CN103591228A - 电机用传动装置及其控制装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种传动装置，适于具有在动力向前旋转时和动力反向旋转时产生相同方向的输出的减速结构。传动装置包括：具有驱动轴的电机；适于围绕在电机外部并且通过接受电机旋转力而旋转的输出盖体；适于向输出盖体两侧延伸的固定轴；以及形成在驱动轴和输出盖体之间的传动装置。传动装置根据驱动轴的旋转方向选择性地连接，从而仅在预定方向上以定速或者减速提供输出。当驱动轴向前旋转时，由于驱动轴和输出盖体彼此直接连接，传动装置在向前方向上提供定速输出，当驱动轴反向旋转时，由于减速行星齿轮齿轮连接在驱动轴和输出盖体之间，传动装置在向前方向上提供减速输出。此外，提供一种根据施加于输出侧的负载来自动控制电机用传动装置的控制装置。

Description

电机用传动装置及其控制装置
本发明专利申请为一分案申请，母案的申请日是2008年1月16日；母案的申请号是200880000350.0；而母案的发明名称是《电机用传动装置及其控制装置》。
技术领域
本发明涉及电机用传动装置，更特别地，涉及适于在电机的转向发生变化时执行加速或减速的传动装置，以及适于自动控制电机的传动装置的控制装置。
背景技术
通常，传动装置是用于使动力加速或减速的装置。
这样的传动装置连结于电机驱动轴，从而自动地或手动地改变电机动力的速度。在手动传动装置中，离合器位于动力端和传动装置之间，从而实现在传递至传动装置的动力中断的状态下的速度变化。此外，自动传动装置不具有制动装置，诸如离合器，并且根据压力变化或类似的输出侧自动地改变速度。
然而，根据现有技术的手动传动装置存在不便于使用以及由于手动传动装置必须具有离合器而体积变大的问题。此外，自动传动装置还遇到由于自动传动装置本身结构的复杂而体积变大并且频繁出现故障的问题。
发明内容
本发明的目的是提供适于在动力反向旋转时产生在与动力向前旋转相同的方向上的输出的具有减速结构的传动装置。
本发明的另一目的是提供适于在动力反向旋转时产生在与动力向前旋转相同的方向上的输出的具有加速结构传动装置。
本发明的又一目的是提供适于自动改变电机的速度的控制装置，该电机具有其中嵌入上面提到的传动装置。
为了实现第一个目的，本发明提供一种用于使传动装置输出电机动力的传动方法，其中该传动装置在向前提供电机的动力时在向前方向上提供定速输出，在反向提供电机的动力时在向前方向上提供减速输出。
此外，为了实现第二个目的，本发明提供一种用于使传动装置输出电机动力的传动方法，其中该传动装置在向前提供电机的动力时在向前方向上提供定速输出，在反向提供电机的动力时在向前方向上提供加速输出。
由第一种方法驱动的传动装置包括环形齿轮，电机的动力输入该环形齿轮；传动环形齿轮，位于环形齿轮外周表面上并且在环形齿轮向前旋转时被选择性地限制，从而在向前旋转中提供定速输出；中心齿轮，位于环形齿轮内周表面上并且在环形齿轮反向旋转时被选择性地限制；以及传动行星齿轮，齿轮连接(geared)于中心齿轮的外周表面和传动环形齿轮的内周表面，从而在向前旋转中向传动环形齿轮提供减速输出。
在这种情况下，环形齿轮包括：形成在环形齿轮外周表面上的至少一个定速棘爪，以仅仅在其向前旋转过程中被限制到传动环形齿轮的方式弹性支撑在斜线方向上；以及形成在环形齿轮内周表面上的至少一个变速棘爪，以仅仅在其反向旋转过程中被限制到中心齿轮的方式弹性支撑在斜线方向上。
而且，该传动装置进一步包括设置在定速棘爪和变速棘爪的后侧并且耦合于电机以便通过摩擦旋转从而挤压定速棘爪和变速棘爪中任一个的向后干涉防止单元(backward interference prevention unit)，其中向后干涉防止单元具有在其中形成的保持突起，环形齿轮具有对应于保持突起形成的保持凹槽，保持凹槽形成得比保持突起宽，从而在保持突起和保持凹槽之间限定出空隙。
