CN102229335A - 采用中心阀活塞的制动执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用中心阀活塞的制动执行机构，属于汽车制造技术领域。该机构包括壳体、开有控制销孔的中心阀活塞、驱动装置、直流电机、油壶；所述壳体包括右端面，由左、中、右圆孔组成的台阶孔及储油腔；该中心阀活塞及驱动装置置于台阶孔中；该中心阀活塞与左圆孔形成制动油腔，该中心阀活塞与驱动装置相连，该驱动装置与直流电机相连，该油壶安装于壳体外侧；该储油腔与油壶相连通，该储油腔下部向下开有与中心阀活塞的控制销孔相连通的垂直通孔，该制动油腔左面开有出油孔。本发明提出的制动执行机构，结构简单紧凑，具有成本优势，制动液压建立迅速，有利于减少制动距离，增加行车安全。

Description

采用中心阀活塞的制动执行机构

技术领域

本发明涉及采用中心阀活塞的制动执行机构，属于汽车制造技术领域。

背景技术

传统的汽车液压制动系统的结构，包括制动踏板、真空助力器、主缸、液压控制单元和电子控制单元、各车轮的制动器、连接主缸和液压控制单元的制动管路以及连接液压控制单元和各车轮制动器的制动管路。从驾驶员产生制动意图到驾驶员的脚部踩到制动踏板通常有0.3s～1.0s的时间延迟，这段时间称为驾驶员反应时间。驾驶员踩到制动踏板之后，随着制动踏板的前移，真空助力器对驾驶员的体力进行助力，推动主缸活塞前移，当主缸中的间隙和制动器间隙消除之后，便可以在各车轮的制动器中产生制动液压。

汽车的线控制动系统是近20年来逐渐发展起来的一种汽车制动系统。一个完善的线控制动系统不仅可以提供传统制动系统能够提供的一切制动功能，而且更加符合汽车安全与节能的要求。线控制动系统的制动踏板和制动执行机构是解耦的，两者之间没有直接的机械和/或液压连接，由踏板力和/或踏板行程(踏板转角)传感器感知驾驶员踩制动踏板的动作，判断出驾驶员的制动意图，或者由雷达、各种车载传感器独立于驾驶员主动地判断出制动需求，由制动执行机构对车辆实施制动。常规制动时，线控制动系统可以提供与传统制动系统完全一致的制动效能和制动感觉，既可以保证车辆的制动安全，又可以保证驾驶员感受到的线控制动系统的制动感觉和习惯了的传统制动系统的制动感觉是一致的，从而不至于因制动感觉的不同而造成慌乱甚至误动作。当车辆在行驶过程中即将发生碰撞等危险情况，需要制动进行干预的时候，由于线控制动系统可以独立于驾驶员自行实施制动，而且和传统制动系统相比取消了驾驶员反应时间，增压速率相比传统制动系统也可以更快，这样车辆在危险情况下线控制动系统可以先于驾驶员的反应和动作而采取动作，提高了行车的安全性。线控制动系统这种可以独立于驾驶员自行制动的功能使其非常适合在无需驾驶员制动的智能汽车中使用。此外，和传统制动系统相比，线控制动系统踏板解耦和制动力快速灵活可调的特点使其更加适合混合动力电动汽车(尤其是深度混合动力汽车)、纯电动汽车等具有回馈制动功能的新能源车使用。当用于这些新能源车时，和传统制动系统相比线控制动系统可以和回馈制动系统进行更加良好的协调：根据回馈制动力的大小快速灵活调节液压制动力的大小，保证了车辆回馈制动和液压制动两个制动系统总体的制动强度，踏板解耦为驾驶员提供了与传统制动系统相同的踏板感觉。这样便可以在保证制动安全的基础上尽可能多的回收制动能量，最大程度的减少行车能耗，提高汽车行驶的经济性。

线控制动系统主要分为两大类：电子液压制动(Electro-hydraulic Brake，简称EHB)和电子机械制动(Electro-mechanical Brake，简称EMB)。EMB是采用电机作为动力源的一种分布式线控制动系统，EMB系统目前存在的缺点是：由于电机靠近轮边，其工作环境非常恶劣，在工作过程中电机温度变化可达200℃，如果使用永磁电机，将会导致电机力矩常数变化20％至25％，同时电机材料还必须能够承受较大的振动冲击。这也是限制EMB投入市场的重要因素。

