CN102177357A - 公差环以及具有这类公差环的安装组件 - Google Patents

Abstract

一种装置，该装置包括一个内部部件(42)、一个外部部件(36)；以及一个位于该内部与外部部件之间用于在其间提供一种过盈配合的公差环(20)。该公差环包括具有多个径向延伸的凸起(72)的材料的条带。该材料的条带被弯曲成具有间隙的环。该径向延伸的凸起可以被压缩在该内部与外部部件之间，并且这些径向延伸的凸起的刚度在该公差环的圆周的周围是不同的。

Description

公差环以及具有这类公差环的安装组件

披露的领域

本披露涉及一种装置，该装置包括相匹配的内部和外部的部件，这些部件用一个公差环安装在一起。

在一个实施方案中，该装置能够被用于在一个轴承上安装一个臂以形成一个枢轴。

背景

已知使用公差环将相匹配的内部和外部的部件连接在一起。例如，公差环可以被夹在一个轴之间，该轴被定位在一个壳体中形成的一个对应的孔中，或它可以做为一个力限制器以允许在轴与壳体之间传递扭矩。使用公差环调和了在内部和外部的部件的直径中的较小的变化而基本上不影响它们的互相连接。

典型地，公差环包括由弹性材料制成的一个带状物，例如，像弹簧钢的金属，它的末端朝向彼此以形成一个环。多个凸起的一个条带从该环或者向外或者向内朝向该环的中心径向地延伸。这些凸起可以是多种形式，有可能是有规则的形式，如皱纹、脊、波状或指状。因此，该带状物包括一个未成形的区域，这些凸起从该区域延伸，例如，在一个径向的方向上。可以存在两行或多行凸起。

在使用中，公差环被定位在这些部件之间(例如，在壳体中的轴与孔之间的环形空间中)，这样这些凸起在内部与外部的部件之间被压缩。典型地，所有这些凸起或者向外地亦或向内地延伸，从而使得该内部和外部部件中的一个抵靠这些凸起并且另一个抵靠该未成形的区域。每一凸起充当一个弹簧并且对这些部件施加一个径向的力，由此在它们之间提供一种过盈配合。当由环传递扭矩时，内部或外部的部件的转动将在另一部件中产生类似的转动。同样地，当通过该环传递线性力时，任何一个部件的线性运动将在外部部件中产生类似的线性运动。

如果将多个力(旋转的或线性的)施加到内部和外部部件中的一个或二者上，这样在这些部件之间的合力是高于一个临界值，内部和外部的部件能够彼此相对地移动，即公差环允许它们滑动。

典型地，公差环包括弹性材料的一个条带，将该条带弯曲以允许容易地形成一个环，例如通过将该条带的末端重叠。

在通过多个部件之间的一种过盈配合组装该装置的过程中，典型地是将一个公差环保持为相对于一个第一(内部或外部)部件静止，同时移动一个第二部件进入到与该第一部件相匹配的接合之中，由此使公差环的这些凸起进行接触并且压缩以提供过盈配合。组装该装置所需要的力的量值可以取决于这些凸起的刚度以及所要求的压缩的程度。同样，由公差环在其最终位置上传递的负荷以及因此提供的保持力的量值或能够被传递的扭矩还可以取决于压缩力的大小以及这些凸起的刚度和/或构造。

公差环的用途的一个实例是用在一个硬盘驱动器(HDD)的枢轴安装中，在此该公差环在一个可转动的枢轴与安装在其上的一个臂之间提供轴向的保持力。在常规的枢轴安装中，公差环在该臂与安装在轴上的一个轴承之间提供一种过盈配合。典型地，该轴承包括两对座圈，这些座圈通过一个隔离件被彼此在轴向上分离开。因为在枢轴安装中的这些部件是非常小的和灵敏的，所以该轴承经常由一个环绕的管套(一个“套管枢轴”)来保护。该套管通常具有在其内表面上加工出的隔离件。在这样的安排中，该公差环被夹在套管与臂之间。尽管多个套管枢轴更不易于损坏并且由此不太可能不利地影响硬盘驱动器的性能，在该套管的内表面上形成隔离件所要求的精密机加工以及在枢轴安装的制造中使用更少的材料的愿望已经导致引入无套枢轴。

