CN105390051B - 便携组装式理论力学教具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携组装式理论力学教具，包括质轻翻盖直角六面体手提式的箱体，所述箱体的箱盖内安装有背景主板，所述箱体的底部用PPT塑料充填分割成控制台，自动驱动装置，教具通用件收藏室和拼图简介块放置室四个部分；所述的背景主板上部均布开设有能插销钉的小圆孔；所述的背景主板下部开设有水平滑道，所述的水平滑道上安装有行进驱动装置，所述的行进驱动装置与传动装置相连；所述的行进驱动装置通过线路与控制台相连。本发明具有结构简单新颖，功能集全，材质好，重量轻，整个装置安装在手提箱内，教师可方便携带于课堂；可自己动手进行机构的拼装，控制机构运动，以激发学生深入思考，进一步理解力学理论。
Description
技术领域
本发明涉及教学演示领域，具体而言，是一种便携组装式理论力学教具。
背景技术
在理论力学教学过程中要用到各种工程结构尤其是机械中的机构，必需弄清楚机构中各刚体的运动形式及运动间相互关系，才能进行约束力的分析、速度合成分解，加速度合成分解，及动力学计算，然而机构是同学们首次遇到的对象，机构中各刚体的运动形式及相对运动的关系难以想象，目前广泛应用多媒体动画展示各种机构的运动，但是一幅幅平面动画没有实际机构缩图模型逼真直观，能随意给同学们触摸和操作，同学们对机构的结构及运动常常感觉迷惑。早期使用的实物教具，是纯钢铁式力学教具，体积大，质量重，结构固定单一，或是木制教具体积大，寿命短，费用高，功能单一，并且都不能与多媒体系统连接等等的缺点。已经不能实应现代化教学的需求。
发明内容
本发明克服了现有技术中上述缺陷，提出了一种便携组装式理论力学教具，本发明具有结构简单新颖，功能集全，通用件组装式力学教具材质好，重量轻，整个装置安装在手提箱内，教师可方便携带于课堂；在课后，学生可以自己动手进行机构的拼装，控制机构运动，以激发学生深入思考，进一步理解力学理论。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种便携组装式理论力学教具，包括质轻翻盖直角六面体手提式的箱体，所述箱体的箱盖内安装有背景主板，所述箱体的底部用PPT塑料充填分割成控制台，自动驱动装置，教具通用件收藏室和拼图简介块放置室四个部分；所述的教具通用件收藏室内放置有教具通用件；所述的拼图简介块放置室内放置有教具拼接图，可以看到各教具机构的布局和组装方法；所述的背景主板上部均布开设有能插销钉的小圆孔；所述的背景主板下部开设有水平滑道，所述的水平滑道上安装有行进驱动装置，所述的行进驱动装置与传动装置相连；所述的行进驱动装置通过线路与控制台相连；所述的箱体内还安装有摄像头；所述的摄像头通过USB接口与讲台电脑相连，把教具通用件的运动过程在教室的大屏幕中播放。
所述的背景主板为白色PE背景主板，所述的白色PE背景主板上部均布开设有能插销钉的点阵式小圆孔；小圆孔供传动装置和教具通用件在上面插入连接；所述的白色PE背景主板下部开设有3道水平滑道。
所述的行进驱动装置由涡轮蜗杆减速电机，联轴器，丝杆，拨叉，法兰螺母，步进电机组成；所述的减速电机通过联轴器与丝杆相连，所述的丝杆上套装有2个拨叉，所述的2个拨叉之间固定安装有步进电机，且所述的2个拨叉分别通过1个法兰螺母固定在丝杆上；所述的2个拨叉放置在水平滑道上，可使安装在它上面的步进电机固定在水平滑道的任意位置；所述的步进电机通过线路与控制台相连。利用涡轮蜗杆减速电机，将高回转速减速到所要的低回转速，同时可得到较大的扭矩，联轴器将丝杆与涡轮蜗杆减速电机相连，将涡轮蜗杆减速电机的转速和扭矩传递給丝杆；两个拨叉套在丝杆上，并用其固定步进电机；丝杆转动带动拨叉在水平滑道方向上的左右行进运动，从而使步进电机沿着水平滑道左右行进，将涡轮蜗杆减速电机的旋转运动转换为步进电机在背景主板下部水平滑道上的直线运动，实现了将步进电机置于背景主板下部水平滑道任意位子，以适应不同力学教具机构安装位置的需要。
