CN103121475A - 驾驶室悬置最优阻尼比的设计方法 - Google Patents

驾驶室悬置最优阻尼比的设计方法 Download PDF

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CN103121475A
CN103121475A CN2013100734655A CN201310073465A CN103121475A CN 103121475 A CN103121475 A CN 103121475A CN 2013100734655 A CN2013100734655 A CN 2013100734655A CN 201310073465 A CN201310073465 A CN 201310073465A CN 103121475 A CN103121475 A CN 103121475A
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Abstract

本发明涉及驾驶室悬置最优阻尼比设计方法,属于驾驶室悬置技术领域。目前国内、外一直没有给出驾驶室悬置系统最佳阻尼比设计方法。本发明其特征在于:根据车轮、车身及驾驶室三质量振动系统的驾驶室振动加速度及车轮动载频响函数,利用Matlab迭代积分建立驾驶室垂直振动加速度及车轮动载的目标函数,并分别求得基于舒适性和基于安全性的驾驶室悬置最佳阻尼比,对驾驶室悬置系统的最优阻尼比进行设计。利用该设计方法,对于不同车辆参数、驾驶室参数、车辆类型、行驶路况及车速,可设计得到准确、可靠的驾驶室悬置最优阻尼比,使驾驶室达到最佳减振效果,避免反复验证及修改,缩短开发周期,降低设计及试验费用。

Description

驾驶室悬置最优阻尼比的设计方法
技术领域
本发明涉及卡车驾驶室悬置,特别是驾驶室悬置最优阻尼比设计方法。
背景技术
很多卡车采用驾驶室悬置系统,是指采用螺旋弹簧、钢板弹簧或空气弹簧作为弹性支承元件,采用液力减振器作为阻尼元件,能够获得较大行程的悬置系统。由于驾驶室悬置系统属于三质量振动系统(车轮质量、车身质量和驾驶室质量),其分析计算非常复杂,很多国内、外车辆工程方面的专家只好采用简化的单质量振动系统模型进行分析,即将车身振动看作是驾驶室振动的激励输入,因此,只能给出近似的驾驶室悬置系统阻尼比设计值。据所查阅资料可知,目前国内、外车辆工程专家一直未能给出基于三质量振动系统的驾驶室悬置系统最佳阻尼比设计方法。通常根据车辆及驾驶室类型,在一个参考范围(0.2~0.5)内选取一个折中值,然后利用反复试验和修改方法,最终得到某车辆驾驶室悬置系统的阻尼比。随着汽车行业的快速发展,目前驾驶室悬置系统阻尼比设计方法,不能满足车辆发展及驾驶室舒适性的设计要求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷,本发明所要解决的技术问题是通过三质量行驶振动模型及分析,提供一种驾驶室悬置最优阻尼比的设计方法,其设计流程图如图1所示。
为了解决上述技术问题,本发明所提供的驾驶室悬置系统最优阻尼比的设计方法,其技术方案实施步骤如下: 
(1) 确定驾驶室垂直振动加速度频响函数                                                
Figure 175192DEST_PATH_IMAGE001
及车轮动载频响函数
根据驾驶室单侧悬置质量m 3,单侧悬置弹性系数K s;前单轮对应的簧上质量m 2,悬架弹簧刚度K,悬架阻尼系数C,簧下质量m 1,轮胎刚度K t;车轮、车身以及驾驶室的垂直振动位移坐标
Figure 789549DEST_PATH_IMAGE003
Figure 825244DEST_PATH_IMAGE004
Figure 92058DEST_PATH_IMAGE005
;路面不平度函数及路面功率谱密度值
Figure 853527DEST_PATH_IMAGE007
,车辆行驶速度v,及行驶振动微分方程:
Figure 2617DEST_PATH_IMAGE008
经拉普拉斯变换,将代入上式,得驾驶室垂直振动加速度频响函数
Figure 978718DEST_PATH_IMAGE001
及车轮动载频响函数
Figure 883436DEST_PATH_IMAGE002
Figure 270555DEST_PATH_IMAGE010
分别为:
Figure 250144DEST_PATH_IMAGE011
其中,
Figure 452641DEST_PATH_IMAGE013
Figure 435378DEST_PATH_IMAGE014
Figure 484237DEST_PATH_IMAGE015
Figure 874679DEST_PATH_IMAGE016
Figure 97762DEST_PATH_IMAGE017
       