在无套枢轴中，座圈的每一部分的外座圈是暴露的，并且隔离件包括一个环形带状物，该带状物在轴向上(“浮动的”)定位在它们之间。该隔离件是由施加在该轴承上的一个轴向的预应力保持在适当的位置上。在此类安排中，公差环被定位在轴承的外座圈与臂之间。

这些匹配的部件之间的连接可以展示出共振行为，即其中外部振动在该连接中被放大。在确定该组件的操作中，共振频率或组件的频率是重要的。例如，在硬盘驱动器枢轴安装中，当发生共振时，不能发生精确的数据写入，从而知道共振的频率是重要的。共振频率可以取决于在安装期间所发生的压缩的量值。

概述

在它的最一般的情况下，本披露提出了在使用中改变圆周周围的公差环波状物的刚度以使得该公差环内所保持的内部部件所承受的压缩力均匀。这些波状物的刚度可以提供用于控制该内部部件所承受的压缩力的手段，这进而可以影响该部件的特性。

在一个实例中，该内部部件可以是一个轴承，例如一个安装在一个轴上形成一个硬盘驱动器HDD枢轴的一部分的轴承。由该公差环的波状物所施加的不均匀的压缩力可以引起该轴承的扭曲。这可能发生，尤其是如果该轴承的朝向外面的壁(例如，每个座圈的套管或朝向外面的壁)是薄的，这在小型装置中是典型的。使用中轴承的扭曲可以对枢轴连接件的共振频率造成影响，例如通过对轴承刚度以及转矩剖面有影响。通过使该轴承所承受的压缩力均匀，扭曲可以被控制，例如减少到最小，这可以在使用中提供对该枢轴连接件的共振频率的更大的控制。

一方面，一个装置可以包括一个内部部件、一个与该内部部件相匹配的外部部件、以及一个位于该内部与外部部件之间用于在其间提供过盈配合的公差环，其中该公差环包括一个具有多个径向延伸的凸起的分裂圈，这些突起可以在该内部与外部部件之间压缩，并且其中该突起的刚度在该公差环的圆周的周围发生改变。

该公差环可以包括被弯曲成该分裂圈构型的材料的一个条带。该材料的条带可以包括一个未成形的区域，从该区域所有的凸起都向相同的方向延伸，例如或者都径向地向内亦或都径向地向外。可以将这些凸起压缩形成该材料的条带。在这种构型下，该公差环的未成形的表面抵靠这些内部和外部部件中的一个，并且这些凸起抵靠这些内部和外部部件中的另一个。

凸起的刚度可以是将该凸起变形至离开该公差环的未成形的表面某一径向距离所要求的力的一个量度。

每个凸起都可以是一个圆周曲线顶点，该曲线顶点沿径向方向向内地或向外地延伸。每个曲线顶点都具有一个圆周宽度，在该宽度内它升到一个峰上并且从一个峰上下落。可以存在两个或多个系列的曲线顶点，轴向地彼此间隔开。

通过改变其圆周宽度可以改变凸起的刚度。增加凸起的宽度同时保持其径向高度可以软化该凸起，例如降低其刚度。可替代地或另外地，可以通过改变其径向高度来改变凸起的刚度。增加凸起的高度同时保持其圆周宽度可以硬化该凸起，即增加其刚度。可以使用这两个技术之一或这两者的组合来实现改变该公差环的圆周周围这些凸起的刚度。

刚度的改变可以在该分裂圈的间隙处(即，朝向该材料的条带的末端，该材料被朝向彼此弯曲以形成该环)提供更加刚性的凸起。已经发现的是因为间隙处的凸起比该环周围另外的凸起更少地被限制，它们倾向于施加较小的力。硬化间隙处的这些凸起可以使由该内部部件上的环所施加的力能够更均匀地分布在其圆周的周围。