所述的传动装置由主动轮，从动轮和同步带组成；所述的主动轮与从动轮之间安装有同步带，通过同步带把运动传递给从动轮3；且所述的同步带分别与主动轮、从动轮上的齿啮合相连；所述的主动轮与行进驱动装置上的步进电机的电机轴固连；所述的从动轮与教具通用件相连。教具通用件固定在从动轮上，将步进电机的转动转换为教具通用件的旋运动，实现动力传递。
所述的自动驱动装置由变压器，电位器，电压脉冲放送器，驱动芯片，手摇脉冲器，控制开关组成；所述的控制开关与变压器相连，所述的变压器与电位器相连，所述的电位器与电压脉冲放送器相连；所述的电压脉冲放送器与驱动芯片相连；所述的驱动芯片与行进驱动装置上的步进电机相连；所述的驱动芯片还与手摇脉冲器相连。其中所述的变压器将220V交流电压转换为直流低电压后，通过电位器中一个动触点在电阻体上的移动，获得电压幅值控制在0~5V之间电压部分输出，再由电压脉冲发生器将0~5V的直流电压转换为宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲，由驱动芯片接受脉冲，驱动步进电机转动。
所述的底部控制台上安装有手动控制旋钮（能顺和逆时针转动），自动手动转换旋钮，自动时转向旋钮，自动时转速高低控制旋钮；所述的手动控制旋钮，自动手动转换旋钮，自动时转向旋钮，自动时转速高低控制旋钮分别通过线路与行进驱动装置上的步进电机相连；实现各种教具机构按照教学要求进有规律的运动。
所述的教具通用件收藏室内放置有涂有各种颜色的通用教具通用件；所述的教具通用件包括连杆、齿轮、凸轮、滑块、弹簧、T型推杆、塑料垫片、底板吸铁石、带帽小杆和铁质小杆；教具通用件收藏室内放有通用化的教具通用件，教师可方便地按照拼装方法示意图在背景主板上拼装各种教具通用件。
其中所述的连杆为宽2mm,长度分别为60mm，80mm，100mm，120mm，140mm，180mm，200mm，300mm的连杆；
所述的齿轮为模数2，压力角20°，齿顶圆直径35mm，齿数22的齿轮；
所述的凸轮为基圆直径40㎜，T型推杆的推程10㎜的凸轮；凸轮与T型推杆的高副形成是依靠弹簧力的锁合；
所述的滑块为长宽为30*40㎜的滑块；滑块与连杆连接形成移动副；
所述的弹簧，弹簧运于T型推杆和连杆之间的锁紧；
所述的T型推杆与凸轮形成高副；
所述的塑料垫片为外圆直径12mm，厚2mm的塑料垫片，用于两个教具通用件之间的机械密封；
所述的底板吸铁石为直径10mm，高2mm的圆柱形底板吸铁石；
所述的带帽小杆为直径2mm，高3mm的带帽小杆。
本发明的有益效果为：能克服现有教具体积大，重量重，结构固定，功能单一，不便于拆装，不能融入多媒体教学等问题，本发明在材料上，选用材质干净安全的PE板为毛坯，由精雕机雕制出各种教具通用件和有点阵式圆孔的背景主板，教具通用件和主板表面光滑、重量轻,质量好；在功能上，该教具的教具通用件采用通用化，主板上有分布均匀的小圆孔，可根据教师授课需要快速拼装好自己所需要的力学教具，如：轮系的传动、行星齿轮机构、四杆机构、曲柄滑块机构、凸轮导杆机构、曲柄摇杆机构、矿石扎碎机构，以及各种复杂的平面机构。理论力学教学中涉及到的各个机构基本上都能拼装出来；在控制上，具有手动和自动两种选择，若选择自动，开关打开后，电流通过变压器，电位器和电压脉冲放松器转换为脉冲，由驱动芯片接受，并驱动步进电机旋转，再通过同步带传动装置转换为力学教具通用件中主动件的驱动力, 使教具机构运动。若选择手动，转动手动摇轮脉冲器，即可产生脉冲，由驱动芯片接收该脉冲。便可用手直接转动使机构运动。