       
Figure 515285DEST_PATH_IMAGE019
; 
Figure 895319DEST_PATH_IMAGE020
       
Figure 408078DEST_PATH_IMAGE021
Figure 866872DEST_PATH_IMAGE022
Figure 490489DEST_PATH_IMAGE023
Figure 351129DEST_PATH_IMAGE024
;
Figure 17211DEST_PATH_IMAGE025
;
Figure 963301DEST_PATH_IMAGE026
;
Figure 390610DEST_PATH_IMAGE027
;
Figure 479657DEST_PATH_IMAGE028
;
Figure 209585DEST_PATH_IMAGE029
;
;
Figure 614250DEST_PATH_IMAGE031
;Cs为驾驶室悬置待定阻尼;
(2) 确定
Figure 557804DEST_PATH_IMAGE032
的积分表达式:
根据步骤(1)中的
Figure 753217DEST_PATH_IMAGE001
Figure 23793DEST_PATH_IMAGE002
,利用Matlab迭代积分求得驾驶室垂直振动加速度幅频特性平方的积分表达式
Figure 952346DEST_PATH_IMAGE032
及车轮动载幅频特性平方的积分表达式
Figure 915754DEST_PATH_IMAGE033
(3) 确定驾驶室垂直振动加速度均方值及车轮动载均方值的目标函数:
根据C级路面参考空间频率
Figure 556689DEST_PATH_IMAGE034
下的路面功率谱密度值
Figure 365376DEST_PATH_IMAGE007
,车辆行驶速度v,以及路面速度功率谱
Figure 408156DEST_PATH_IMAGE035
,步骤(1)中的
Figure 542465DEST_PATH_IMAGE001
Figure 405117DEST_PATH_IMAGE002
,及步骤(2)中的
Figure 186220DEST_PATH_IMAGE033
,确定驾驶室垂直振动加速度均方值
Figure 225851DEST_PATH_IMAGE036
及车轮动载均方值
Figure 90646DEST_PATH_IMAGE037
的目标函数分别为:
Figure 631349DEST_PATH_IMAGE038
;                  
Figure 884607DEST_PATH_IMAGE039
;         
(4) 确定基于舒适性的驾驶室悬置最佳阻尼比:
        根据步骤(3)中的驾驶室垂直振动加速度均方值优化目标函数
Figure 859254DEST_PATH_IMAGE038
,及,确定基于舒适性的驾驶室悬置最佳阻尼比
Figure 945554DEST_PATH_IMAGE041
(5) 确定基于安全性的驾驶室悬置最佳阻尼比:
        根据步骤(3)中的车轮动载均方值的优化目标函数
Figure 318898DEST_PATH_IMAGE039
,及
Figure 198867DEST_PATH_IMAGE042
,确定基于安全性的驾驶室悬置最佳阻尼比
Figure 290451DEST_PATH_IMAGE043
(6) 确定驾驶室悬置最优阻尼比:
根据步骤(4) 的
Figure 546857DEST_PATH_IMAGE041
,步骤(5)中的
Figure 774707DEST_PATH_IMAGE043
,确定驾驶室悬置最优阻尼比
Figure 825578DEST_PATH_IMAGE044
,即:
Figure 518639DEST_PATH_IMAGE045
本发明比现有技术具有的优点:
由于驾驶室三质量振动分析非常复杂,目前国内、外车辆工程专家一直未能给出基于三质量振动系统的驾驶室悬置系统最佳阻尼比设计方法。该驾驶室悬置最优阻尼比设计方法,充分考虑了舒适性及安全性之间的相互矛盾与影响,因此,对于不同车辆参数、驾驶室参数、车辆类型、行驶路况及车速,利用该方法可设计得到准确可靠的驾驶室悬置最优阻尼比,避免反复验证及修改,降低设计及试验费用,缩短开发周期,且使得驾驶室悬置系统达到最佳减振效果。
为了更好的理解本发明下面结合附图做进一步说明。
图1是驾驶室悬置最优阻尼比设计流程图;
图2是单轮三质量行驶振动模型;
图3是实施例一的驾驶室加速度随阻尼比变化的仿真曲线;
图4是实施例一的车轮动载随阻尼比变化的仿真曲线;
图5是实施例二的驾驶室加速度随阻尼比变化的仿真曲线;
图6是实施例二的车轮动载随阻尼比变化的仿真曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例一:某卡车驾驶室悬置,其中单侧悬置对应驾驶室质量kg,单侧悬置对应的驾驶室悬置弹性系数
Figure 661094DEST_PATH_IMAGE047
N/m;单轮对应的车身质量
Figure 649909DEST_PATH_IMAGE048
kg,即簧上质量,悬架弹簧刚度N/m,悬架阻尼系数
Figure 48716DEST_PATH_IMAGE050
N.s/m;簧下质量kg,轮胎刚度
Figure 909410DEST_PATH_IMAGE052
N/m;C级路面参考空间频率
Figure 436118DEST_PATH_IMAGE053
m-1下的路面功率谱密度值
Figure 339483DEST_PATH_IMAGE054
m3,车辆行驶速度
Figure 894967DEST_PATH_IMAGE055
km/h;车轮、车身以及驾驶室的垂直位移坐标
Figure 314688DEST_PATH_IMAGE005
;输入的路面不平度函数
Figure 226144DEST_PATH_IMAGE006
本发明所提供的驾驶室悬置最优阻尼比设计流程如图2所示,具体步骤如下:
(1) 确定驾驶室垂直振动加速度频响函数
Figure 232058DEST_PATH_IMAGE001
及车轮动载频响函数
Figure 228964DEST_PATH_IMAGE002
根据某卡车驾驶室单侧悬置对应驾驶室质量
Figure 972667DEST_PATH_IMAGE046
kg,驾驶室悬置弹性系数
Figure 4208DEST_PATH_IMAGE047
N/m;单轮对应的车身质量
Figure 801262DEST_PATH_IMAGE048
kg,即簧上质量,悬架弹簧刚度
Figure 659366DEST_PATH_IMAGE049
N/m,悬架阻尼系数
Figure 941180DEST_PATH_IMAGE050
N.s/m;簧下质量
Figure 827228DEST_PATH_IMAGE051
kg,轮胎刚度
Figure 151507DEST_PATH_IMAGE052
N/m;车轮、车身以及驾驶室的垂直位移坐标
Figure 123005DEST_PATH_IMAGE003
Figure 208511DEST_PATH_IMAGE004
Figure 214644DEST_PATH_IMAGE005
;输入的路面不平度函数
Figure 727403DEST_PATH_IMAGE006
;根据车辆参数及行驶振动微分方程,得到驾驶室垂直振动加速度的频响函数及车轮动载的频响函数
Figure 809814DEST_PATH_IMAGE002
分别为:
Figure 670454DEST_PATH_IMAGE057
Figure 235339DEST_PATH_IMAGE058
其中,
Figure 414386DEST_PATH_IMAGE013
Figure 343158DEST_PATH_IMAGE014
Figure 556840DEST_PATH_IMAGE015
Figure 912866DEST_PATH_IMAGE016
       