这些凸起可以包括位于该间隙附近的一个或多个边缘凸起以及在与该间隙的各边相关的边缘凸起之间的环周围的多个本体凸起，其中这些边缘凸起比本体凸起具有更高的刚度。可以使用其他的刚度型材。例如，本体凸起的刚度可以朝向这些边缘凸起梯度地增加。在该HDD环境中，优选地是使用一种刚度型材，该刚度型材在该内部部件周围提供一种均匀的力。然而，其他环境可能要求不同的刚度型材，例如在该圆周周围提供一种力的不均匀分布的刚度型材。通过改变这些凸起的刚度，能够以可控的和可重复的方式实现任何类型的刚度型材。

另一方面，硬盘驱动器枢轴连接件可以包括一个臂，该臂具有其中的一个孔、一个可接收于该孔中的轴、以及一个位于该孔与该轴和臂之间用于在其间提供一种过盈配合的公差环，其中包括一个分裂圈的公差环具有多个径向延伸的凸起，这些凸起可以压缩在该轴和臂之间，并且其中这些凸起的刚度在该公差环的圆周的周围是不同的。

该轴可以具有安装在其上的一个轴承。在该公差环上的这些凸起可以仅径向地向外延伸，这样使得一个未成形的区域抵靠该轴承的一个朝向外面的表面，并且这些凸起抵靠该孔内该臂的一个朝向内的表面。这种构型可以允许通过该公差环发出的力被该轴承的朝向外侧的表面上的未成形的区域所扩散。

硬盘驱动器枢轴连接件是小的，从而使用时该公差环可以具有小于16mm的直径。

另一方面，可以将一个预先装配的装置用于硬盘驱动器枢轴连接件中。该预先装配的装置可以包括被安装在或者其中具有一个孔的一个臂、被置于该孔中的公差环、亦或一个可以接收于该孔中的轴，被置于该轴周围的公差环上的一个公差环，其中包括一个分裂圈的公差环具有多个径向延伸的凸起，这些凸起的刚度在该公差环的圆周的周围是不同的。

在一个实施方案中，该预组件包括一个仅具有位于一个臂中形成的孔中径向向外延伸的凸起的公差环。该孔的直径可以是小于该公差环的静止直径，由此在其自身的弹性下可将该公差环保持在其中。这些凸起可以与该孔的朝向内的表面接合。一个朝向外的逐渐变小的轴向边缘可以从该公差环的一个或两个末端延伸以作为用于一个内部部件(例如轴)的引导件插入该预组件中，例如插入该公差环的中心。插入内部部件可以将该公差环变形以压缩这些凸起并且在臂和内部部件之间提供一种过盈配合。

在又另外的方面，含有分裂圈的公差环具有多个径向延伸的凸起，这些凸起是可变形的以在该枢轴的内部部件与外部部件之间提供一种过盈配合，其中这些凸起的刚度在该公差环的圆周周围是不同的。该公差环可以被用于硬盘驱动器枢轴连接件中。

参考本披露的其他方面，该公差环可以具有以上讨论的任何特征。

附图简要说明

通过参见附图可以更好地理解本披露，并且使其许多特征和优点对于本领域的普通技术人员变得清楚。

图1示出了一个常规的硬盘驱动器枢轴安装的一个平面图，它包括一个公差环；

图2示出了沿着在图1中所示的硬盘驱动器枢轴安装的线X-X截取的一个截面；

图3示出了在图1中所示的硬盘驱动器枢轴安装的臂与套管枢轴之间的连接的一个放大图；

图4是在无均匀的力分布下常规的枢轴连接件中轴承的放大比例的圆形迹线；

图5是说明在无均匀的力分布下在常规的枢轴连接件中如何紧密地将球保持在轴承中的一个示意图；

图6是说明通过公差环周围的凸起所施加的压缩力的一个示意图，该公差环被压缩至样品公差环相同的高度，这些样品公差环具有和不具有凸起刚度的改变；

图7是用于常规的HDD公差环的其中具有形成的多个凸起的材料的条带的一个平面图；

图8是用于一种HDD公差环的其中具有形成的多个凸起的材料的条带的一个平面图，该HDD公差环是本披露的一个实施方案；

图9是用于一种HDD公差环的其中具有形成的多个凸起的材料的条带的一个侧视图，该HDD公差环是本披露的另一个实施方案；

图10是说明根据本披露的一个实施方案一个边缘凸起和一个本体凸起的不同的刚度特征的示意图；

在不同的图中使用相同的参考符号表示相似的或相同的事项。

详细说明

图1示出了一个已知的硬盘驱动器枢轴安装30，该硬盘驱动器枢轴安装包括一个臂32，该臂被适配为保持磁性的记录盘以及枢轴34，该枢轴是在一个轴承上围绕一个轴可旋转的。一个公差环(图1中未示出)在枢轴34与臂32之间提供了过盈配合，这样该臂随着枢轴旋转。