若转动方向开关，可变换机构主动件的转向。若选择自动，再选择速度调节和正反转开关,可调节教具通用件中主动件的运动速度的大小和方向。步进电机安装在主板底部，由于装有丝杆及其上的拨片将涡轮蜗杆电机的旋转运动转换为步进电机在导轨上的直线运动，于是可将电机置于背景主板底部任意位子，以适应不同力学教具机构安装位置的需要。在形式上，所有教具通用件和背板都安装或放在一个轻质便捷的箱体内，只要打开箱体，接通电源，拼装好所用机构，即可在箱体盖背景主板上演示机构的运动。教具箱内还安装了摄像机，通过USB接口与讲台电脑联接，把机构运动过程与多媒体教学融为一体。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的行进驱动装置示意图；
图3为本发明的传动装置示意图；
图4为本发明的转动副的拼接示意图；
图5为本发明的凸轮高副的拼接示意图；
图6为本发明的自动送料机构示意图；
图7为本发明的牛头刨床机构示意图；
图8为本发明的凸轮推杆机构示意图；
图9为本发明的行星齿轮机构示意图；
图10为本发明的曲柄摇杆机构示意图。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。如图1-3所示，本实施例的一种便携组装式理论力学教具，包括质轻翻盖直角六面体手提式的箱体1，所述箱体1的箱盖内安装有背景主板2，所述箱体1的底部用PPT塑料充填分割成控制台3，自动驱动装置4，教具通用件收藏室7和拼图简介块放置室8四个部分；所述的教具通用件收藏室7内放置有教具通用件10；所述的拼图简介块放置室8内放置有教具拼接图，可以看到各教具机构的布局和组装方法；所述的背景主板2上部均布开设有能插销钉的小圆孔11；所述的背景主板2下部开设有水平滑道12，所述的水平滑道12上安装有行进驱动装置5，所述的行进驱动装置5与传动装置6相连；所述的行进驱动装置5通过线路与控制台3相连；所述的箱体1内还安装有摄像头9；所述的摄像头9通过USB接口与讲台电脑相连，把教具通用件的运动过程在教室的大屏幕中播放。
所述的背景主板2为白色PE背景主板，所述的白色PE背景主板上部均布开设有能插销钉的点阵式小圆孔11；小圆孔供传动装置6和教具通用件10在上面插入连接；所述的白色PE背景主板2下部开设有3道水平滑道12。
所述的行进驱动装置5由涡轮蜗杆减速电机13，联轴器14，丝杆15，拨叉16，法兰螺母17，步进电机18组成；所述的减速电机13通过联轴器14与丝杆15相连，所述的丝杆15上套装有2个拨叉16，所述的2个拨叉16之间固定安装有步进电机18，且所述的2个拨叉16分别通过1个法兰螺母17固定在丝杆15上；所述的2个拨叉16放置在水平滑道12上，可使安装在它上面的步进电机18固定在水平滑道12的任意位置；所述的步进电机18通过线路与控制台3相连。利用涡轮蜗杆减速电机13，将高回转速减速到所要的低回转速，同时可得到较大的扭矩，联轴器14将丝杆15与涡轮蜗杆减速电机13相连，将涡轮蜗杆减速电机13的转速和扭矩传递給丝杆15，两个拨叉16套在丝杆15上，并用其固定步进电机18；丝杆15转动带动拨叉16在水平滑道12方向上的左右行进运动，从而使步进电机18沿着水平滑道12左右行进，将涡轮蜗杆减速电机13的旋转运动转换为步进电机18在背景主板2下部水平滑道12上的直线运动，实现了将步进电机18置于背景主板2下部水平滑道12任意位子，以适应不同力学教具机构安装位置的需要。
所述的传动装置6由主动轮19，从动轮20和同步带21组成；所述的主动轮19与从动轮20之间安装有同步带21，且所述的同步带21分别与主动轮19、从动轮20上的齿啮合相连；所述的主动轮19与行进驱动装置5上的步进电机18的电机轴固连；所述的从动轮20与教具通用件10相连；通过同步带把运动传递给从动轮20。教具通用件10固定在从动轮3上，将步进电机18的转动转换为教具通用件10的旋运动，实现动力传递。