EHB有两种技术方案。EHB的第一种技术方案是使用电子控制单元(ElectronicControl Unit，简称ECU)控制液压控制单元(Hydraulic Control Unit，简称HCU)，这种技术方案是对现在汽车上广泛使用的防抱死制动系统(Anti-lock Braking System，简称ABS)以及电子稳定性控制系统(Electronic Stability Control，简称ESC)在结构和功能上的延伸和拓展，目前国外已经有了这种技术方案较为成熟的产品。这种技术方案的优点是和目前基于ECU和HCU的ABS、ESC系统在结构上是相近的，这方便制造厂商使用ABS和ESC成熟的加工制造设备和技术。但这种技术路线也存在一些缺点：一、为了获得更高的压力估算精度和压力控制品质，在一套EHB系统中需要采用较多的压力传感器和线性比例阀，如丰田公司第一代EHB系统(名称为ECB)使用了6个压力传感器和6个线性比例阀，这将显著增加系统的成本。二、如果为了控制成本而减少压力传感器和线性比例阀的个数，例如丰田公司第二代EHB将压力传感器和线性比例阀的数目都减少为2个，又将导致极限工况下压力估算精度和控制品质的下降。三、此种技术路线存在一定的安全隐患，如Delphi公司在SAE Paper2003-01-0324中描述的此种技术方案的蓄能器氮气泄露失效而可能引发的问题等。此种技术路线的产品在实际使用中也的确出现过质量问题，如Bosch公司此种技术路线的EHB就曾经因为使用过程中出现的安全问题而进行了召回。

EHB的第二种技术方案是分布式电子液压制动系统。在分布式电子液压制动系统中，每个车轮配备一个制动执行机构，由ECU控制制动执行机构对车辆实施制动。制动执行机构采用电机驱动，由运动转换机构将电机旋转运动变为直线运动，推动活塞将制动液压入制动轮缸从而实施制动。这种技术方案由于采用了EMB的分布式结构，相对采用集中动力源的EHB第一种技术方案而言具有更高的安全性，而由于采用电液制动，电机布置在车辆的悬置以上，避免了EMB电机在轮边所面临的恶劣环境，大大提高了可靠性。这种技术方案目前在国外研究得较少，目前所知国外只有Delphi公司(原来的Delco公司)进行了相关研究。制动执行机构是这种技术方案的EHB的关键组成部分，Delphi公司早期提出的制动执行机构使用旁通孔连接制动油腔和储油腔，每次建立液压时活塞密封圈的边沿都会旁通孔一次，长久使用会造成密封圈的过度磨损从而导致密封失效。Delphi公司提出的后续方案中使用电磁阀取代旁通孔沟通制动油腔和储油腔，消除了密封圈过度磨损的隐患，并且可以最大程度地缩短压力建立时间。但是电磁阀的使用会增加制动执行机构和ECU硬件的成本。在国内，目前只有清华大学和武汉元丰合作对分布式电子液压制动系统展开了相关研究，于2009年递交了专利申请《汽车电子机械液压制动系统》(ZL 200920110660.x)、《一种汽车电子机械液压制动系统》(ZL 200920110661.4)，并根据递交的专利试制了制动执行机构的样机。依据09年专利制造的样机使用旁通孔沟通制动油腔和储油腔。近期清华大学提交了专利申请《用于汽车分布式电子液压制动系统的制动执行机构》，并依据该专利试制了制动执行机构的样机。该样机使用电磁阀沟通制动油腔和储油腔。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足，提出一种采用中心阀活塞的制动执行机构，用于汽车分布式电子液压制动系统中。该制动执行机构的制动液压建立时间和使用电磁阀的制动执行机构相比虽然略有增加，但和传统液压制动系统相比仍然更加迅速，并且和使用电磁阀的制动执行机构相比更具有成本优势。

