CN103364140A - 一种无需起吊的汽车总成转动惯量动态逆向测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需起吊的汽车总成转动惯量动态逆向测试方法，1）采集四个悬挂的应变和加速度输出；2）测定汽车重心和四个悬挂相对重心的坐标位置；采集至少六组不同胎压下的应变、加速度数据；3）由于不同测试环境下的汽车总不平衡力矩相等，即汽车不平衡力矩有效值相等，即：

（3），其中，

(i＝1,2,3)（4）故通过求解方程(3)，即可求得转动惯量J_ij。本方法能在不起吊汽车的情况下对汽车总成的惯性参数进行识别，测试方便，对车辆没有损伤。能在识别汽车转动惯量的同时识别出汽车怠速不平衡力。该识别方法相对比传统识别方法具有易重复测试性，当实验装置安装好以后，每次测试不需要改动实验装置。

Description

一种无需起吊的汽车总成转动惯量动态逆向测试方法

技术领域

本发明涉及车辆参数测试技术的改进，具体指一种无需起吊装置的汽车总成转动惯量动态逆向测试方法，属于车辆工程技术领域。

背景技术

随着改革开放以来我国科学技术日新月异的发展和人民生活水平的提高，汽车等交通工具越来越普及的同时，人们对汽车的动态性能提出越来越高的要求。例如：汽车行驶的舒适性，操作的稳定性、安全性，车内噪声水平等等。而精确地识别汽车的惯性参数，是进行汽车结构设计以及振动主动控制的基础和重要前提。

对于汽车总成的惯性参数的识别依然是目前工程研究中的热点和难点，现有的研究和发明的原理主要基于三线扭摆法，例如，清华大学的吕振华教授运用三线扭摆法提出了一种识别大型刚体转动惯量的试验方法；华南理工大学的上官文斌、贺良勇等人开发了一种基于三线扭摆法的汽车动力总成质心与惯性参数测试实验台；比亚迪股份有限公司的潘留杰等人基于三线扭摆法发明了“一种三线扭摆法转动惯量测试装置”，并申请了国家专利（申请专利号：200620014772.1）；以及天津大学的毛瑞全教授等人发明了一种三线扭摆测量转动惯量的方法并申请了国家专利（申请专利号：200910070256）等等。

上述方法在应用于汽车总成转动惯量识别时都取得了不错的精度和效果。然而，这些方法仍然存在测试过程需要吊起汽车，对车身损坏较大；测试成本大，技术、设备要求高；重复测量操作难度大等缺点。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种无需起吊汽车、测试方便、成本低、重复性强的汽车总成转动惯量动态逆向测试方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种无需起吊的汽车总成转动惯量动态逆向测试方法，其特征在于：其测试步骤为，

1）数据采集设备的安装

车辆熄火时，分别在四个悬挂上安装动态应变片和加速度传感器，并通过采集器采集四个悬挂的应变和加速度输出；

各悬挂上加速度传感器安装点依次顺序连接而成的图形为矩形，测量相邻两加速度传感器之间的距离，测量悬挂与水平面，法向面的倾斜角度。

2）数据采集获得基本参数

2.1）首先测定汽车重心，并得到四个悬挂相对重心的坐标位置；

重心测试采用重量反应法，其步骤为：

2.1.1）将汽车在某个斜坡以一定角度倾斜静止，分别测试四个支撑悬挂的应变；

2.1.2）改变汽车静止位置两次，使每次汽车倾角各不相同，再分别测试四个支撑悬挂对应的应变并保存；

2.1.3）通过前面步骤得到的三组汽车四个支撑悬挂对应的应变，通过重量反应法即可计算得到汽车的重心位置，同时也得到四个悬挂相对重心的坐标。

2.2）转动惯量相关数据采集步骤

2.2.1）发动车辆，待汽车发动机转速稳定至某一固定怠速后，再在设定的时间下分别连续采集各个悬挂的应变和加速度数据；

2.2.2）前述数据采集结束后，再改变胎压，使之与前面各次胎压均不同，并维持发动机固定怠速不变，按前面的方法和时间重新采集每个悬挂的应变和加速度数据；

2.2.3）重复步骤2.2.2），直到采集至少六组不同胎压下的应变、加速度数据并保存；

3）数据处理，本步骤数据处理是将车辆视为刚体来进行的；

3.1）车辆总成加速度的计算

车辆总成加速度向量

与四个安装在悬挂上的加速度传感器所采集的悬挂加速度信号

满足下面关系；

$\stackrel{\·\·}{U}=\frac{1}{2}{\left(\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·\·}{u}}_1\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·\·}{u}}_2\end{array}\right)+\frac{1}{2}{\left(\begin{array}{c}{A}_3\\ A_4\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·\·}{u}}_3\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·\·}{u}}_4\end{array}\right)---\left(1\right)$