可替换地，环形齿轮包括以沿着一个方向逐渐变深的方式以及环形齿轮的内周表面和外周表面彼此形成在相反方向上的方式形成在其外周表面和内周表面上的球座凹槽；布置在其内周表面和外周表面上并具有多个离合器轴承以便插入球座凹槽的离合器板；从而离合器板能够替代定速棘爪、变速棘爪以及向后干涉防止单元。
由第一种方法驱动的传动装置包括：以直接连接于输出侧的方式耦合于电机驱动轴一端的单向离合器(C)，从而输出侧在向前方向上提供定速输出；以及耦合于电机驱动轴中部并且齿轮连接于输出侧和行星齿轮的单向离合器(RC)，从而输出侧在向前方向上提供减速输出。
而且，由第一种方法驱动的传动装置包括：以直接连接于输出侧的方式耦合于电机驱动轴一端的单向离合器(C)，从而输出侧在向前方向上提供定速输出；以及耦合于电机驱动轴中部并且齿轮连接于输出侧和行星齿轮的单向离合器(RC)，行星齿轮具有安装于其上并且通过单向离合器(RC)耦合于电机的托架(carrier)，从而输出侧在向前方向上提供减速输出。
此外，由第一种方法驱动的传动装置包括：齿轮连接于电机驱动轴的行星齿轮；用于将用作托架的输出侧与行星齿轮一侧耦合的单向离合器(C)；以及用于将固定于行星齿轮另一侧的托架与电机耦合的单向离合器(RC)，从而输出侧在行星齿轮公转(revolve)时在向前方向上提供定速输出，在行星齿轮自转(rotate)时在向前方向上提供减速输出。
由第二种方法驱动的传动装置包括：以直接连接于输出侧的方式耦合于电机驱动轴一端的单向离合器(C)，从而输出侧在向前方向上提供定速输出；耦合于电机驱动轴中部并且耦合于环形齿轮的单向离合器(RC)；以及齿轮连接在环形齿轮和输出侧之间的行星齿轮，从而输出侧在向前方向上提供加速输出。
而且，由第二种方法驱动的传动装置包括：以直接连接于输出侧的方式耦合于电机驱动轴一端的单向离合器(C)，从而输出侧在向前方向上提供定速输出；耦合于电机驱动轴中部并且齿轮连接于输出侧和行星齿轮的环形齿轮；以及用于将行星齿轮的托架耦合于电机的单向离合器(RC)，从而输出侧在向前方向上提供加速输出。
此外，由第二种方法驱动的传动装置包括：耦合于电机驱动轴的环形齿轮；齿轮连接于环形齿轮的行星齿轮；用于将用作托架的输出侧与行星齿轮的一侧耦合的单向离合器(C)；以及用于将固定于行星齿轮另一侧的托架与电机耦合的单向离合器(RC)，从而输出侧在行星齿轮公转时在向前方向上提供定速输出，在行星齿轮自转时在向前方向上提供加速输出。
为了实现第三个目的，本发明提供一种用于自动控制具有传动装置的电机的控制装置，该传动装置在向前方向上提供动力时在向前方向上提供定速输出，在反向方向上提供动力时在向前方向上提供减速输出，该控制装置包括：截流阀，输出信号被输入该截流阀；控制器，适于接收输入的信号并供应电流，该控制器连接于电机；以及孔传感器，安装在电机上并连接于控制器，从而该控制器在向电机加载时提供反向电流。
如上所述，根据本发明的用于电机的传动装置提供与输入的旋转方向无关的单向输出，并且能够在输入的方向发生变化时，进行输出的减速或加速。在本发明中，嵌入传动装置的电机为具有相对高转矩的无刷电机(BLDC)，因此，能够仅仅用两级传动装置，而不用多级传动装置，来有效地驱动。
此外，有利地，该传动装置能够与电机一体形成，从而实现小尺寸传动电机，并且因此甚至可以在如果传动装置突出至该装置外部是不利的装置中使用，诸如自行车、摩托车等。
附图说明
图1和2是表示根据本发明的传动装置应用于内转子型电机示例的横截面图。
图3是表示根据本发明的传动装置应用于外转子型电机的示例的横截面图。
图4a和4b是表示图3所示后接口防护单元的工作原理的视图。
图5和6是表示离合器轴承附近的限制装置的视图，其能够用于代替变速极和定速极。
图7a、7b、7c和7d是表示根据本发明另一实施例的传动装置的减速方法的视图。
图8a、8b、8c和8d是表示根据本发明实施例的传动装置的加速方法视图。
