CN217908951U - 一种热能小车 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种热能小车，包括一体式车架以及设置在一体式车架上的驱动机构、皮带传动机构、齿轮传动机构和转向机构；转向机构包括凸轮、转向轮、摆杆以及蜗轮蜗杆微调组件；驱动机构的斯特林发动机通过皮带传动机构带动驱动机构的主动轮、从动轮转动，齿轮传动机构带动凸轮转动，凸轮用于带动转向轮周期性运动。本实用新型斯特林发动机将热能转化为驱动车的动能，带动主动轮旋转，从而使驱动车以合适的速度运行，主动轮轴通过齿轮组的啮合，以三级传动的方式，将能量传递到凸轮轴，带动凸轮转动，以斜推的方式直接影响推杆的摆动，从而影响和推杆装配在一起的前轮的转角，从而实现驱动车按照预定轨迹运行的目的。

Description

一种热能小车

技术领域

本实用新型涉及热能小车技术领域，具体是指一种热能小车。

背景技术

热能小车是通过斯特林发动机来驱动的小车，通过斯特林发动机将酒精燃烧的热能转化为机械能，通过纯机械传动的方式使小车按照预定轨迹行驶，是全国大学生工程实践与创新能力竞赛的一大赛项，对设计制作者的机械设计能力，运动分析能力有很大的要求。

目前已经存在的热能小车里，主要是通过连杆或者凸轮两种方式进行转向，连杆多用于简单轨迹的设计，凸轮多用于复杂轨迹的设计。大多数热能小车都是通过加工机加工零件以满足小车对尺寸精度的极高要求。

由于在热能小车的实际应用中，多采用金属机械加工件，但是这种加工件成本比较高，加工周期长，对于教学用途来讲，需要花费更多的时间和金钱，不适用与初学者对热能小车的学习和研究，因此，部分人群选择使用3D打印件的热能驱动车，但是，一些依靠3D打印件的热能驱动车由于结构设计问题造成的装配误差较大，以及普通3D打印机的打印产品尺寸误差较大，在实际运行中效果不佳。

实用新型内容

为解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种热能小车，一体式车架减小了打印时车架参数改变引起的误差，同时尽量避免3D打印件在装配过程中产生装配误差，来实现3D打印件的热能小车的平稳运行。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种热能小车，包括一体式车架以及设置在一体式车架上的驱动机构、皮带传动机构、齿轮传动机构和转向机构；

转向机构包括凸轮、转向轮、摆杆以及蜗轮蜗杆微调组件，蜗轮蜗杆微调组件用于调整转向角的转角幅度；

驱动机构的斯特林发动机通过皮带传动机构带动驱动机构的主动轮、从动轮转动，齿轮传动机构带动凸轮转动，凸轮用于带动转向轮周期性运动。

转向机构的转向轮、驱动机构的主动轮和从动轮均设置在一体式车架上，为前三点式的三轮结构，由于驱动车在轨迹规划中，是需要沿着曲线前进的，这样的情况下，两个后轮之间必定会产生差速，为了减少摩擦损耗，驱动车采用单轮驱动，一侧为主动轮，一侧为从动轮，这样效率高，传动精度高。因为在热能驱动车重心相对靠后的前提下，前三点式具有静止状态下其平稳的优势，而且在行驶中比后三点式更稳定。由于在调试和教学过程当中，需要反复对热能车进行装配，所以对车体结构提出了较高要求，采用一体化的车架，保证了结构强度，不易发生变形，同时也减少了装配流程，缩短装配时间，降低了教学门槛。而3D打印的特点也决定了车架可以比机加工的车架更容易生产，降低了教学成本。同时，3D打印具有质量轻，结构强度高等特点，可以很好的满足热能车的运行需求。

热能驱动车通过α型斯特林发动机，把液态乙醇燃烧所产生的能量，高效地转化为轮上的动能，从而使得热能驱动车得以运行，此为现有技术。出于驱动车重量，斯特林发动机效率，结构等因素，α型斯特林发动机被选用为热能驱动的能量转化装置。