图2示出了沿着在图1中的线X-X截取的一个截面。图2示出了臂32包括一个圆周的壳体36，该壳体包括一个孔，枢轴34被接收在该孔中。枢轴34包括一个可旋转的套管构件42，该构件经由一对轴承40、41被连接到一个轴38上。因此，图2示出了一个套管枢轴的一个实例。该公差环装配在可旋转的套管构件42的外表面与该孔的内表面之间，该孔形成在该圆周的壳体36中。这在图3中以更多的细节示出，其中可以看到，被压缩在可旋转的套管构件42与圆周的壳体36之间的一个公差环20具有基本上与轴承40、41对齐的多个波状物28。

在图3中可以看到，可旋转的套管构件42包括一个一体的隔离元件43，该隔离元件将这些轴承40、41隔开。

图4、5和6帮助说明本披露要着手解决的问题。图4是在HDD枢轴中轴承壁50的平面图的图解表示，该HDD枢轴在使用中由一个常规的公差环扭曲，即均匀地凸起的公差环。比例尺被放大以说明该作用。圆形虚线52表示该轴承壁的未扭曲的边缘。为了给出扭曲的比例的概念，在0°、90°、180°以及270°轴线上以约3μm的间隔绘出界线54。轴承的总直径是约15mm，这样该扭曲的尺度是小于该直径的。

图4显示了将该轴承壁扭曲这样使得进一步推入0°至90°象限以及180°至270°象限中并且从90°至180°以及270°至0°象限中突出。已经发现从一个象限中突出发生在该公差环中的间隙处。因为，间隙处的凸起具有更多的移动自由度，它们似乎施加较小的力。这种移动的自由度还反映在该轴承的相对侧面的松弛中，因为该轴承可以朝向该间隙偏移以占有一个偏离中心的位置，在此通过这些邻近该间隙以及与该间隙相对的凸起的力是基本上相等的。因此，在该间隙处的以及该间隙相对的轴承壁具有更多的作用，因为在这些区域中由这些凸起所施加的力小于其他象限。压缩力上的差异导致该轴承壁扭曲。在该环中该间隙处来自多个凸起的贯穿该轴承的压缩小于不在该间隙处的那些。

图5是一个图，它显示轴承壁的扭曲在由轴承的座圈中所保持的球所承受的力中是如何显示其自身的，即如何紧密地将每个球保持在其座圈内。图5显示了该轴承的圆周周围存在紧度显著的改变。存在两个紧度峰，它们对应于两个推入区，参见图4。类似地，存在两个松弛的区域。这些发生在该公差环的间隙处以及该公差环的间隙相对处。

图6是一个图，该图显示了通过多个公差环凸起发出的压缩力，这些凸起被压至该公差环的圆周周围的一个均匀的高度(在这个实例中0.29mm)。线56是从具有均匀凸起的常规公差环中得到的值的曲线图。压缩力在该间隙相对的凸起处升高至一个峰并且在该间隙附近的凸起处是低的，即在由于存在该间隙而较少受限的凸起处。

为了减少轴承壁的扭曲或将其减少至最小，一个公差环可以具有多个凸起，当被压至一个均匀高度时(即相应于一个给出的间隙)这些凸起在该公差环的圆周周围展示均匀压缩力，如图6中由虚线58所说明的。

为了实现均匀压缩力，有必要改变这些公差环凸起的刚度。改变刚度允许使由凸起递送的压缩力调节与其相对于该间隙的位置相配合。为了使图6中显示的压缩力均匀，对于给出的间隙的间隙处的凸起需要提供更强的压缩力，即变的更硬，并且中心内的波状物需要提供更弱的压缩力，即变得刚度更低。