图9是表示用于自动地改变电机速度的控制装置的结构图，本发明的传动装置应用于该电机。
具体实施方式
现在，参考附图详细描述本发明的优选实施例。
图1至3是根据本发明的电机用传动装置的横截面图，其中图1和2说明应用于内转子型电机的传动装置，图3说明应用于外转子型电机的传动装置。
优选地，图1至3说明摩托车用电机，但是本发明还能够应用于其它各种装置，例如，诸如车辆的运输机器、诸如电动工具等的工业机器和玩具。
如图1和2所示，本发明包括：被提供电能以旋转的电机110；适于围绕电机110外部并且由电机110的旋转力旋转的输出盖体115；延伸至输出盖体115一侧的第一固定轴113；延伸至输出盖体115另一侧的第二固定轴112；以及设置在电机110和第一固定轴113之间或者设置在电机110和第二固定轴112之间的传动装置130。
在这种情况下，输出盖体115包括适于围绕电机110外周表面的中间盖体116、适于围绕电机110一侧和另一侧的右盖体117和左盖体118。此外，一般的动力传动装置，诸如用于连接驱动动力的齿轮、链轮齿或皮带轮设置在左盖体117的一侧和右盖体118的另一侧。
而且，轴承嵌入第一固定轴113和左盖体117之间以及第二固定轴112和右盖体118之间，用于确保平稳转动。
此外，用于向电机110提供电能的电缆114对准以穿过第二固定轴的内部。
传动装置130包括减速部分120和传动部分。可替换的，传动装置130可以仅仅包括传动部分。即，减速部分120首先对电机110的驱动力进行减速，然后将减速后的驱动力传递给传动部分。可以通过具有安装在驱动轴111和环形齿轮131之间的减速行星齿轮122实现减速。在这种情况下，用于固定减速行星齿轮122的托架是必不可少的。托架121附接并耦合于电机110。
可替换的，驱动轴111和环形齿轮131可以直接彼此耦合，而不需要安装减速行星齿轮122，从而不减速地传递动力。
此外，由于图3中所示的外转子型电机不采用以轴为基础的运转方法，电机110的驱动轴111可用作环形齿轮131。
传动部分连接于上述的环形齿轮131。传动部分包括选择性地限制于环形齿轮131外部的传动环形齿轮150、选择性地限制于环形齿轮131内部的中心齿轮160、以及径向齿轮连接于中心齿轮160外部并齿轮连接于传动环形齿轮150内部的传动行星齿轮162。
在这种情况下，传动环形齿轮150具有不同直径的两级分层，在第一级耦合于环形齿轮131，在第二级齿轮连接于传动行星齿轮162。此外，中心齿轮160具有不同直径的两级分层，在第一级耦合于环形齿轮131，在第二级齿轮连接于传动行星齿轮162。
而且，传动环形齿轮150通过螺钉等耦合于输出盖体115，从而向输出盖体115输出传动环形齿轮150的旋转力。
此外，本发明必须有用于固定传动行星齿轮162的传动托架，传动托架161一体地耦合于第一固定轴113的外部。
同时，为了选择性地限制环形齿轮131至传动环形齿轮150或中心齿轮160的旋转力，定速棘爪132和变速棘爪133设在环形齿轮131上。
图4a和4b说明由定速棘爪和变速棘爪选择性地限制的传动装置的运转。如图4a和4b所示，至少一个定速棘爪132和至少一个变速棘爪133在彼此相反的斜线方向上突出地形成在环形齿轮131的外周表面和内周表面上。在这种情况下，每个定速棘爪132和变速棘爪133在其一端铰链连接于环形齿轮131，弹簧(压缩弹簧、销弹簧等)嵌入定速棘爪132和环形齿轮131之间以及变速棘爪133和环形齿轮131之间，从而弹性地支撑定速棘爪132和变速棘爪133。
这样，当环形齿轮131在任一方向旋转时，传动环形齿轮150和中心齿轮160的任意一个连接于环形齿轮131，从而驱动力传递至此。
更详细地，例如，当电机110向前旋转时，行星齿轮122和环形齿轮131反向旋转。环形齿轮131的反向旋转使变速棘爪133限制中心齿轮160，以使得中心齿轮可以反向旋转。另外，当传动行星齿轮162和传动环形齿轮150向前旋转时，输出盖体115在向前旋转中提供减速输出。