所述采用中心阀活塞的制动执行机构，包括壳体、开有控制销孔的中心阀活塞、活塞驱动装置、直流电机、带有密封圈的油壶，其特征在于，所述壳体包括开有中心孔的右端面、壳体内形成的由左、中、右圆孔组成的台阶孔及与该台阶孔水平隔断的储油腔；该中心阀活塞置于壳体左圆孔及中圆孔中，该活塞驱动装置置于壳体中圆孔及右圆孔中；该中心阀活塞的左端与壳体左圆孔形成制动油腔，该中心阀活塞的右端与活塞驱动装置相连，该活塞驱动装置与安装在壳体右端面的直流电机相连，该带有密封圈的油壶安装在该壳体外侧的安装孔内；该储油腔与带有密封圈的油壶相连通，该储油腔下部向下开有与中心阀控制销孔相连通的垂直通孔，该制动油腔左面，开有水平的出油孔。

所述活塞驱动装置包括滚珠丝杠副、一对轴承、套筒、止动垫圈、圆螺母及联轴器，该滚珠丝杠副包括螺母、丝杠，该螺母与中心阀活塞连接，该对轴承的外圈安装在壳体右圆孔的左端，该对轴承的左轴承外圈的左端面压紧在壳体右圆孔与中圆孔形成的凸台上，该套筒的左端面压紧在该对轴承的右轴承外圈的右端面上，该直流电机的外壳压紧在套筒的右端面上，该丝杠安装在该对轴承内圈内，并通过丝杠轴肩、止动垫圈及圆螺母固定，该丝杠的末端通过联轴器与直流电机的输出轴连接。

所述螺母的外表面上带有两个对称的螺母防转槽，在相应该两个螺母防转槽所在位置的壳体上，安装有两个防转螺钉，该两个防转螺钉分别伸入两个螺母防转槽中。

所述螺母的外表面上带有两个对称的平面，在相应该两个平面所在位置的壳体内壁上，设置有两个平面。

所述带有密封圈的活塞还带有活塞卡环槽，所述螺母带有螺母卡环槽，该活塞卡环槽与螺母卡环槽通过卡环连接。

本发明的特点和效果：

本发明提出的采用中心阀活塞的制动执行机构，采用壳体、中心阀活塞、滚珠丝杠副、轴承、套筒、直流电机、联轴器、带有密封圈的油壶的结构，和使用电磁阀的制动执行机构相比成本更低；在常规制动时可以提供与传统液压制动系统相同的制动效能和制动感觉，在紧急制动和新能源车上使用时具有传统液压制动系统不具备的优点：和传统液压制动系统相比制动液压连续可控，制动液压建立迅速，该机构接收到紧急制动信号后电机就可以动作，其响应时间是毫秒级的甚至更短，取代了传统真空助力液压制动系统中相对较长的驾驶员反应时间，使用该制动执行机构的分布式电子液压制动系统其液压增长速率比传统真空助力液压制动系统的液压增长速率更快，所以达到某一确定液压的时间也更短，这又会为制动全过程节省一段时间，对于紧急制动工况下缩短汽车制动距离，提高行车安全有着极为重要的作用；此外和传统液压制动系统相比本发明更适合用于具有回馈制动功能的新能源汽车上，可以和回馈制动系统进行更加良好的协调，在提供可靠的制动功能的基础上尽可能多的回收制动能量，最大程度的减少行车能耗，提高汽车行驶的经济性。

附图说明

图1是本发明制动执行机构的实施例1的结构示意图。

图2是实施例1的局部结构放大图。

图3是实施例1中滚珠丝杠副的结构示意图。

图4是实施例2的结构示意图。

图5是实施例2中滚珠丝杠副的螺母和壳体的横截面的示意图。

图6是实施例3的结构示意图。

图7是实施例4的结构示意图。

图8是紧急制动工况下使用本发明制动执行机构的分布式电子液压制动系统和传统真空助力液压制动系统的液压增长曲线的对比示意图。

具体实施方式

本发明提出的采用中心阀活塞的制动执行机构的结构与工作过程，结合附图与实施例详细说明如下：

实施例1

本实施例的总体结构，如图1所示，包括壳体11、开有控制销孔的中心阀活塞、活塞驱动装置、直流电机116、带有密封圈124的油壶123；所述壳体11包括开有中心孔的右端面、壳体11内形成的由左、中、右圆孔组成的台阶孔及储油腔125；该中心阀活塞置于壳体左圆孔及中圆孔中，该活塞驱动装置置于中、右圆孔中；该中心阀活塞的左端与左圆孔形成制动油腔13，该中心阀活塞的右端与活塞驱动装置相连，该活塞驱动装置与安装在壳体11右端面的直流电机116相连，该带有密封圈124的油壶123安装在该壳体11外侧加工的安装孔内；该储油腔125与带有密封圈124的油壶123相连通，该储油腔125下部向下开有与中心阀控制销孔相连通的垂直通孔126，该制动油腔13左面，开有水平的出油孔127。