Figure 311672DEST_PATH_IMAGE018
       
Figure 651299DEST_PATH_IMAGE019
; 
Figure 552127DEST_PATH_IMAGE020
       
Figure 207231DEST_PATH_IMAGE021
Figure 976341DEST_PATH_IMAGE022
Figure 666080DEST_PATH_IMAGE023
;
Figure 4843DEST_PATH_IMAGE025
;
Figure 583504DEST_PATH_IMAGE026
;
;
Figure 495014DEST_PATH_IMAGE028
;
;
Figure 501202DEST_PATH_IMAGE030
;
Figure 899954DEST_PATH_IMAGE031
;Cs为驾驶室悬置待定阻尼;
 (2) 确定
Figure 438120DEST_PATH_IMAGE059
Figure 555112DEST_PATH_IMAGE060
的积分表达式:
根据步骤(1)中的
Figure 186879DEST_PATH_IMAGE001
Figure 564771DEST_PATH_IMAGE002
,利用Matlab迭代积分求得驾驶室垂直振动加速度幅频特性平方的积分表达式
Figure 539418DEST_PATH_IMAGE032
,及车轮动载幅频特性平方的积分表达式
Figure 252028DEST_PATH_IMAGE033
 (3) 确定驾驶室垂直振动加速度均方值及车轮动载均方值的优化目标函数:
根据C级路面参考空间频率m-1下的路面功率谱密度值m3,车辆行驶速度km/h,以及路面速度功率谱,步骤(1)中的
Figure 938005DEST_PATH_IMAGE001
,步骤(2)中的
Figure 482305DEST_PATH_IMAGE061
Figure 795605DEST_PATH_IMAGE060
,可确定该车辆在当前行驶工况下的驾驶室垂直振动加速度均方值
Figure 855703DEST_PATH_IMAGE036
及车轮动载均方值的优化目标函数,分别为:
Figure 300777DEST_PATH_IMAGE062
,  
Figure 605768DEST_PATH_IMAGE063
; 
(4) 确定基于舒适性的驾驶室悬置最佳阻尼比:
        根据步骤(3)中的
Figure 705442DEST_PATH_IMAGE062
,及
Figure 406420DEST_PATH_IMAGE064
,确定在当前行驶工况下该车辆驾驶室悬置基于舒适性的最佳阻尼比
Figure 549825DEST_PATH_IMAGE065
(5) 确定基于安全性的驾驶室悬置最佳阻尼比:
        根据步骤(3)中的
Figure 336253DEST_PATH_IMAGE063
,及
Figure 239619DEST_PATH_IMAGE042
,确定在当前行驶工况下该车辆基于安全性的驾驶室悬置最佳阻尼比
Figure 800962DEST_PATH_IMAGE066
(6) 确定驾驶室悬置最优阻尼比:
根据步骤(4)的
Figure 505482DEST_PATH_IMAGE065
,步骤(5)中的
Figure 15091DEST_PATH_IMAGE066
,确定该车辆驾驶室悬置最优阻尼比
Figure 955103DEST_PATH_IMAGE044
,即:
Figure 132138DEST_PATH_IMAGE067
对该车驾驶室所设计的最优阻尼比,通过车辆行驶振动计算机仿真分析,可得该车驾驶室垂直振动加速度、车轮动载随阻尼比变化曲线,分别如图3和图4所示,可知驾驶室垂直振动加速度、车轮动载都有一定程度的减小,能够有效的提高驾乘人员的舒适性,表明该车辆驾驶室悬置最优阻尼比设计方法是准确的。
实施例二:某卡车驾驶室单侧悬置质量kg,单侧悬置弹性系数
Figure 855223DEST_PATH_IMAGE070
N/m;其他参数与实施例一相同。采用实施例一的设计步骤,即:
 (1) 确定驾驶室垂直振动加速度频响函数
Figure 886764DEST_PATH_IMAGE001
及车轮动载频响函数