具体传动过程描述如下：

首先在液态乙醇燃烧的前提下，斯特林发动机将热能转化为驱动车的动能，通过皮带传动机构将斯特林发动机的输出力矩进行放大至齿轮传动机构，带动主动轮旋转，从而使驱动车以合适的速度运行。同时，主动轮轴通过齿轮组的啮合，以三级传动的方式，将能量传递到凸轮轴，带动凸轮转动。最后凸轮通过转动，以斜推的方式直接影响推杆的摆动，从而影响和推杆装配在一起的前轮的转角，从而实现驱动车按照预定轨迹运行的目的。

作为优选，皮带传动机构包括飞轮、第一皮带轮、第一双皮带轮和第二双皮带轮，飞轮通过第一轮轴与第一皮带轮连接在斯特林发动机一侧，一体式车架上设置有第二轮轴和第三轮轴，第一双皮带轮穿设在第二轮轴，第二双皮带轮穿设在第三轮轴，第一皮带轮和第一双皮带轮、第一双皮带轮和第二双皮带轮分别通过皮带连接，主动轮和从动轮分别设置在第三轮轴两端。

第一轮轴一端与飞轮固定连接，第一轮轴的中部通过轴承转动设置在斯特林发动机一侧，第一轮轴的另一端与第一皮带轮固定连接，第二轮轴和第三轮轴分别通过轴承转动设置在一体式车架上，第一双皮带轮包括连接为一体的大轮和小轮，第二双皮带轮包括连接为一体的大轮和小轮，第一双皮带轮的大轮与第一皮带轮通过皮带连接，第一双皮带轮的小轮通过皮带与第二双皮带轮的大轮连接。酒精燃烧带动斯特林发动机运作，手动旋转飞轮，使得第一皮带轮带动第一双皮带轮旋转，第一双皮带轮带动第二双皮带轮旋转，第二双皮带带动第三轮轴旋转，第三轮轴进而带动主动轮和从动轮行进。

作为优选，皮带传动机构还包括通过皮带连接的第二皮带轮和第三双皮带轮，第二皮带轮设置在第二轮轴上并位于第一双皮带轮一侧，第三双皮带轮设置在第三轮轴上。

第三双皮带轮包括连接为一体的大轮和小轮，第二双皮带轮的小轮通过皮带与第三双皮带轮的大轮连接，第三双皮带轮的小轮通过皮带与第二皮带轮连接。

作为优选，齿轮传动机构包括依次啮合传动的一级齿轮、二级齿轮和三级齿轮，一级齿轮包括设置在第三轮轴上的第一齿轮，第一齿轮与二级齿轮的第二齿轮啮合，三级齿轮的第五齿轮与第六齿轮啮合，第六齿轮通过设置在一体式车架的第五轮轴与凸轮连接。

作为优选，二级齿轮还包括第三齿轮，第二齿轮和第三齿轮分别设置在第二轮轴的两端，且第二齿轮和第三齿轮分别设置一体式车架外侧，第三齿轮与三级齿轮的第四齿轮啮合。

二级齿轮包括第二齿轮和第三齿轮，三级齿轮包括第四齿轮和第五齿轮，第三齿轮与第四齿轮，主动轮带动第一齿轮转动，第一齿轮带动第二齿轮和第三齿轮同时转动，进而带动第四齿轮和第五齿轮同时转动，第五齿轮带动第六齿轮和凸轮同时转动，实现凸轮推动推杆带动转向轮沿凸轮的形状做周期性运动。

作为优选，一体式车架还设置有第四轮轴，第四轮轴的两端分别设置有第四齿轮和第五齿轮。

第四轮轴通过轴承转动设置在一体式车架上。

作为优选，蜗轮蜗杆微调组件包括蜗轮、蜗杆和调节座，一体式车架前端竖向设置有前轮轴，前轮轴下端与转向轮的前轮架连接，调节座设置在前轮轴上部，蜗杆设置在调节座上，蜗轮设置在前轮轴上端并与蜗杆啮合，摆杆设置在调节座靠近凸轮一侧。