本实施例的局部结构放大图如图2所示，所述中心阀活塞包括活塞体18、中心阀卡环181、中心阀回位弹簧182、中心阀顶杆183、中心阀密封圈184、控制销14、制动油腔密封圈185；该活塞体18左端开有活塞空腔187，该活塞空腔右侧开有垂直的控制销孔，该活塞空腔187和控制销孔由一个沿活塞轴线的孔连通；该中心阀卡环181和中心阀密封圈184固定在活塞空腔187中；该中心阀顶杆183的左端为圆盘，右端为圆杆，该中心阀顶杆183的圆盘置于活塞空腔187中，该中心阀顶杆183的圆杆置于沿活塞轴线的孔中，该中心阀顶杆183和中心阀密封圈184组成中心阀；该中心阀回位弹簧182置于活塞空腔187中，该中心阀回位弹簧182的左端顶在中心阀卡环181上，该中心阀回位弹簧182的右端顶在中心阀顶杆183的圆盘的左端面上；在中心阀回位弹簧182的作用下，该中心阀顶杆183的圆杆的右端面压紧在控制销14的中部；该控制销14置于控制销孔中，该控制销14和活塞体18的相对运动，形成了中心阀的开启或闭合；该制动油腔密封圈185安装在活塞体18外侧的密封圈槽中；活塞回位弹簧12置于左圆孔中，活塞回位弹簧12的左端与左圆孔内壁相连，右端与活塞体18相连，碟形簧片15、O型圈16、密封圈17、弹簧挡圈120、限位环121、挡圈122安装在中圆孔的左端，组成活塞体18的限位装置和密封装置。

所述活塞驱动装置的结构，如图1、图3所示，包括滚珠丝杠副、一对轴承113、套筒119、止动垫圈114、圆螺母115及联轴器118，该滚珠丝杠副包括螺母111、丝杠19，该螺母111与中心阀活塞18连接，该对轴承113的外圈安装在右圆孔的左端，该对轴承113的左轴承外圈的左端面压紧在右圆孔与中圆孔形成的凸台上，该轴承113是以背靠背的方式安装的一对角接触球轴承，也可以选择其他合适种类的轴承和安装方式，该套筒119的左端面压紧在该对轴承113的右轴承外圈的右端面上，该直流电机116的外壳压紧在套筒119的右端面上，该丝杠19安装在该对轴承113内圈内，并通过丝杠19轴肩、止动垫圈114及圆螺母115固定，该丝杠的末端通过联轴器118与直流电机轴117连接。该轴承113将丝杠19受到的推力传递给套筒119，该套筒119的外壁与壳体11的内壁为间隙或过渡配合，该套筒119将轴承113受到的推力传递给直流电机116的外壳，直流电机116的外壳通过连接螺栓与该壳体11的右端面连接，该推力最终作用在连接螺栓上。

所述螺母111的外表面上带有两个对称的螺母防转槽1112，如图3所示，当直流电机轴117的旋转运动通过滚珠丝杠副带动活塞18在制动油腔13中进行直线往复运动时，为了防止该螺母111发生转动，在该螺母111的外表面上沿母线加工出对称的两个螺母防转槽1112，在相应该两个螺母防转槽1112所在位置的壳体上，安装有两个防转螺钉112，两个防转螺钉112分别伸入两个螺母防转槽1112中，以此实现对该螺母111转动的约束。

所述活塞体18还带有活塞卡环槽186，如图2所示，所述螺母带有螺母卡环槽1111，如图3所示，该活塞卡环槽186与该螺母卡环槽1111形成了完整的卡环槽，用以在其中装入卡环110，这样，该螺母111与该活塞体18通过该卡环110连接，使该活塞体18可以在螺母111的带动下，在制动油腔13中往复直线运动，实现制动液压的调节，对汽车实施制动。