所述的自动驱动装置4由变压器，电位器，电压脉冲放送器，驱动芯片，手摇脉冲器，控制开关组成（图中未示）；所述的控制开关与变压器相连，所述的变压器与电位器相连，所述的电位器与电压脉冲放送器相连；所述的电位器和电压脉冲放送器与驱动芯片相连，所述的驱动芯片与行进驱动装置5上的步进电机18相连；所述的驱动芯片还与手摇脉冲器相连。变压器将220V交流电压转换为直流低电压后，通过电位器中一个动触点在电阻体上的移动，获得电压幅值控制在0~5V之间电压部分输出，再由电压脉冲发生器将0~5V的直流电压转换为宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲，由驱动芯片接受脉冲，驱动步进电机18转动。
所述的底部控制台3上安装有手动控制旋钮22（能顺和逆时针转动），自动手动转换旋钮23，自动时转向旋钮24，自动时转速高低控制旋钮25；所述的手动控制旋钮22，自动手动转换旋钮23，自动时转向旋钮24，自动时转速高低控制旋钮25分别通过线路与步进电机18的控制芯片、涡轮蜗杆减速电机13相连；可自主选择自动或手动旋扭，控制步进电机旋转速度和方向，从而带动和控制教具通用件10的运动。实现各种教具通用件10按照教学要求进有规律的运动。
所述的教具通用件收藏室7内放置有涂有各种颜色的教具通用件10；所述的教具通用件10包括连杆26、齿轮27、凸轮28、滑块29、弹簧30、T型推杆31、塑料垫片32、底板吸铁石33、带帽小杆34和铁质小杆35；教具通用件收藏室7内放有通用化的教具通用件10，教师可方便地按照拼装方法示意图在背景主板2上拼装各种教具通用件10。
其中所述的连杆26为宽2mm,长度分别为60mm，80mm，100mm，120mm，140mm，180mm，200mm，300mm的连杆；
所述的齿轮27为模数2，压力角20°，齿顶圆直径35MM，齿数22的齿轮；
所述的凸轮28为基圆直径40㎜，T型推杆31的推程10㎜的凸轮；凸轮28与T型推杆31的高副形成是依靠弹簧力的锁合；
所述的滑块29为长宽为30*40MM的滑块；滑块29与连杆26连接形成移动副；
所述的弹簧30，弹簧30运于T型推杆31和连杆26之间的锁紧；
所述的T型推杆31与凸轮28形成高副；
所述的塑料垫片32为外圆直径12mm，厚2mm的塑料垫片；用于两个教具通用件之间的机械密封；
所述的底板吸铁石33为直径10mm，高2mm的圆柱形底板吸铁石；
所述的带帽小杆34为直径2mm，高3mm的带帽小杆。
教具通用件10的拼接方法有：
转动副的拼接
当两根连杆26间形成转动副时，可如图4所示方式拼接。其中带帽小杆34中的小杆可插入两根连杆26的圆孔中，且两根连杆26之间的圆孔间放置有带孔塑料垫片32，然后使带帽小杆34中的小杆与底板吸铁石33相吸，从而使两根连杆26和塑料垫片32相互压紧。使其中一根连杆26相对于另一根连杆26转动。
移动副的拼接
若连杆26与滑块29形成移动副时，可将连杆26插入到滑块29中的小孔，便可使滑块29在连杆26上做相对移动。
滑块与连杆组成转动副和移动副的拼接
连杆26与滑块29组成转动副和移动副时，首先连杆26穿过滑块29中的小孔，使滑块29可在连杆26上自由移动。滑块29上的铁质小杆36插入另一个连杆26的圆孔中，并与底板吸铁石33相吸；则滑块29与连杆26组成转动副和移动副。
凸轮高副的拼接
若凸轮28与T型推杆31之间形成高副时，可按如图5所示拼接；凸轮28由底板吸铁石2固定在背景主板2上做定轴转动，凸轮28与T型推杆31相接触；T型推杆31上的2个通孔与连杆26上的2个通孔对齐，通过2个铁质小杆35将T型推杆31和连杆26两者相连，并利用2个底板吸铁石2固定后通过弹簧30锁紧，使T型推杆31和和凸轮28之间始终保持接触。则T型杆和凸轮之间形成高副。