图7显示了弹性材料60的一个条带，例如弹簧钢，两行凸起62被压缩形成(例如，压制)于其中。可以通过使边缘66，68朝向彼此将条带60弯曲以形成一种公差环。该顶部和底部边缘64，65是朝外张开的(即与凸起62相同的方向)从而为公差环提供了一个朝向内的逐渐变小的引导表面。图7显示了一个常规的公差环，其中所有的凸起都具有相同的尺寸和形状。

图8显示了其中具有多个压缩形成的凸起72的弹性材料70的一个条带的一个实施方案，当边缘74，75被朝向彼此弯曲时，这样该条带形成了一个环状的带。如图7中所示顶部和顶部边缘76，77是向外张开的。

与图7类似地，图8中的条带70具有两行凸起72。然而，在这个实施方案中每行都具有三个不同类型的凸起。在(即邻近)边缘74，75处，存在三个边缘凸起78的一个组。这些凸起具有比凸起62更窄的宽度(即更小的圆周范围)，但具有相同的峰高，如图7中所示。这意味着它们是更硬的，即对于给出的压缩距离展示更高的压缩力。

这些边缘凸起78的每一组的圆周地向内，存在两个中间凸起80的一个组。这些凸起比边缘凸起更宽但具有相同的高度(即远离该条带的峰的延伸)并且因此比边缘凸起刚度更低。

在中间凸起80的这些组之间是三个本体凸起82的一个组。这些本体凸起每一个都比中间凸起更宽，但具有相同的高度，并且因此比中间凸起和边缘凸起刚度更低。在这个说明的实施方案中，本体凸起82与图7中的凸起具有相同的尺寸。这不是必须是这样的。事实上，可以优选地是本体凸起比常规凸起刚度更低。

在一个实施方案中，边缘凸起与本体凸起之间刚度方面的差异可以是至少约2％，例如至少约3％、甚至至少约5％。在某些实施方案中，边缘凸起与本体凸起之间刚度方面的差异可以是至少约7％，甚至至少约10％。在一个具体的实施方案中，边缘凸起与本体凸起之间刚度方面的差异可以是不大于约50％，例如不大于约40％、不大于约30％、甚至不大于约20％。

每个类型的凸起的数量以及精确的尺寸可以取决于具体的用途。例如，可以没有中间凸起。在各边缘处在每一行中可以仅有一个边缘凸起。此外，在每一组中这些凸起不必完全相同。例如，边缘凸起可以朝向中间凸起或本体凸起各自增加宽度，例如用于提供多个凸起类型之间光滑的转变。类似地，该本体凸起可以朝向该条带的中心(即使用中该间隙相对的位置)增加宽度。

虽然说明了两行凸起，可以使用任何数量的行。在所有这些行中优选地这些不同类型的凸起是对齐的。

图9显示了穿过用于制造公差环的材料84的一个薄片上的一行凸起的一个横面。在这个实施方案中，该行中各凸起的宽度是恒定的，但是峰的伸展是不同的。这些凸起的相对高度被放大用于清楚地说明。

因此，在各边缘86，87存在一个边缘凸起88，该边缘凸起具有比内部凸起更大的高度(离开未成形区域84的距离)。这些边缘凸起88的周围的向内部分有两个的中间凸起90的一个组，该中间凸起具有中间高度。在这些中间凸起之间存在一个本体凸起92，该本体凸起具有比该中间凸起和边缘凸起更低的高度。如图8中所示，在其他实施方案中每种类型的凸起的数量可以是不同的。

在实践中，调节这些凸起的刚性型材可以使用图8中说明的变宽效应以及图9中说明的提高波高的一个组合来实现。还可以使用其他方法，例如通过改变该曲线顶点的斜率的角度来改变该凸起的横截面形状等。

图10是一个图，该图显示了对于一个边缘凸起以及一个本体凸起的刚度型材用来说明对于相同的间隙(即部件之间的环形间隙)不同的压缩力是如何产生的。该边缘凸起的刚度型材94位于该本体凸起的刚度曲线95之上。在这个实施方案中，在HDD枢轴安装(即约0.27mm至约0.31mm之间)中典型地环形间隙的公差区域96内，该边缘凸起施加一个力，该力始终大于该本体凸起约50N。

Claims (21)