前轮轴竖向穿过一体式车架前侧与转向轮的前轮架连接，转向轮的前轮架内转动设置有转向轮，调节座开设有贯穿孔，前轮轴的上端穿过贯穿孔与蜗轮固定连接，蜗轮与前轮轴之间设置有下轴套，前轮轴穿设在下轴套内与蜗轮连接，调节座一侧设置有与蜗轮相适配的蜗杆，蜗杆转动设置在调节座上，蜗杆与蜗轮啮合，蜗杆的一端设置有旋钮，用于轻微旋转蜗杆带动蜗轮转动，使摆杆与转向轮的相对位置夹角发生微小变化从而调整转向轮的转角幅度，以便驱动车在面对不同的高低的地面有更好的调整能力。因此，可以利用蜗轮蜗杆微调组件调整转向轮转角左右分配，使之趋近于左右转角相等。蜗轮蜗杆微调组件的非标零件也是使用了3D打印，有效降低生产成本，同时也易于更换损坏的部件。

作为优选，一体式车架前端设置有酒精灯架，酒精灯架位于斯特林发动机下方。

酒精灯架上设置有酒精灯，用于驱动斯特林发动机运作。

作为优选，斯特林发动机通过支架设置在一体式车架上，所述支架上开设有若干减震孔。

对比现有技术，本实用新型的有益效果在于：斯特林发动机将热能转化为驱动车的动能，通过皮带传动机构将斯特林发动机的输出力矩进行放大至齿轮传动机构，带动主动轮旋转，从而使驱动车以合适的速度运行。同时，主动轮轴通过齿轮组的啮合，以三级传动的方式，将能量传递到凸轮轴，带动凸轮转动。最后凸轮通过转动，以斜推的方式直接影响推杆的摆动，从而影响和推杆装配在一起的前轮的转角，从而实现驱动车按照预定轨迹运行的目的；

一体化的车架、齿轮传动机构和蜗轮蜗杆微调组件均采用3D打印制成，采用一体化的车架，保证了结构强度，不易发生变形，同时也减少了装配流程，缩短装配时间，降低了教学门槛；3D打印的特点也决定了车架可以比机加工的车架更容易生产，降低了教学成本；同时，3D打印具有质量轻，结构强度高等特点，可以很好的满足热能车的运行需求。

附图说明

附图1为本实用新型第一立体结构示意图；

附图2为本实用新型右视图；

附图3为本实用新型俯视图；

附图4为本实用新型第二立体结构示意图；

附图5为本实用新型齿轮传动机构结构示意图；

附图6为本实用新型一体式车架结构示意图。

附图中所示标号：1、一体式车架；2、驱动机构；201、斯特林发动机；202、主动轮；203、从动轮；3、皮带传动机构；301、飞轮；302、第一皮带轮；303、第一双皮带轮；304、第二双皮带轮；305、第二皮带轮；306、第三双皮带轮；4、齿轮传动机构；401、第一齿轮；402、二级齿轮；4021、第二齿轮；4022、第三齿轮；403、三级齿轮；4031、第四齿轮；4032、第五齿轮；404、第六齿轮；5、转向机构；501、凸轮；502、转向轮；5021、前轮架；503、摆杆；504、蜗轮蜗杆微调组件；5041、蜗轮；5042、蜗杆；50421、旋钮；5043、调节座；5044、前轮轴；6、第一轮轴；7、第二轮轴；8、第三轮轴；9、第四轮轴；10、第五轮轴；11、酒精灯架；12、支架；1201、减震孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型，如图1～6所示，一种热能小车，包括一体式车架1以及设置在一体式车架1上的驱动机构2、皮带传动机构3、齿轮传动机构4和转向机构5；

转向机构5包括凸轮501、转向轮502、摆杆503以及蜗轮蜗杆微调组件504，蜗轮蜗杆微调组件504用于调整转向角的转角幅度；

驱动机构2包括斯特林发动机201、酒精灯架11、酒精灯、主动轮202和从动轮203。斯特林发动机201通过螺栓与3D打印的一体式车架1连接，主动轮202通过打印的法兰盘与主动轮202轴固定，从动轮203同样连接打印的法兰盘，通过轴承与主动轮202轴相连，实现小车的差动。斯特林发动机201通过皮带传动机构3带动驱动机构2的主动轮202、从动轮203转动，齿轮传动机构4带动凸轮501转动，凸轮501用于带动转向轮502周期性运动。