举例说明具体拼接结构的运动方法：
1、自动送料机构，如图6所示，
在从动轮20上安装凸轮28，凸轮28与连杆组（包括第一连杆26-1、第二连杆26-2、第三连杆26-3和第四连杆26-4）组合成组合式机构，当凸轮28转动时，推动与凸轮28相接触的T型推杆31往复运动，T型推杆31上的2个通孔与第一连杆26-1上的2个通孔对齐；通过2个铁质小杆35将T型推杆31和第一连杆26-1两者相连，其中第一连杆26-1放置在拱形孔固定件37中左右运动，拱形孔固定件37安装在背景主板2上；T型推杆31利用2个底板吸铁石2固定后通过弹簧30锁紧，通过第一连杆26-1、与第一连杆26-1相连的第二连杆26-2与第一滑块29-1中的小孔内的第三连杆26-3相连（其中第三连杆26-3作为摆杆使用，第三连杆26-3远离第一滑块29-1的一端通过底板吸铁石33固定在背景主板2上），通过第一滑块29-1上的铁质小杆36插入第四连杆26-4（作为从动件），其中第四连杆26-4放置在拱形孔固定件37中可左右运动，拱形孔固定件37安装在背景主板2上；从而带动第四连杆26-4（从动件）做周期性往复直线运动。
2、牛头刨床机构，如图7所示，
从动轮20与第五连杆26-5（作为曲柄用）相连，驱动第五连杆26-5旋转，第五连杆26-5插入在第二滑块29-2上的铁质小杆36上，第二滑块29-2中的小孔内安装有第六连杆26-6（第六连杆26-6远离第二滑块29-2的一端通过底板吸铁石33固定在背景主板2上，第六连杆26-6作为摆杆用），第六连杆26-6的另一端插入在第三滑块29-3上的铁质小杆36上，第三滑块29-3中的小孔内安装有第七连杆26-7（第七连杆26-7也作为摆杆用），第七连杆26-7插入第八连杆26-8（作为从动件）的圆孔中，其中第八连杆26-8放置在拱形孔固定件37中可左右运动，拱形孔固定件37固定安装在背景主板2上；带动第八连杆26-8（从动件）做周期性往复直线运动。
3、凸轮T型推杆机构，如图8所示，
由凸轮28和T型推杆31组合而成的组合机构。首先在从动轮20上安装凸轮28，当凸轮28转动时，推动与凸轮28相接触的T型推杆31放置在铅垂导孔固定件38中上下往复运动，其中铅垂导孔固定件38安装在背景主板2上。
4、行星齿轮机构，如图9所示，
由齿轮和系杆组合而成的组合机构。从动轮20与第一齿轮27-1固定，第一齿轮27-1与第二齿轮27-2啮合相连，且第二齿轮27-2与第九连杆26-9相连，从而由第九连杆26-9的转动带动第二齿轮27-2在第一齿轮27-1上滚动。
5、四杆机构，如图10所示，
多种连杆组合成的组合机构。从动轮20与第十连杆26-10（作为曲柄用）相连，第十连杆26-10与第十一连杆26-11相连，第十一连杆26-11与第十二连杆26-12（作为从动杆）相连，第十二连杆26-12通过底板吸铁石33固定在背景主板2上；运动时通过第十连杆26-10、第十一连杆26-11，从而带动第十二连杆26-12（从动杆）做周期性往复运动。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施事例，实际的机构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种便携组装式理论力学教具，其特征在于，包括质轻翻盖直角六面体手提式的箱体(1)，所述箱体(1)的箱盖内安装有背景主板(2)，所述箱体(1)的底部用PPT塑料充填分割成控制台(3)，自动驱动装置(4)，教具通用件收藏室(7)和拼图简介块放置室(8)四个部分；所述的教具通用件收藏室(7)内放置有教具通用件(