此外，当电机110反向旋转时，行星齿轮122和环形齿轮131向前旋转。环形齿轮131的向前旋转使定速棘爪132将环形齿轮131与传动环形齿轮150啮合，并在向前旋转中向输出盖体115提供定速输出。
即，当电机110反向旋转时，传动部分以1：1的比例产生动力，当电机110向前旋转时，以1：0.5的比例产生动力。
同时，在不具有减速部分120的外转子型电机中，当电机110反向旋转时，环形齿轮131自动地反向旋转。环形齿轮131的反向旋转使变速棘爪133限制中心齿轮160，以使得中心齿轮反向旋转。在这种情况下，当传动行星齿轮162和传动环形齿轮150向前旋转时，输出盖体115在向前旋转中提供减速输出。相反，当电机110向前旋转时，环形齿轮131自动地向前旋转。环形齿轮131的向前旋转使定速棘爪132限制传动环形齿轮150，从而在向前旋转中向输出盖体115提供定速输出。
当传动装置130通过驱动电机110平稳地提供输出时，输出盖体115可以由诸如摩托车地装置中的外力反向地旋转。同样地，当输出盖体115由外力反向旋转时，定速棘爪132和变速棘爪133作用于环形齿轮131，使得环形齿轮不运转。
为了防止环形齿轮不运转，向后干涉防止单元140设置在环形齿轮131。
向后干涉防止单元140设在电机110和具有定速棘爪132和变速棘爪133的环形齿轮131之间。如图2所示，向后干涉防止单元140包括：定速棘爪压板141，耦合于电机110从而具有由弹性支撑在电机110外周表面上的球体145作用的摩擦力，该定速棘爪压板141延伸至形成在环形齿轮131上的定速棘爪132的后侧；以及变速棘爪压板142，围绕环形齿轮131并向内延伸至变速棘爪133后侧。
此外，定速棘爪压板141内具有一体形成的保持突起141a，环形齿轮131具有形成在其外周表面上的保持凹槽134，与保持突起141对应。在这种情况下，优选地，保持凹槽134形成得比保持突起141a宽，从而当保持突起141a移动时能够在保持凹槽134内限定出空隙。
相应地，由于向后干涉防止单元140挤压定速棘爪132和变速棘爪133中的任意一个，能够解决由于传动环形齿轮150的反向旋转导致的环形齿轮131的不运转。
即，当电机110向前旋转而环形齿轮131反向旋转时，如图4a所示，在保持凹槽134内已经产生小空隙之后，保持凹槽134的侧面钩住保持突起141a。在这种情况下，当环形齿轮131在形成空隙的状态下旋转时，向后干涉防止单元140的定速棘爪压板141挤压定速棘爪132。相反，当电机110反向旋转而环形齿轮131向前旋转时，如图4b所示，向后干涉防止单元140的变速棘爪压板142挤压变速棘爪133，形成给定的空隙。这样，由于定速棘爪132和变速棘爪133中的至少一个，即使当传动装置被向后干涉防止单元140向后移动时传动环形齿轮150反向旋转，也能够防止环形齿轮的不运转。
以上，尽管已经描述了由定速棘爪132和变速棘爪133的限制方法以及由向后干涉防止单元140的限制方法，但是可以选择由离合器轴承的限制方法。
图5和6说明由离合器轴承的限制方法，该离合器轴承能够用作定速棘爪、变速棘爪和向后干涉防止单元的替代品。
参考图5和6，球座凹槽135a和135b形成在环形齿轮131的外周表面和内周表面上，离合器轴承136a和136b分别装在球座凹槽135a和135b内。在这种情况下，球座凹槽135a和135b向其侧面逐渐变深，环形齿轮131的内部和外部彼此在相反方向上形成。这样，当环形齿轮131仅在任一方向上旋转时，由于离合器轴承136a和136b中的一个被环形齿轮131卡住，而另一个没有被环形齿轮131卡住，环形齿轮131能够仅在一个方向上旋转。