所述直流电机116的性能参数应根据制动执行机构所应用的具体车型进行选择。

本发明制动执行机构的工作过程：

未制动时，直流电机116断电，在活塞回位弹簧12的作用下，该活塞体18位于初始位置，如图2所示，该控制销14被挡圈122限位，中心阀顶杆183的圆杆的右端面压紧在控制销14的中部，中心阀顶杆183的圆盘右端面与中心阀密封圈184松开，该中心阀开启，此时，制动油腔13和储油腔125连通，制动油腔13和储油腔125中的液压相等，为大气压力。制动时，起动直流电机116，直流电机116正向转动，带动丝杠19旋转，使该螺母111、活塞体18向左移动，即控制销14相对活塞体向右移动，该中心阀顶杆183的圆盘的右端面压紧在中心阀密封圈184上，该中心阀闭合，且活塞体18在电机116的驱动下继续向左移动，该制动油腔13中的制动液被推入制动执行机构下游的制动管路和制动分泵中，从而对汽车实施制动，通过控制直流电机116，还可以得到不同大小的制动液压，满足不同制动强度的需要；汽车制动完成之后，直流电机116断电，在制动油腔13和制动执行机构下游制动管路和制动分泵中被压缩的、具有一定液压的制动液及活塞回位弹簧12的作用下，该活塞体18和螺母111向右移动，即控制销14相对活塞体向左移动，中心阀顶杆183的圆盘右端面与中心阀密封圈184松开，该中心阀开启，汽车的制动力减小(如果必要，还可以起动直流电机116，使其反向转动，带动丝杠19旋转，使螺母111、活塞体18向右移动，增大制动油腔13的容积，从而实施减压)。制动结束时，活塞体18回到初始位置，制动油腔13与储油腔125连通。此外，制动时，通过控制直流电机116，使其正反向转动，还可以实现ABS、ESC等系统工作所需的增压、保压、减压动作，从而实现ABS、ESC等系统的功能。

传统真空助力液压制动系统由驾驶员产生制动意图到驾驶员踩到制动踏板有0.3s～1.0s的延迟时间，即驾驶员反应时间。在这之后，由于首先要消除主缸中的间隙和制动器的间隙，然后制动液压才能开始增长，这又需要一段时间，即制动器的作用时间。如果以产生制动意图的时刻为原点，那么，如图8所示，传统真空助力液压制动系统液压增长起始时间是t2，并在时间t4稳定于目标液压。常规制动时，使用本发明制动执行机构的分布式电子液压制动系统可以提供与传统真空助力液压制动系统完全一致的制动效能和制动感觉，即通过控制电机使液压增长起始时间为t2，并使液压于t4时刻稳定于目标液压。这样既足以保证制动安全，又可以保证驾驶员感受到的制动感觉和习惯了的传统真空助力制动系统的制动感觉是一致的，从而不至于因制动感觉的不同而造成慌乱甚至误动作。紧急制动情况时，出于安全第一、尽量缩短制动距离的考虑，应该尽快建立制动液压。对于使用本发明制动执行机构的分布式电子液压制动系统，可以通过对电机的控制实现这一目标：接收到紧急制动信号后电机116就可以动作，其响应时间是毫秒级的甚至更短，取代了传统真空助力液压制动系统中相对较长的驾驶员反应时间，将使用本发明制动执行机构的分布式电子液压制动系统的液压增长起始时间由传统真空助力液压制动系统的t2提前到t1，为紧急制动的全过程节省Δt1的时间。由于使用本发明制动执行机构的分布式电子液压制动系统其液压增长速率比传统真空助力液压制动系统的液压增长速率更快，所以达到某一确定液压的时间也更短，这又会为紧急制动全过程节省一段时间，如图8中Δt2所示。一共节省的Δt1+Δt2的时间，对于紧急制动时缩短汽车制动距离，提高行车安全有着极为重要的作用。

