在此基础上,只需循环进行工况模拟试验便可实现对电动轮耐久性进行考核。
图3给出了电动轮多功能试验台架示意图。其运动方式是:测功电机基体通过与支架螺栓连接固定在基座上,其电机轴通过联轴器与转速扭矩传感器输入轴相连,转速扭矩传感器的输出轴再通过联轴器与转鼓相连,测功电机轴的转动带动转鼓转动,转鼓通过摩擦作用带动压紧在转鼓上的电动轮的转动。此外,如前文所述,如需进行制动试验,可在转鼓后连接飞轮及减速器。
图4给出了电动轮多功能试验台架控制框图。其控制方式是:计算机通过D/A卡按照实验工况控制测功电机的转速,计算机通过D/A卡按照实验工况动态控制加载电机施加在电动轮上的垂直载荷,计算机通过USB/CAN转接盒按照实验工况控制装有轮毂电机的电动轮的扭矩。压力传感器和转速扭矩传感器分别通过A/D卡和串口向计算机发送电动轮载荷,转速和扭矩信号。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种电动轮多功能试验台架,其特征在于:其包括台架主体、垂直加载系统、侧向加载系统、上层控制器,所述的台架主体包括位置对称的主体支架、位于主体支架中间自上而下三层板型结构、上下两条横臂及主销,三层板型结构上设有沉头孔,上下两条横臂分别位于上层板和下层板上,上下两条横臂中央设有供主销穿过的孔,主体支架底部设有线性导轨连接固定于地面上;所述的垂直加载系统包括垂向加载电机及其控制器、滚珠丝杆、丝杆螺母、导向杆、第一拉压板、第二拉压板、第一双向力传感器、双向推力轴承、第一同步带轮系统,垂向加载电机及其控制器安装于台架主体内,滚珠丝杆穿过中、下层板结构的中间沉头孔,且丝杆上配合安装有丝杆螺母,导向杆为两根,分别穿过三层板结构两边的沉头孔及丝杆螺母两边的通孔并与第一拉压板连接固定,第一拉压板下方通过第一双向力传感器连接有第二拉压板,第二拉压板与双向推力轴承连接固定,双向推力轴承另一侧与主销固定,第一同步带轮系统将垂向加载电机的动力传动至滚珠丝杆从而电机转动带动丝杆转动;所述的侧向加载系统包括电动推杆支架、电动推杆及其控制器、支架旋转轴、球铰、转向横臂、第二双向力传感器、光学编码器、第二同步带轮系统,推杆支架两端设有与导向杆固结的通孔,远离通孔处的电动推杆支架上连接固定有支架旋转轴,旋转轴还与电动推杆的一端连接固定,电动推杆另一端与固定于转向横臂上的球铰连接固定,转向横臂与主销相连,第二双向力传感器固定在三角支撑支架和台架主体间,三角支撑支架一端与第二双向力传感器固定,另一端通过螺纹连接与试验台支架固定,试验台支架连接地面和试验台主体,第二同步带轮系统将电动推杆施加于主销的转动传递至光学编码器;该试验台架由直流电源供电,由上层控制器控制各控制器动作,且各传感器测得信号发送给上层控制器处理。
2.如权利要求1所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:其还包括轮毂电机、轮毂电机控制器、转鼓、测功电机、测功电机控制器,轮毂电机固定于主销上,进而安装轮胎,转鼓置于轮胎下方,转鼓输入轴通过联轴器连接转速转矩传感器及测功电机。
3.如权利要求2所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:其还在轮毂电机上安装制动盘、在主销上安装制动钳并连接制动油路和电磁阀、增加飞轮和变速器与转鼓连接、并增加光学编码器、油路压力传感器以对电动轮模块制动能力测试。
4.如权利要求1所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:该上下两条横臂的中央通孔内设有轴承钢珠制成的滚动导轨,并用端盖密封,且与滚动导轨配合的主销直径小于通孔直径,主销长度大于上下两条横臂间距。
5.如权利要求1所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:该导向杆穿过的三层板结构的沉头孔保持同轴,且沉头孔内置有无油轴承,沉头孔大孔端用端盖固定阻止无油轴承的轴向移动;该滚珠丝杆穿过的中、下层板结构的沉头孔内置有推力轴承,沉头孔也设有端盖以阻止推力轴承的轴向移动。
6.如权利要求1所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:该丝杆螺母与导向杆固结。
7.如权利要求1所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:该球铰一端设有通孔,通过连接件穿过该孔及电动推杆上对应的孔连接固定;球铰另一端设有插入转向横臂对应通孔内固定的外螺纹。
8.如权利要求1所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:该转向横臂通过双键与主销连接,并使用紧定螺钉限制其沿主销轴向移动。
9.如权利要求1所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:该线性导轨上及台架主体的主体支架上设有对应的螺孔,通过连接件将线性导轨和主体支架连接固定;试验台支架上表面对应于台架主体设有相应的螺孔,通过连接件固定线性导轨的滑块。
10.如权利要求1所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:该第二拉压板与双向推力轴承外壳上的法兰结构通过螺栓连接。
11.如权利要求1所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:该电动推杆支架通过螺母固定在导向杆上,与导向杆一起运动。
12.如权利要求7或9所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:该连接件为螺栓螺母。
13.如权利要求1所述的电动轮多功能试验台架,其特征在于:该上层控制器与第一双向力传感器和第二双向力传感器及转速扭矩传感器之间通过D/A卡及串口通信,并通过USB/CAN转接盒、A/D卡控制加载的测试条件。
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