10)；所述的拼图简介块放置室(8)内放置有教具拼接图；所述的背景主板(2)上部均布开设有能插销钉的小圆孔(11)；所述的背景主板(2)下部开设有水平滑道(12)，所述的水平滑道(12)上安装有行进驱动装置(5)，所述的行进驱动装置(5)与传动装置(6)相连；所述的行进驱动装置(5)通过线路与控制台(3)相连；所述的箱体(1)内还安装有摄像头(9)；所述的摄像头(9)通过USB接口与讲台电脑相连；所述的行进驱动装置(5)由涡轮蜗杆减速电机(13)，联轴器(14)，丝杆(15)，拨叉(16)，法兰螺母(17)，步进电机(18)组成；所述的减速电机(13)通过联轴器(14)与丝杆(15)相连，所述的丝杆(15)上套装有2个拨叉(16)，所述的2个拨叉(16)之间固定安装有步进电机(18)，且所述的2个拨叉(16)分别通过1个法兰螺母(17)固定在丝杆(15)上；所述的2个拨叉(16)放置在水平滑道(12)上；所述的步进电机(18)通过线路与控制台(3)相连；所述的底部控制台(3)上安装有手动控制旋钮(22)，自动手动转换旋钮(23)，自动时转向旋钮(24)，自动时转速高低控制旋钮(25)；所述的手动控制旋钮(22)，自动手动转换旋钮(23)，自动时转向旋钮(24)，自动时转速高低控制旋钮(25)分别通过线路与行进驱动装置(5)上的步进电机(18)、减速电机(13)相连；实现各种教具机构按照教学要求进有规律的运动。
2.根据权利要求1所述的便携组装式理论力学教具，其特征在于：所述的背景主板(2)为白色PE背景主板，所述的白色PE背景主板(2)上部均布开设有能插销钉的点阵式小圆孔(11)；所述的白色PE背景主板(2)下部开设有3道水平滑道(12)。
3.根据权利要求1所述的便携组装式理论力学教具，其特征在于：所述的传动装置(6)由主动轮(19)，从动轮(20)和同步带(21)组成；所述的主动轮(19)与从动轮(20)之间安装有同步带(21)，且所述的同步带(21)分别与主动轮(19)、从动轮(20)上的齿啮合相连；所述的主动轮(19)与行进驱动装置(5)上的步进电机(18)的电机轴固连；所述的从动轮(20)与教具通用件(10)相连。
4.根据权利要求1所述的便携组装式理论力学教具，其特征在于：所述的自动驱动装置(4)由变压器，电位器，电压脉冲放送器，驱动芯片，手摇脉冲器，控制开关组成；所述的控制开关与变压器相连，所述的变压器与电位器相连，所述的电位器与电压脉冲放送器相连；所述的电压脉冲放送器与驱动芯片相连，所述的驱动芯片分别与行进驱动装置(5)上的步进电机(18)、减速电机(13)相连；所述的驱动芯片还与手摇脉冲器相连。
5.根据权利要求1所述的便携组装式理论力学教具，其特征在于：所述的教具通用件收藏室(7)内放置有涂有各种颜色的通用教具通用件(10)；所述的教具通用件(10)包括连杆(26)、齿轮(27)、凸轮(28)、滑块(29)、弹簧(30)、T型推杆(31)、塑料垫片(32)、底板吸铁石(33)、带帽小杆(34)和铁质小杆(35)；其中所述的连杆(26)为宽2mm,长度分别为60mm，80mm，100mm，120mm，140mm，180mm，200mm，300mm的连杆；所述的齿轮(27)为模数2，压力角20°，齿顶圆直径35mm ，齿数22的齿轮；所述的凸轮(28)为基圆直径40mm ，T型推杆(31)的推程10mm 的凸轮；所述的滑块(29)为长宽为30*40mm 的滑块；所述的塑料垫片(32)为外圆直径12mm，厚2mm的塑料垫片；所述的底板吸铁石(33)为直径10mm，高2mm的圆柱形底板吸铁石；所述的带帽小杆(34)为直径2mm，高3mm的带帽小杆。
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