转向机构5的转向轮502、驱动机构2的主动轮202和从动轮203均设置在一体式车架1上，为前三点式的三轮结构，由于驱动车在轨迹规划中，是需要沿着曲线前进的，这样的情况下，两个后轮之间必定会产生差速，为了减少摩擦损耗，驱动车采用单轮驱动，一侧为主动轮202，一侧为从动轮203，这样效率高，传动精度高。因为在热能驱动车重心相对靠后的前提下，前三点式具有静止状态下其平稳的优势，而且在行驶中比后三点式更稳定。由于在调试和教学过程当中，需要反复对热能车进行装配，所以对车体结构提出了较高要求，采用一体化的车架，保证了结构强度，不易发生变形，同时也减少了装配流程，缩短装配时间，降低了教学门槛。而3D打印的特点也决定了车架可以比机加工的车架更容易生产，降低了教学成本。同时，3D打印具有质量轻，结构强度高等特点，可以很好的满足热能车的运行需求。

热能驱动车通过α型斯特林发动机201，把酒精燃烧所产生的能量，高效地转化为轮上的动能，从而使得热能驱动车得以运行，此为现有技术。出于驱动车重量，斯特林发动机201效率，结构等因素，α型斯特林发动机201被选用为热能驱动的能量转化装置。

皮带传动机构3包括飞轮301、第一皮带轮302、第一双皮带轮303、第二双皮带轮304、第二皮带轮305和第三双皮带轮306，飞轮301通过第一轮轴6与第一皮带轮302连接在斯特林发动机201一侧，一体式车架1上设置有第二轮轴7和第三轮轴8，第一双皮带轮303穿设在第二轮轴7，第二双皮带轮304穿设在第三轮轴8，第一皮带轮302和第一双皮带轮303、第一双皮带轮303和第二双皮带轮304分别通过皮带连接，主动轮202和从动轮203分别设置在第三轮轴8两端。

第一轮轴6一端与飞轮301固定连接，第一轮轴6的中部通过轴承转动设置在斯特林发动机201一侧，第一轮轴6的另一端与第一皮带轮302固定连接，第二轮轴7和第三轮轴8分别通过轴承转动设置在一体式车架1上，第一双皮带轮303包括连接为一体的大轮和小轮，第二双皮带轮304包括连接为一体的大轮和小轮，第一双皮带轮303的大轮与第一皮带轮302通过皮带连接，第一双皮带轮303的小轮通过皮带与第二双皮带轮304的大轮连接。酒精燃烧带动斯特林发动机201运作，手动旋转飞轮301，使得第一皮带轮302带动第一双皮带轮303旋转，第一双皮带轮303带动第二双皮带轮304旋转，第二双皮带带动第三轮轴8旋转，第三轮轴8进而带动主动轮202和从动轮203行进。

第二皮带轮305和第三双皮带轮306通过皮带连接，第二皮带轮305设置在第二轮轴7上并位于第一双皮带轮303一侧，第三双皮带轮306设置在第三轮轴8上。

第三双皮带轮306包括连接为一体的大轮和小轮，第二双皮带轮304的小轮通过皮带与第三双皮带轮306的大轮连接，第三双皮带轮306的小轮通过皮带与第二皮带轮305连接。

齿轮传动机构4包括依次啮合传动的一级齿轮、二级齿轮402和三级齿轮403，一级齿轮包括设置在第三轮轴8上的第一齿轮401，第一齿轮401与二级齿轮402的第二齿轮4021啮合，三级齿轮403的第五齿轮4032与第六齿轮404啮合，第六齿轮404通过设置在一体式车架1的第五轮轴10与凸轮501连接。第五轮轴10的两侧通过轴承转动设置在一体式车架1上，第五轮轴10的末端连接凸轮501和凸轮501法兰盘，凸轮501和凸轮501法兰盘通过螺丝螺母紧固，然后再用顶丝固定凸轮501法兰盘和凸轮501轴，实现三者的紧固。

二级齿轮402包括第二齿轮4021和第三齿轮4022，第二齿轮4021和第三齿轮4022分别设置在第二轮轴7的两端，且第二齿轮4021和第三齿轮4022分别设置一体式车架1外侧，第三齿轮4022与三级齿轮403的第四齿轮4031啮合。