Δü_l—l支撑点的加速度向量，其中Δu_xl、Δu_yl、Δu_zl为延x,y,z三方向的加速度分量；

l—表示支撑点标号，共有4个支撑点；

A_l—坐标矩阵，其中x_l、y_l、z_l为l支撑点的坐标；为了方便表达，引入了坐标矩阵A_l表达为：

$A_l=\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& z_l& -y_l\\ 0& 1& 0& -z_l& 0& x_l\\ 0& 0& 1& y_1& -x_l& 0\end{array}\right)(l=\mathrm{1,2,3,4})$

3.2）车辆总成传递等效力矩的计算

在悬挂上安装应变片可以间接测量车身振动而传递到基础的力，根据力向一点简化的原则，可以得到车辆总成传递等效力矩m_i的计算公式：

$m_i=\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(F_{\mathrm{jl}}{r}_{\mathrm{kl}}+F_{\mathrm{kl}}{r}_{\mathrm{jl}})$ 式中(i、j、k＝1、2、3)             (2)

式中，i，j，k为轮换参数在1,2，3上一次变换；

r_jl——为第l悬挂相对车辆重心的j方向的坐标，可由步骤2.1）得到；

F_jl——为第l悬挂的j方向的支座反力，由应变片间接测得，计算公式为：F_jl=ε_lEAn_lj

ε_l——测试l悬挂的应变片所测应变；

n_lj——l悬挂的投影方向向量，为悬挂线分别与x，y，z轴的夹角余弦；

E——悬挂杨氏弹性模量；

A——悬挂等效截面面积；

3.3）车辆总成惯性参数以及车辆怠速不平衡力的识别

根据达朗贝尔原理，汽车总不平衡力矩由汽车的惯性力矩以及汽车传递力矩两部份组成，其中汽车的惯性力矩与汽车总成转动惯量以及汽车转动加速度相关，而转动加速度可由安装在四个悬挂上面的加速度传感器通过式（1）间接测得，汽车传递力矩可由安装好的应变片通过式（2）间接计算测得，即车辆总成传递等效力矩m_i就是汽车传递力矩；

因此，汽车总不平衡力矩与待测的转动惯量形成了一一对应的关系，而由于汽车怠速下的汽车总不平衡力矩只与车辆怠速相关，同时本发明采集各个悬挂的应变和加速度数据是在相同怠速下得到的，因此，可以认为不同测试环境下的汽车总不平衡力矩相等，即利用时间积分取平均后的汽车不平衡力矩有效值相等，即：

$H_i^k=H_i^{k+1}(i=\mathrm{1,2,3},k=1,2,...,\mathrm{case}-1)---\left(3\right)$

Case——怠速下改变车胎压力的总次数；

其中，汽车不平衡力矩有效值的计算公式为：

$H_i^k=\frac{\underset{0}{\overset{T}{\∫}}|m_i^k+\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{j}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_j|\mathrm{dt}}{T}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}|m_i^k\left(n\right)+\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{j}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_j\left(n\right)|\·\mathrm{\Δt}}{T}$ (i＝1,2,3)（4）

——在汽车怠速下第k次改变系统胎压后i方向的汽车不平衡力矩有效值；

T——每次改变胎压后实验测试的时间长度，当T足够大时，可近似认为T为发动机不平衡力周期的整数倍；

Δt——实验测试时采集数据的时间间隔；

N——每次改变胎压后采集数据总数；

J_ij——车辆总成转动惯量；

——转动加速度；由式(1)计算得到；

——车辆总成传递等效力矩；由式（2）计算得到；

将算式（4）代入算式（3），由于其它参量都是已知，故通过求解方程(3)，即可求得转动惯量J_ij。

本方法能在不起吊汽车的情况下对汽车总成的惯性参数进行识别，相比现有技术，本方法具有以下优点：

1、不需要起吊汽车，测试方便，对车辆没有损伤。

2、本识别方法能在识别汽车转动惯量的同时识别出汽车怠速不平衡力。

3、就单识别转动惯量来说，该识别方法相对比传统识别方法具有易重复测试性，当实验装置安装好以后，每次测试不需要改动实验装置。

附图说明

图1-本发明汽车总成系统结构示意图。

图2-本发明动态应变片和加速度传感器在悬挂上的安装示意图。

图3-本发明采集器在底盘上的安装示意图。

图4-本发明总体测试流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

汽车总成主要由车身总成1、车轮2以及联系两者的悬挂系统3组成，如图1所示。本发明拟通过测试汽车四个悬挂的加速度、应力数据，通过算法处理，最终得到发动机转动惯量。其具体测试步骤如下：