Figure 57721DEST_PATH_IMAGE002
根据某卡车驾驶室单侧悬置质量
Figure 541923DEST_PATH_IMAGE069
kg,驾驶室单侧悬置弹性系数
Figure 823737DEST_PATH_IMAGE070
N/m;单轮对应的车身质量
Figure 709785DEST_PATH_IMAGE048
kg,即簧上质量,悬架弹簧刚度
Figure 51642DEST_PATH_IMAGE049
N/m,悬架阻尼系数
Figure 23140DEST_PATH_IMAGE050
N.s/m;簧下质量
Figure 114505DEST_PATH_IMAGE051
kg,轮胎刚度
Figure 855059DEST_PATH_IMAGE052
N/m;车轮、车身以及驾驶室的垂直位移坐标
Figure 367818DEST_PATH_IMAGE003
Figure 826612DEST_PATH_IMAGE004
Figure 591175DEST_PATH_IMAGE005
;输入的路面不平度函数
Figure 684770DEST_PATH_IMAGE006
;根据车辆参数及行驶振动微分方程,确定驾驶室垂直振动加速度的频响函数
Figure 869895DEST_PATH_IMAGE056
及车轮动载的频响函数,分别为:
Figure 249153DEST_PATH_IMAGE057
其中,各参数表达式同实施例一;
 (2) 确定
Figure 626148DEST_PATH_IMAGE060
的积分表达式:
根据步骤(1)中的
Figure 591568DEST_PATH_IMAGE001
Figure 161221DEST_PATH_IMAGE002
,利用Matlab迭代积分求得驾驶室垂直振动加速度幅频特性平方的积分表达式,及车轮动载幅频特性平方的积分表达式
Figure 487127DEST_PATH_IMAGE033
 (3) 确定驾驶室垂直振动加速度均方值及车轮动载均方值的优化目标函数:
根据C级路面参考空间频率
Figure 757702DEST_PATH_IMAGE053
m-1下的路面功率谱密度值
Figure 945976DEST_PATH_IMAGE054
m3,车辆行驶速度km/h,以及路面速度功率谱
Figure 284739DEST_PATH_IMAGE035
,步骤(1)中的
Figure 762204DEST_PATH_IMAGE001
,步骤(2)中的
Figure 673714DEST_PATH_IMAGE061
,可确定该车辆在当前行驶工况下的驾驶室垂直振动加速度均方值
Figure 414323DEST_PATH_IMAGE036
及车轮动载均方值
Figure 937708DEST_PATH_IMAGE037
的优化目标函数,分别为:
;  
Figure 733811DEST_PATH_IMAGE063
; 
(4) 确定基于舒适性的驾驶室悬置最佳阻尼比:
        根据步骤(3)中的
Figure 388696DEST_PATH_IMAGE062
,及
Figure 907533DEST_PATH_IMAGE064
,确定在当前行驶工况下该车辆驾驶室悬置基于舒适性的最佳阻尼比
Figure 616601DEST_PATH_IMAGE071
(5) 确定基于安全性的驾驶室悬置最佳阻尼比:
        根据步骤(3)中的
Figure 220888DEST_PATH_IMAGE063
,及
Figure 673604DEST_PATH_IMAGE042
,确定在当前行驶工况下该车辆基于安全性的驾驶室悬置最佳阻尼比
Figure 46948DEST_PATH_IMAGE072
(6) 确定驾驶室悬置最优阻尼比:
根据步骤(4) 中的
Figure 192496DEST_PATH_IMAGE071
,步骤(5)中的,确定该车辆驾驶室悬置最优阻尼比
Figure 280767DEST_PATH_IMAGE044
为:
对实施例二驾驶室悬置所设计的最优阻尼比,通过车辆行驶振动计算机仿真分析,可得该车驾驶室垂直振动加速度、车轮动载随阻尼比变化曲线,分别如图5和图6所示,可知驾驶室垂直振动加速度、车轮动载都有一定程度的减小,能够有效的提高驾乘人员的舒适性,表明该驾驶室悬置最优阻尼比设计方法是准确的。