三级齿轮403包括第四齿轮4031和第五齿轮4032，第三齿轮4022与第四齿轮4031，主动轮202带动第一齿轮401转动，第一齿轮401带动第二齿轮4021和第三齿轮4022同时转动，进而带动第四齿轮4031和第五齿轮4032同时转动，第五齿轮4032带动第六齿轮404和凸轮501同时转动，实现凸轮501推动推杆带动转向轮502沿凸轮501的形状做周期性运动。

一体式车架1还设置有第四轮轴9，第四轮轴9的两端分别设置有第四齿轮4031和第五齿轮4032，第四轮轴9通过轴承转动设置在一体式车架1上。

凸轮501的结构，以环形轨迹为例，环形轨迹的周期长度大约为11.25m，而后轮的直径大小大约为130mm-160mm之间，所以设计传动比为24，从而得到后轮直径为149.213mm。而从斯特林机的输出端到皮带传动机构3，再到主动轮202的轮轴的减速比经计算得出为：101。

主动轮202的轮轴启动转矩公式：

计算有T1＝0.004376Nm，符合斯特林机的输出范围。对车轮而言，其滚动摩擦力矩：f＝M/R＝N×δ(其中，M为摩擦力矩，R为车轮半径，N为正压力，δ为滚动摩擦系数)在滚动摩擦力矩恒定的情况下，R越大，f越小。由此可见轮子越大，其受到阻力越小。结合小车的实际传动比，小车后轮直径选取为149.213mm。

除了齿轮、光轴、轴承等承重和传动结构可以直接在市场上购买到相应零件以外，其余的非标结构都是通过3D打印实现，同时也秉承“一体化”的设计理念，大大缩短了装配时间，同时也降低了生产成本，更加适用于教学用途，让学生能够“人手一部”，从而提高学生的学习效率

蜗轮蜗杆微调组件504包括蜗轮5041、蜗杆5042和调节座5043，一体式车架1前端竖向设置有前轮轴5044，前轮轴5044下端与转向轮502的前轮架5021连接，调节座5043设置在前轮轴5044上部，蜗杆5042设置在调节座5043上，蜗轮5041设置在前轮轴5044上端并与蜗杆5042啮合，摆杆503设置在调节座5043靠近凸轮501一侧。

前轮轴5044竖向穿过一体式车架1前侧与转向轮502的前轮架5021连接，转向轮502的前轮架5021内转动设置有转向轮502，调节座5043开设有贯穿孔，前轮轴5044的上端穿过贯穿孔与蜗轮5041固定连接，蜗轮5041与前轮轴5044之间设置有下轴套，前轮轴5044穿设在下轴套内与蜗轮5041连接，调节座5043一侧设置有与蜗轮5041相适配的蜗杆5042，蜗杆5042转动设置在调节座5043上，蜗杆5042与蜗轮5041啮合，蜗杆5042的一端设置有旋钮50421，用于轻微旋转蜗杆5042带动蜗轮5041转动，使摆杆503与转向轮502的相对位置夹角发生微小变化从而调整转向轮502的转角幅度，以便驱动车在面对不同的高低的地面有更好的调整能力。因此，可以利用蜗轮蜗杆微调组件504调整转向轮502转角左右分配，使之趋近于左右转角相等。蜗轮蜗杆微调组件504的非标零件也是使用了3D打印，有效降低生产成本，同时也易于更换损坏的部件。

一体式车架1前端设置有酒精灯架11，酒精灯架11位于斯特林发动机201下方。酒精灯架11上设置有酒精灯，用于驱动斯特林发动机201运作。

斯特林发动机201通过支架12设置在一体式车架1上，所述支架12上开设有若干减震孔1201，减震孔1201用于支架12、一体式车架1上的减震。

具体传动过程描述如下：

首先在酒精灯燃烧的前提下，斯特林发动机201将热能转化为驱动车的动能，通过皮带传动机构3将斯特林发动机201的输出力矩进行放大至齿轮传动机构4，带动主动轮202旋转，从而使驱动车以合适的速度运行。同时，主动轮202轴通过齿轮组的啮合，以三级传动的方式，将能量传递到第五轮轴10，带动凸轮501转动。最后凸轮501通过转动，以斜推的方式直接影响推杆的摆动，从而影响和推杆装配在一起的前轮的转角，从而实现驱动车按照预定轨迹运行的目的。