一、数据采集设备的安装

在车辆熄火时，分别在四个悬挂对应位置安装动态应变片4和加速度传感器5（如图2所示），并在车辆某个位置（如底盘上）安装采集器6（如图3所示），应变片4和加速度传感器5的输出接采集器6并初始调零，由采集器采集四个悬挂的应变和加速度输出。

安装时，应注意各悬挂加速度传感器安装点连接而成的图形为矩形。同时，测量相邻两加速度传感器之间的距离（即矩形的四条边长度），测量悬挂与水平面，法向面的倾斜角度。

二、数据采集

首先测定汽车重心，重心测试方法根据GB/T12538中的重量反应法，其步骤为：

1.将汽车在某个斜坡以一定角度倾斜静止，分别测试四个支撑悬挂的应变。

2.改变汽车静止位置两次，使每次汽车倾角各不相同，再分别测试四个支撑悬挂对应的应变并保存。

通过上述得到的三组汽车四个支撑悬挂对应的应变，结合传感器安装位置之间的距离，通过计算就可以得到汽车的重心位置。同时也得到四个悬挂相对重心的坐标。

转动惯量相关数据采集步骤

1.发动车辆，待汽车发动机转速稳定至某一固定怠速后，再在设定的时间（如五分钟）下分别连续采集各个悬挂的应变和加速度数据。

2.前述数据采集结束后，再改变胎压（与前面胎压不同），并维持发动机固定怠速不变，按前面的方法和时间重新采集每个悬挂的应变和加速度数据（如5分钟）。

3.重复步骤2，直到采集至少6组不同胎压下的应变、加速度数据并保存。

三、数据处理

1．总体数学模型介绍

将车辆视为刚体。

2．车辆总成加速度的计算

通过几何关系，车辆总成加速度向量与四个安装在悬挂上的加速度传感器所采集的悬挂加速度信号

满足下面关系。

$\stackrel{\·\·}{U}=\frac{1}{2}{\left(\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·\·}{u}}_1\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·\·}{u}}_2\end{array}\right)+\frac{1}{2}{\left(\begin{array}{c}{A}_3\\ A_4\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·\·}{u}}_3\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·\·}{u}}_4\end{array}\right)---\left(1\right)$

Δü_l—l支撑点的加速度向量，其中Δu_xl、Δu_yl、Δu_zl为延x,y,z三方向的加速度分量；

l—表示支撑点标号，共有4个支撑点；

A_l—坐标矩阵，其中x_l、y_l、z_l为l支撑点的坐标；为了方便表达，引入了坐标矩阵A_l表达为：

$A_l=\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& z_l& -y_l\\ 0& 1& 0& -z_l& 0& x_l\\ 0& 0& 1& y_1& -x_l& 0\end{array}\right)(l=\mathrm{1,2,3,4})$

3.车辆总成传递等效力矩的计算

在悬挂上安装应变片可以间接测量车身振动而传递到基础的力，根据力向一点简化的原则，可以得到车辆总成传递等效力矩m_i的计算公式：

$m_i=\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(F_{\mathrm{jl}}{r}_{\mathrm{kl}}+F_{\mathrm{kl}}{r}_{\mathrm{jl}})$ 式中(i、j、k＝1、2、3)             (2)

式中，i,j,k为轮换参数在1,2，3上一次变换，例如当i=1时,j=2,k=3。i=2时，j=3,k=1。

r_jl——为第l悬挂相对车辆重心的j方向的坐标；在第二步数据采集中重心确定时可以同时得到；

F_jl——为第l悬挂的j方向的支座反力，由应变片间接测得，计算公式为：F_jl=ε_lEAn_lj                                           （2-a）