而且，由于离合器轴承136a和136b起到向后干涉防止单元140的作用，不再需要向后干涉防止单元140。在这种情况下，离合器轴承136a和136b通过离合器板137a和137b安装在环形齿轮131的外周表面和内周表面上。当离合器轴承136a和136b可限制的旋转时，离合器板137a和137b也一起旋转。此外，环形齿轮131的外离合器板137a和内离合器板137b通过连接件138彼此连结。
同时，不同于上述实施例，下面将讨论用于减速的各种可能方法。
图7a、7b、7c和7d是表示由单向离合器(C和RC)减速的示意图。
首先，在图7a中，单向离合器(C)嵌入电机110驱动轴111的一端，从而当电机110向前旋转时，输出侧250在向前的方向上直接连接于电机110的驱动轴111。此外，单向离合器(RC)也嵌入驱动轴111的中部，并且通过行星齿轮260齿轮连接于输出侧250，从而该输出侧能够在向前的方向上提供减速输出。
并且，在图7b中，单向离合器(C)嵌入电机110驱动轴111的一端，当电机110向前旋转时，输出侧250在向前的方向上直接连接于电机的驱动轴111。此外，行星齿轮260齿轮连接于驱动轴111的中部，从而在减速过程中，行星齿轮260能够齿轮连接于输出侧。同时，单向离合器(RC)可以耦合在托架270和电机110之间，行星齿轮260固定于托架270。
进一步，在图7c中，行星齿轮260齿轮连接于驱动轴111，行星齿轮260固定于其上的托架270连接于电机110和单向离合器(RC)，输出侧250设置于行星齿轮260的一侧，从而用作托架。在这种情况下，输出侧250具有嵌入其中从而提供输出的单向离合器(C)。即，当驱动轴111向前旋转时，行星齿轮260围绕驱动轴旋转，从而提供定速输出。另一方面，当驱动轴111反向旋转时，行星齿轮260独立旋转，从而提供减速输出。
另外，在图7d中，行星齿轮260齿轮连接于驱动轴111和输出侧250，并且具有嵌入其中的单向离合器(RC)。行星齿轮260一体地固定于托架270，托架270通过单向离合器(RC)连接于电机110。这样，当驱动轴111向前旋转时，在行星齿轮260的单向离合器(RC)的限制下，行星齿轮260围绕驱动轴旋转，从而输出侧250在向前旋转中提供定速输出。当驱动轴111反向旋转时，在托架270的单向离合器(RC)的限制下，行星齿轮260独立旋转，从而输出侧250在向前旋转中提供减速输出。
尽管上面已经描述了传动装置120的减速类型，下面将描述传动装置120的加速类型。
图8a、8b、8c和8d是表示传动装置120利用单向离合器加速的示意图。
首先，在图8a中，单向离合器(C)安装在驱动轴111的一端，从而输出侧直接连接于驱动轴111，由此提供定速输出。此外，┑形环形齿轮280通过单向离合器(RC)连接于驱动轴111的中部，并且通过行星齿轮260齿轮连接于输出侧250，从而该输出侧提供加速输出。
而且，在图8b中，单向离合器(C)安装在驱动轴111的一端，从而输出侧直接连接于驱动轴111，由此提供定速输出。此外，┑形环形齿轮280连接于驱动轴的中部并且通过行星齿轮260齿轮连接于输出侧250，从而输出侧250提供加速输出。在这种情况下，行星齿轮260固定于其上的托架270可以通过单向离合器(RC)耦合于电机110。
此外，在图8c中，环形齿轮280耦合于驱动轴111并且通过行星齿轮260齿轮连接于输出侧250，从而输出侧250提供定速输出或加速输出。托架270耦合于行星齿轮260的一侧。在这种情况下，托架270的一侧通过单向离合器(RC)耦合于电机110，托架270的另一侧通过单向离合器(C)耦合于输出侧250。即，当驱动轴111向前旋转时，环形齿轮280向前旋转，行星齿轮260围绕驱动轴旋转，从而输出侧250提供定速输出。然而，当驱动轴111反向旋转时，环形齿轮280反向旋转，行星齿轮260独立旋转，从而输出侧250提供加速输出。