1.一种装置，包括：

一个内部部件；

一个外部部件；以及

一个位于该内部与外部部件之间用于在其间提供过盈配合的公差环，该公差环包括具有多个径向延伸的凸起的材料的一个条带，该材料的条带被弯曲成具有一个间隙的环，该径向延伸的凸起可以被压缩在该内部与外部部件之间，这些径向延伸的凸起的刚度在该公差环的圆周的周围是不同的。

2.一种硬盘驱动器枢轴连接件，包括：

一个其中具有孔的臂；

一个可接收于该孔中的轴；以及

一个位于该孔与该轴之间用于在其间提供过盈配合的公差环，该公差环包括具有多个径向延伸的凸起的材料的一个条带，该材料的条带被弯曲成具有一个间隙的环，该径向延伸的凸起可以被压缩在该孔与该轴之间，这些径向延伸的凸起的刚度在该公差环的圆周的周围是不同的。

3.一种用于硬盘驱动器枢轴连接件的预先装配的装置，包括：

一个其中具有孔的臂或一个可接收于该孔中的轴；以及

一个被安装在或者该孔内亦或该轴周围的公差环，该公差环包括具有多个径向延伸的凸起的材料的一个条带，该材料的条带被弯曲成具有一个间隙的环，该径向延伸的凸起可以被压缩在该孔与该轴之间，这些径向延伸的凸起的刚度在该公差环的圆周的周围是不同的。

4.一种公差环，包括：

一个具有多个径向延伸的凸起的材料的条带，该材料的条带被弯曲成一个具有间隙的环，这些径向延伸的凸起可以被压缩在该孔与该轴之间，这些径向延伸的凸起的刚度在该公差环的圆周周围是不同的。

5.如权利要求1至4之一所述的装置、公差环或硬盘驱动器枢轴连接件，其中该材料的条带包括一个未成形的区域，从该区域多个凸起延伸。

6.如权利要求1或4所述的装置或公差环，其中该未成形的区域抵靠该内部和外部部件中的一个，并且这多个凸起抵靠该内部和外部部件中的另一个。

7.如权利要求2或3所述的装置或硬盘驱动器枢轴连接件，其中该未成形的区域抵靠该孔和该轴中的一个，并且多个凸起抵靠该孔和该轴中的另一个。

8.如权利要求1至4之一所述的装置、公差环或硬盘驱动器枢轴连接件，其中这多个径向延伸的凸起径向地向内延伸。

9.如权利要求1至4之一所述的装置、公差环或硬盘驱动器枢轴连接件，其中这多个径向延伸的凸起径向地向外延伸。

10.如权利要求1至4之一所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，每个径向延伸的凸起具有一个圆周宽度以及一个径向高度。

11.如权利要求10所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，其中每个径向延伸的凸起包括一个在该径向方向上延伸的圆周的曲线顶点，在该圆周宽度内该曲线顶点上升到一个峰上并且从其上下降。

12.如权利要求10所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，这些径向延伸的凸起的径向高度在该公差环的圆周的周围是不同的。

13.如权利要求10所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，这些径向延伸的凸起的圆周宽度在该公差环的圆周的周围是不同的。

14.如权利要求1至4之一所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，其中该公差环包括两行或多行径向延伸的凸起，这些凸起被彼此轴向地间隔开。

15.如权利要求1至4之一所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，其中多个径向延伸的凸起包括位于该间隙附近的一个或多个边缘凸起，以及多个位于该环的圆周周围的本体凸起。

16.如权利要求15所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，其中该边缘凸起的刚度大于该本体凸起的刚度。

17.如权利要求16所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，其中该本体凸起的刚度朝向这些边缘凸起增加。

18.如权利要求1至4之一所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，其中该公差环具有一个刚性外形，该刚性外形在该内部部件或该轴的周围提供了一个均匀的力。

19.如权利要求1至4之一所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，其中在使用中该公差环具有小于16mm的直径。

20.如权利要求2或3所述的装置、公差环、或硬盘驱动器枢轴连接件，其中该孔具有一个直径，该直径小于该公差环的静止直径。

21.如权利要求1至4之一所述的装置、公差环或硬盘驱动器枢轴连接件，其中该公差环包括一个向外逐渐变小的轴向边缘。

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