ε_l——测试l悬挂的应变片所测应变；

n_lj——l悬挂的投影方向向量，为悬挂线分别与x，y，z轴的夹角余弦；可根据前面测量得到的悬挂与水平面和法向面的倾斜角度计算得到；

E——悬挂杨氏弹性模量；

A——悬挂等效截面面积；

4.车辆总成惯性参数以及车辆怠速不平衡力的识别

根据达朗贝尔原理，汽车总不平衡力矩由汽车的惯性力矩以及汽车传递力矩两部份组成，其中汽车的惯性力矩与汽车总成转动惯量（本发明待测试的）以及汽车转动加速度相关，而转动加速度部分可以由安装在四个悬挂上面的加速度传感器通过式（1）间接测得；另一方面，应变片所测数据通过式（2-a）得到悬挂的支座反力，带入式（2）即可间接测得汽车的传递力矩。

因此，通过上述分析，汽车总不平衡力矩与待测的惯性参数（转动惯量）形成了一一对应的关系，而由于汽车总不平衡力矩只与车辆转速相关，当汽车转速不发生变化时，汽车总不平衡力矩也不会发生变化。因为本发明采集各个悬挂的应变和加速度数据（六组）是在相同怠速下得到的，因此，在消除测试信号间的相位差之后，可以认为不同测试环境下的汽车总不平衡力矩相等，即利用时间积分取平均后的不平衡力矩有效值相等。即：

$H_i^k=H_i^{k+1}(i=\mathrm{1,2,3},k=1,2,...,\mathrm{case}-1)---\left(3\right)$

Case——怠速下改变车胎压力的总次数；

式中，汽车不平衡力矩有效值的计算公式为：

$H_i^k=\frac{\underset{0}{\overset{T}{\∫}}|m_i^k+\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{j}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_j|\mathrm{dt}}{T}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}|m_i^k\left(n\right)+\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{j}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_j\left(n\right)|\·\mathrm{\Δt}}{T}$ (i＝1,2,3)（4）

——在汽车怠速下第k次改变系统胎压后i方向的汽车不平衡力矩有效值；

T——每次改变胎压后实验测试的时间长度，当T足够大时，可近似认为T为发动机不平衡力周期的整数倍；

Δt——实验测试时采集数据的时间间隔；

N——每次改变胎压后采集数据总数；

J_ij——车辆总成转动惯量；

——转动加速度；由式（1）计算得到；

——车辆总成传递等效力矩；由式（2）计算得到；

将算式（4）代入算式（3），由于其它参量都是已知，故通过求解方程(3)，即可求得转动惯量J_ij。求解方程(3)时可以采用遗传算法，能够较快地获得计算结果。由于惯性参数J_ij具有6个独立的变量，因此至少需要6组不同胎压下的独立测试数据，为了提高测试精度，推荐测试8-12组独立数据。

本发明主要通过安装在汽车悬挂上的加速度传感器以及动态应变片对怠速状态下的汽车进行测试，并通过遗传算法迭代测试结果，从而对汽车总成转动惯量进行识别。本方法相比传统方法具有针对性强、无需起吊汽车总成、测试方便、重复性强的特点。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种无需起吊的汽车总成转动惯量动态逆向测试方法，其特征在于：其测试步骤为，

1）数据采集设备的安装

车辆熄火时，分别在四个悬挂上安装动态应变片和加速度传感器，并通过采集器采集四个悬挂的应变和加速度输出；

2）数据采集获得基本参数

2.1）首先测定汽车重心，并得到四个悬挂相对重心的坐标位置；

2.2）转动惯量相关数据采集步骤

2.2.1）发动车辆，待汽车发动机转速稳定至某一固定怠速后，再在设定的时间下分别连续采集各个悬挂的应变和加速度数据；

2.2.2）前述数据采集结束后，再改变胎压，使之与前面各次胎压均不同，并维持发动机固定怠速不变，按前面的方法和时间重新采集每个悬挂的应变和加速度数据；

2.2.3）重复步骤2.2.2），直到采集至少六组不同胎压下的应变、加速度数据并保存；

3）数据处理，本步骤数据处理是将车辆视为刚体来进行的；

3.1）车辆总成加速度的计算

车辆总成加速度向量

与四个安装在悬挂上的加速度传感器所采集的悬挂加速度信号

满足下面关系；

$\stackrel{\·\·}{U}=\frac{1}{2}{\left(\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·\·}{u}}_1\\ {\mathrm{\Δ}\stackrel{\·\·}{u}}_2\end{array}\right)+\frac{1}{2}{\left(\begin{array}{c}{A}_3\\ A_4\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·\·}{u}}_3\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·\·}{u}}_4\end{array}\right)---\left(1\right)$