应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

Claims (9)

1.一种热能小车，其特征在于：包括一体式车架(1)以及设置在一体式车架(1)上的驱动机构(2)、皮带传动机构(3)、齿轮传动机构(4)和转向机构(5)；

所述转向机构(5)包括凸轮(501)、转向轮(502)、摆杆(503)以及蜗轮蜗杆微调组件(504)，所述蜗轮蜗杆微调组件(504)用于调整转向角的转角幅度；

所述驱动机构(2)的斯特林发动机(201)通过皮带传动机构(3)带动驱动机构(2)的主动轮(202)、从动轮(203)转动，所述齿轮传动机构(4)带动凸轮(501)转动，所述凸轮(501)用于带动转向轮(502)周期性运动。

2.根据权利要求1所述的一种热能小车，其特征在于：所述皮带传动机构(3)包括飞轮(301)、第一皮带轮(302)、第一双皮带轮(303)和第二双皮带轮(304)，所述飞轮(301)通过第一轮轴(6)与第一皮带轮(302)连接在斯特林发动机(201)一侧，所述一体式车架(1)上设置有第二轮轴(7)和第三轮轴(8)，所述第一双皮带轮(303)穿设在第二轮轴(7)，所述第二双皮带轮(304)穿设在第三轮轴(8)，所述第一皮带轮(302)和第一双皮带轮(303)、第一双皮带轮(303)和第二双皮带轮(304)分别通过皮带连接，所述主动轮(202)和从动轮(203)分别设置在第三轮轴(8)两端。

3.根据权利要求2所述的一种热能小车，其特征在于：所述皮带传动机构(3)还包括通过皮带连接的第二皮带轮(305)和第三双皮带轮(306)，所述第二皮带轮(305)设置在第二轮轴(7)上并位于第一双皮带轮(303)一侧，所述第三双皮带轮(306)设置在第三轮轴(8)上。

4.根据权利要求1所述的一种热能小车，其特征在于：所述齿轮传动机构(4)包括依次啮合传动的一级齿轮、二级齿轮(402)和三级齿轮(403)，所述一级齿轮包括设置在第三轮轴(8)上的第一齿轮(401)，所述第一齿轮(401)与二级齿轮(402)的第二齿轮(4021)啮合，所述三级齿轮(403)的第五齿轮(4032)与第六齿轮(404)啮合，所述第六齿轮(404)通过设置在一体式车架(1)的第五轮轴(10)与凸轮(501)连接。

5.根据权利要求4所述的一种热能小车，其特征在于：所述二级齿轮(402)还包括第三齿轮(4022)，所述第二齿轮(4021)和第三齿轮(4022)分别设置在第二轮轴(7)的两端，且所述第二齿轮(4021)和第三齿轮(4022)分别设置一体式车架(1)外侧，所述第三齿轮(4022)与三级齿轮(403)的第四齿轮(4031)啮合。

6.根据权利要求3所述的一种热能小车，其特征在于：所述一体式车架(1)还设置有第四轮轴(9)，所述第四轮轴(9)的两端分别设置有第四齿轮(4031)和第五齿轮(4032)。

7.根据权利要求3所述的一种热能小车，其特征在于：所述蜗轮蜗杆微调组件(504)包括蜗轮(5041)、蜗杆(5042)和调节座(5043)，所述一体式车架(1)前端竖向设置有前轮轴(5044)，所述前轮轴(5044)下端与转向轮(502)的前轮架(5021)连接，所述调节座(5043)设置在前轮轴(5044)上部，所述蜗杆(5042)设置在调节座(5043)上，所述蜗轮(5041)设置在前轮轴(5044)上端并与蜗杆(5042)啮合，所述摆杆(503)设置在调节座(5043)靠近凸轮(501)一侧。

8.根据权利要求1所述的一种热能小车，其特征在于：所述一体式车架(1)前端设置酒精灯架(11)，所述酒精灯架(11)位于斯特林发动机(201)下方。

9.根据权利要求1所述的一种热能小车，其特征在于：所述斯特林发动机(201)通过支架(12)设置在一体式车架(1)上，所述支架(12)上开设有若干减震孔(1201)。

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