进一步，在图8d中，环形齿轮280耦合于驱动轴111，行星齿轮260齿轮连接于环形齿轮280和输出侧250，在这种情况下，行星齿轮260具有嵌入其中的单向离合器(RC)。行星齿轮260一体地固定于托架270，托架270通过单向离合器(RC)耦合于电机110。这样，当驱动轴111向前旋转时，在行星齿轮260侧的单向离合器(RC)的限制下，行星齿轮260围绕驱动轴旋转，从而输出侧250在向前的旋转中提供定速输出。当驱动轴111反向旋转时，在托架270侧的单向离合器(RC)的限制下，行星齿轮260独立旋转，从而输出侧250在向前旋转中提供加速输出。
图9是表示用于自动控制BLDC传动电机的控制装置的结构图，本发明的传动装置应用于此电机。
参考图9，根据本发明的控制装置包括BLDC电机600、PWM500、控制器400以及截流阀300。
在这种情况下，BLDC电机600包括孔传感器610，适于检测BLDC电机600的旋转力。
现在，描述控制装置的运行。首先，当截流阀300向控制器400发出期望加速信号时，控制器400对它们进行计算并且向PWM500发出对应于该加速信号的电流。该电流通过PWM500传至BLDC电机600，从而使电机600旋转。
同时，安装在电机600上的孔传感器610检测电机的旋转频率并且向控制器400提供检测到的旋转频率。如果旋转频率低于传输的电流量，执行旋转频率操作的控制器400确定向电机加载并且产生反向电流。这样，通过PWM500向BLDC电机600施加反向电流，从而电机反向旋转。于是，反向旋转的电机使传动装置减速。
即，向电机加载的行为意味着，例如，应用本发明的传动电机的摩托车遇到斜坡路或者重物放置在摩托车上。因此，在这种情况下，优选地，传动装置减速至较低级。
当然，当从电机上去除负载时，控制器向电机发出向前的信号，从而摩托车向前行驶。
工业实用性
如上所述，根据本发明的用于电机的传动装置提供与输入的旋转方向无关的单向输出，并且能够在输入的方向发生变化时，进行输出的减速或加速。在本发明中，嵌入传动装置的电机为具有相对高转矩的无刷电机(BLDC)，因此，能够仅仅用两级传动装置，而不用多级传动装置，来有效地驱动。
此外，有利地，该传动装置能够与电机一体形成，从而实现小尺寸传动电机，并且因此甚至可以在如果传动装置突出至该装置外部是不利的装置中使用，诸如自行车、摩托车等。
尽管已经参考特定的说明性实施例描述了本发明，但是并不受限于这些实施例，而只是由所附的权利要求限制。可以理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员能够改变或修改这些实施例。

Claims (2)

1.一种电机用传动装置，包括：
环形齿轮，电机的动力输入该环形齿轮；
传动环形齿轮，位于所述环形齿轮的外周表面上并且在所述环形齿轮向前旋转时被选择性地限制，从而在向前旋转中提供定速输出；
中心齿轮，位于所述环形齿轮的内周表面上并且在所述环形齿轮反向旋转时被选择性地限制；以及
传动行星齿轮，齿轮连接于中心齿轮的外周表面和传动环形齿轮的内周表面，从而在向前旋转中向传动环形齿轮提供减速输出，
所述环形齿轮包括：球座凹槽，以沿着一个方向逐渐变深的方式以及所述环形齿轮的内周表面和外周表面彼此形成在相反方向上的方式形成在其外周表面和内周表面上；离合器板，布置在其内周表面和外周表面上并具有多个离合器轴承，以便插入球座凹槽；以及连接件，适于将外离合器板和内离合器板结合在一起。
2.如权利要求1所述的传动装置，进一步包括向后干涉防止单元，该向后干涉防止单元设置在定速棘爪和变速棘爪的后侧，并且耦合于电机，以便通过摩擦旋转从而挤压定速棘爪和变速棘爪中任一个，其中所述向后干涉防止单元具有在其中形成的保持突起，所述环形齿轮具有对应于所述保持突起形成的保持凹槽，该保持凹槽形成为比所述保持突起宽，从而在所述保持突起和所述保持凹槽之间限定出空隙。
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