Claims (4)

1.驾驶室悬置最优阻尼比设计方法,其具体步骤如下:
(1) 确定驾驶室垂直振动加速度频响函数及车轮动载频响函数
根据驾驶室单侧悬置质量m 3,单侧悬置弹性系数K s;前单轮对应的簧上质量m 2,悬架弹簧刚度K,悬架阻尼系数C,簧下质量m 1,轮胎刚度K t;车轮、车身以及驾驶室的垂直振动位移坐标
Figure 707701DEST_PATH_IMAGE003
Figure 801559DEST_PATH_IMAGE004
Figure 536297DEST_PATH_IMAGE005
;路面不平度函数
Figure 20499DEST_PATH_IMAGE006
及路面功率谱密度值
Figure 866096DEST_PATH_IMAGE007
,车辆行驶速度v,及行驶振动微分方程:
Figure 829108DEST_PATH_IMAGE008
经拉普拉斯变换,将代入上式,得驾驶室垂直振动加速度频响函数
Figure 768563DEST_PATH_IMAGE001
及车轮动载频响函数
Figure 220721DEST_PATH_IMAGE010
分别为:
Figure 818372DEST_PATH_IMAGE012
其中,
Figure 271350DEST_PATH_IMAGE013
Figure 925798DEST_PATH_IMAGE014
Figure 181647DEST_PATH_IMAGE016
Figure 172737DEST_PATH_IMAGE017
       