实施例2

本实施例的结构，如图4、图5所示，本实施例与实施例1具体实施方式的区别在于采用的防止螺母转动的约束结构不同，因此所采用的壳体21和螺母211也和实施例1中的壳体11和螺母111略有不同。具体体现为：本实施例取消了实施例1中防转螺钉112和螺母防转槽1112这种防转约束结构，而是在该螺母211的外表面上加工出两个对称的平面，在相应该两个对称的平面所在位置的壳体21内壁上，也加工出(例如铣出或铸出)两个相应的平面，壳体21内壁上的平面和螺母211的平面相配合，组成壳体21内壁和螺母211的接触平面212，从而防止螺母211的转动。本实施例和实施例1的其他对应结构与工作过程相同。

实施例3

本实施例的结构，如图6所示，本实施例和实施例1的不同之处在于取消了卡环、活塞卡环槽和螺母卡环槽，活塞体38和螺母311不再使用实施例1中的卡环进行连接，而是通过所述活塞体38和所述螺母311之间的过盈配合实现两者的连接。活塞体38和螺母311之间的过盈配合是通过冷装工艺实现的：将活塞体38投入冷却液(如液氮)中一定的时间，使活塞体38的径向尺寸收缩，然后将活塞体38插入螺母311中，等活塞体38随着温度的升高而回复到原来的径向尺寸，活塞体38就与螺母311实现了过盈配合，两者便实现了连接。当然，还可以采用压装等其他合适的方法实现活塞体38和螺母311的过盈配合。本实施例和实施例1的其他对应结构与工作过程相同。

实施例4

本实施例的结构，如图7所示，本实施例和实施例2的不同之处在于取消了卡环、活塞卡环槽和螺母卡环槽，活塞体48和螺母411不再使用实施例2中的卡环进行固连，而是通过所述活塞体48和所述螺母411之间的过盈配合实现两者的固连。过盈配合的方法与实施例3所采用的方法是相同的。本实施例和实施例2的其他对应结构与工作过程相同。

最后应该说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照具体的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种采用中心阀活塞的制动执行机构，包括壳体、开有控制销孔的中心阀活塞、活塞驱动装置、直流电机、带有密封圈的油壶，其特征在于，所述壳体包括开有中心孔的右端面、壳体内形成的由左、中、右圆孔组成的台阶孔及与该台阶孔水平隔断的储油腔；该中心阀活塞置于壳体左圆孔及中圆孔中，该活塞驱动装置置于壳体中圆孔及右圆孔中；该中心阀活塞的左端与壳体左圆孔形成制动油腔，该中心阀活塞的右端与活塞驱动装置相连，该活塞驱动装置与安装在壳体右端面的直流电机相连，该带有密封圈的油壶安装在该壳体外侧的安装孔内；该储油腔与带有密封圈的油壶相连通，该储油腔下部向下开有与中心阀活塞的控制销孔相连通的垂直通孔；该制动油腔左面，开有水平的出油孔。

2.如权利要求1所述的制动执行机构，其特征在于，所述活塞驱动装置包括滚珠丝杠副、一对轴承、套筒、止动垫圈、圆螺母及联轴器，该滚珠丝杠副包括螺母、丝杠，该螺母与中心阀活塞连接，该对轴承的外圈安装在壳体右圆孔的左端，该对轴承的左轴承外圈的左端面压紧在壳体右圆孔与中圆孔形成的凸台上，该套筒的左端面压紧在该对轴承的右轴承外圈的右端面上，该直流电机的外壳压紧在套筒的右端面上，该丝杠安装在该对轴承内圈内，并通过丝杠轴肩、止动垫圈及圆螺母固定，该丝杠的末端通过联轴器与直流电机的输出轴连接。

3.如权利要求2所述的制动执行机构，其特征在于，所述螺母的外表面上带有两个对称的螺母防转槽，在相应该两个螺母防转槽所在位置的壳体上，安装有两个防转螺钉，该两个防转螺钉分别伸入两个螺母防转槽中。

4.如权利要求2所述的制动执行机构，其特征在于，所述螺母的外表面上带有两个对称的平面，在相应该两个平面所在位置的壳体内壁上，设置有两个平面。

5.如权利要求2所述的制动执行机构，其特征在于，所述带有密封圈的活塞还带有活塞卡环槽，所述螺母带有螺母卡环槽，该活塞卡环槽与螺母卡环槽通过卡环连接。

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