Δü_l—l支撑点的加速度向量，其中Δu_xl、Δu_yl、Δu_zl为延x,y,z三方向的加速度分量；

l—表示支撑点标号，共有4个支撑点；

A_l—坐标矩阵，其中x_l、y_l、z_l为l支撑点的坐标；为了方便表达，引入了坐标矩阵A_l表达为：

$A_l=\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& z_l& -y_l\\ 0& 1& 0& -z_l& 0& x_l\\ 0& 0& 1& y_1& -x_l& 0\end{array}\right)(l=\mathrm{1,2,3,4})$

3.2）车辆总成传递等效力矩的计算

在悬挂上安装应变片可以间接测量车身振动而传递到基础的力，根据力向一点简化的原则，可以得到车辆总成传递等效力矩m_i的计算公式：

$m_i=\underset{l=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(F_{\mathrm{jl}}{r}_{\mathrm{kl}}+F_{\mathrm{kl}}{r}_{\mathrm{jl}})$ 式中(i、j、k＝1、2、3)             (2)

式中，i,j,k为轮换参数在1,2，3上一次变换；

r_jl——为第l悬挂相对车辆重心的j方向的坐标，可由步骤2.1）得到；

F_jl——为第l悬挂的j方向的支座反力，由应变片间接测得，计算公式为：F_jl=ε_lEAn_lj

ε_l——测试l悬挂的应变片所测应变；

n_lj——l悬挂的投影方向向量，为悬挂线分别与x，y，z轴的夹角余弦；

E——悬挂杨氏弹性模量；

A——悬挂等效截面面积；

3.3）车辆总成惯性参数以及车辆怠速不平衡力的识别

根据达朗贝尔原理，汽车总不平衡力矩由汽车的惯性力矩以及汽车传递力矩两部份组成，其中汽车的惯性力矩与汽车总成转动惯量以及汽车转动加速度相关，而转动加速度可由安装在四个悬挂上面的加速度传感器通过式（1）间接测得，汽车传递力矩可由安装好的应变片通过式（2）间接计算测得，即车辆总成传递等效力矩mi就是汽车传递力矩；

因此，汽车总不平衡力矩与待测的转动惯量形成了一一对应的关系，而由于汽车怠速下的汽车总不平衡力矩只与车辆怠速相关，同时本发明采集各个悬挂的应变和加速度数据是在相同怠速下得到的，因此，可以认为不同测试环境下的汽车总不平衡力矩相等，即利用时间积分取平均后的汽车不平衡力矩有效值相等，即：

$H_i^k=H_i^{k+1}(i=\mathrm{1,2,3},k=1,2,...,\mathrm{case}-1)---\left(3\right)$

Case——怠速下改变车胎压力的总次数；

其中，汽车不平衡力矩有效值的计算公式为：

$H_i^k=\frac{\underset{0}{\overset{T}{\∫}}|m_i^k+\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{j}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_j|\mathrm{dt}}{T}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}|m_i^k\left(n\right)+\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{j}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_j\left(n\right)|\·\mathrm{\Δt}}{T}$ (i＝1,2,3)（4）

——在汽车怠速下第k次改变系统胎压后i方向的汽车不平衡力矩有效值；

T——每次改变胎压后实验测试的时间长度，当T足够大时，可近似认为T为发动机不平衡力周期的整数倍；

Δt——实验测试时采集数据的时间间隔；

N——每次改变胎压后采集数据总数；

J_ij——车辆总成转动惯量；

——转动加速度；由式（1）计算得到；

——车辆总成传递等效力矩；由式（2）计算得到；

将算式（4）代入算式（3），由于其它参量都是已知，故通过求解方程(3)，即可求得转动惯量J_ij。

2.根据权利要求1所述的一种无需起吊的汽车总成转动惯量动态逆向测试方法，其特征在于：各悬挂上加速度传感器安装点依次顺序连接而成的图形为矩形，测量相邻两加速度传感器之间的距离，测量悬挂与水平面和法向面的倾斜角度。

3.根据权利要求1所述的一种无需起吊的汽车总成转动惯量动态逆向测试方法，其特征在于：步骤2.1）重心测试采用重量反应法，其步骤为：

2.1.1）将汽车在某个斜坡以一定角度倾斜静止，分别测试四个支撑悬挂的应变；

2.1.2）改变汽车静止位置两次，使每次汽车倾角各不相同，再分别测试四个支撑悬挂对应的应变并保存；

2.1.3）通过前面步骤得到的三组汽车四个支撑悬挂对应的应变，通过重量反应法即可计算得到汽车的重心位置，同时也得到四个悬挂相对重心的坐标。

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