Figure 950200DEST_PATH_IMAGE018
       
Figure 368543DEST_PATH_IMAGE019
; 
Figure 864246DEST_PATH_IMAGE020
       
Figure 393448DEST_PATH_IMAGE021
Figure 28347DEST_PATH_IMAGE022
Figure 600591DEST_PATH_IMAGE024
;
;
Figure 685539DEST_PATH_IMAGE026
;
;
Figure 650401DEST_PATH_IMAGE028
;
Figure 786984DEST_PATH_IMAGE029
;
;;Cs为驾驶室悬置待定阻尼;
(2) 确定
Figure 75992DEST_PATH_IMAGE032
Figure 750687DEST_PATH_IMAGE033
的积分表达式:
根据步骤(1)中的
Figure 579283DEST_PATH_IMAGE002
,利用Matlab迭代积分求得驾驶室垂直振动加速度幅频特性平方的积分表达式
Figure 758592DEST_PATH_IMAGE032
及车轮动载幅频特性平方的积分表达式
(3) 确定驾驶室垂直振动加速度均方值及车轮动载均方值的目标函数:
根据C级路面参考空间频率
Figure 552552DEST_PATH_IMAGE034
下的路面功率谱密度值
Figure 816613DEST_PATH_IMAGE007
,车辆行驶速度v,以及路面速度功率谱
Figure 545534DEST_PATH_IMAGE035
,步骤(1)中的
Figure 499715DEST_PATH_IMAGE001
Figure 997693DEST_PATH_IMAGE002
,及步骤(2)中的
Figure 707023DEST_PATH_IMAGE032
,确定驾驶室垂直振动加速度均方值
Figure 415533DEST_PATH_IMAGE036
及车轮动载均方值
Figure 705700DEST_PATH_IMAGE037
的目标函数分别为:
Figure 585931DEST_PATH_IMAGE038
;                  
Figure 958619DEST_PATH_IMAGE039
;         
(4) 确定基于舒适性的驾驶室悬置最佳阻尼比:
       根据步骤(3)中的驾驶室垂直振动加速度均方值优化目标函数
Figure 316919DEST_PATH_IMAGE038
,及
Figure 727172DEST_PATH_IMAGE040
,确定基于舒适性的驾驶室悬置最佳阻尼比
(5) 确定基于安全性的驾驶室悬置最佳阻尼比:
       根据步骤(3)中的车轮动载均方值的优化目标函数
Figure 703535DEST_PATH_IMAGE039
,及
Figure 865526DEST_PATH_IMAGE042
,确定基于安全性的驾驶室悬置最佳阻尼比
Figure 864706DEST_PATH_IMAGE043
(6) 确定驾驶室悬置最优阻尼比:
根据步骤(4) 的
Figure 86740DEST_PATH_IMAGE041
,步骤(5)中的
Figure 436950DEST_PATH_IMAGE043
,确定驾驶室悬置最优阻尼比,即:
Figure 524827DEST_PATH_IMAGE045
2.根据权利要求1中所述的步骤(2),其特征在于:驾驶室垂直振动加速度频响函数
Figure 652183DEST_PATH_IMAGE001
及车轮动载频响函数
Figure 552006DEST_PATH_IMAGE002
,利用Matlab迭代积分,求得驾驶室垂直振动加速度幅频特性平方的积分表达式
Figure 931166DEST_PATH_IMAGE032
,及车轮动载幅频特性平方的积分表达式
Figure 170518DEST_PATH_IMAGE033
3.根据权利要求1中所述的步骤(3)~步骤(4),其特征在于:根据驾驶室垂直振动加速度均方值的目标函数
Figure 468775DEST_PATH_IMAGE038
,及,确定基于舒适性的驾驶室悬置最佳阻尼比
Figure 98132DEST_PATH_IMAGE041
;利用车轮动载均方值的目标函数
Figure 926411DEST_PATH_IMAGE039
,及
Figure 723465DEST_PATH_IMAGE042
,确定基于安全性的驾驶室悬置最佳阻尼比
Figure 269984DEST_PATH_IMAGE043
4.根据权利要求1中所述的步骤(6),其特征在于:根据舒适性的驾驶室悬置最佳阻尼比
Figure 381160DEST_PATH_IMAGE041
和基于安全性的最佳阻尼比
Figure 329524DEST_PATH_IMAGE043
,确定出驾驶室悬置系统最优阻尼比
Figure 235163DEST_PATH_IMAGE044
,即:
Figure 268978DEST_PATH_IMAGE045
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