DE102005023006A1 - Nockenwellenverstelleinrichtung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstelleinrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
- Es ist bekannt, dass sich bei Nockenwellenverstelleinrichtungen aus Summiergetriebe und Drehaktor das Nockenwellenantriebsmoment am Stelleingang abstützt. Das abzustützende Basismoment ergibt sich dabei aus dem tatsächlichen Nockenwellenmoment dividiert durch die Übersetzung des Summiergetriebes. Der mit dem Stelleingang verbundene Stellaktor, etwa ein Elektromotor oder eine Bremse, muss ständig das abzustützende Moment aufbringen. Soll von der Nockenwelle zusätzlich ein Nebenaggregat, beispielsweise eine Hochdruck-Einspritzpumpe angetrieben werden, dann vergrößert sich auch das abzustützende Moment am Stelleingang mit der Folge, dass der Stellaktor größer dimensioniert werden muss. Leistungsaufnahme und, bei einer passiven Nockenwellenverstelleinrichtung mit einer Bremse, Bremsverluste vergrößern sich entsprechend. Es wird daher allgemein bevorzugt, Nebenaggregate nicht durch die Nockenwelle anzutreiben.
- Aus dem Patent
US 5,234,088 A1 ist eine Nockenwellenverstelleinrichtung bekannt, bei der eine Kupplung in Serie zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle geschaltet ist. Einem konstanten Moment, das von Reibungseffekten herrührt, sind von der Kurbelwelle herrührende zyklische Momentenschwankungen überlagert, die zur Phasenverstellung der Nockenwelle genutzt werden, indem diese entsprechend abgebremst oder beschleunigt wird. Falls die Nockenwellenverstelleinrichtung in einem Antriebsstrang eingesetzt wird, bei der die Momentenschwankungen klein genug sind, so dass ein Summenmoment aus Schwankungen und konstantem Moment insgesamt positiv ist, kann parallel zu der Nockenwellenverstelleinrichtung ein in eine Drehrichtung vorgespanntes Federelement angeordnet sein, das das konstante Moment ganz oder teilweise kompensiert, so dass die positiven und negativen Anteile der Momentenschwankungen ganz der Nockenwellenverstelleinrichtung zum Beschleunigen oder Abbremsen der Nockenwelle zur Verfügung stehen. Bei einem geringeren konstanten Moment, wenn die Momentenschwankungen auch im Summenmoment negative Anteile ergeben, kann das Federelement entfallen. Das Federelement soll neben dem durch Reibungseffekte erzeugten Moment zusätzlich auch Momente kompensieren, die von anderen durch die Nockenwelle angetriebenen Komponenten als den von der Nockenwelle betätigten Ventilen herrühren. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nockenwellenverstelleinrichtung anzugeben, die es zulässt, Nebenaggregate über die Nockenwelle unabhängig von einer Verstellrichtung und ohne wesentliche Erhöhung des von der Nockenwellenverstelleinrichtung abzustützenden Moments anzutreiben, sowie eine Nockenwellenanordnung dazu anzugeben.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
- Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
- Die erfindungsgemäße Nockenwellenverstelleinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittelbar oder unmittelbar zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle ein Federelement angeordnet ist, dessen Federmoment so ausgelegt ist, dass ein Lastmoment eines von der Nockenwelle zusätzlich anzutreiben den Aggregats wenigstens teilweise kompensierbar ist. Das Federelement hebt nur einen Teil des gesamten Nockenwellenantriebsmoments auf, bestehend aus einem Basismoment und einem Lastmoment. Das Lastmoment eines Aggregats besteht in der Regel aus einem drehzahlabhängigen mittleren Moment mit überlagerten Schwingungen, deren Amplitude ebenfalls drehzahlabhängig sein kann. Kompensiert werden vorzugsweise ein aus dem drehzahlabhängigen mittleren Lastmoment gewonnenes Moment des zusätzlichen Aggregats und gegebenenfalls ein Teil des mittleren Nockenwellenantriebsmoments (Basismoment). Sind mehrere Aggregate durch die Nockenwelle anzutreiben, wird deren Summenmoment herangezogen. Dabei ist das Federelement mit seinem an der Nockenwelle angreifenden Federmoment so ausgelegt, dass höchstens ein Teil des Basisantriebsmoments kompensierbar ist. Das Federelement ist jedoch immer so ausgelegt, dass es nicht das gesamte Nockenwellenantriebsmoment aufheben kann, im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen mit Rückstellfedern, deren Funktion darin besteht, eine Nockenwellenverstelleinrichtung ohne aktive Gegenwirkung des Stellaktors in vorgegebenen Positionen, wie Endanschlag oder Mittelposition, festzuhalten.
- Ist ein Verstellgetriebe vorgesehen, ergibt sich je nachdem, zwischen welchen Wellen das Federelement angeordnet ist, das entsprechende geeignete Federmoment. Befindet sich das Federelement beispielsweise zwischen einem Stelleingang des Verstellgetriebes und der Antriebswelle, ist das Federmoment gleich dem zu kompensierenden Moment, insbesondere Lastmoment, dividiert durch die Übersetzung des Verstellgetriebes. Befindet sich das Federelement zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle, ist das Federmoment gleich dem zu kompensierenden Moment. Unter der mittelbaren Anordnung des Federelements zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle ist zu verstehen, dass das Federelement zwischen zwei der Wellen des Verstell getriebes, also insbesondere zwischen Stellwelle und Antriebswelle oder Stellwelle und Abtriebswelle, angeordnet ist. Das Federelement kann alternativ unmittelbar zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle angeordnet sein.
- Bei einer getriebelosen Nockenwellenverstelleinrichtung ist das Federelement unmittelbar zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle angebracht. Der Stellaktor bringt das gesamte Nockenwellenantriebsmoment auf.
- Vorteilhaft ist bei einem aktiv wirkenden Stellaktor das Federelement so ausgelegt, dass sich in vorgegebenen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine ein im Mittel günstiger Kraftstoffverbrauch ergibt. Besonders bevorzugt ist bei einem aktiv wirkenden Stellaktor das Federelement so ausgelegt, dass ein mittleres Lastmoment, gegebenenfalls dividiert durch eine Getriebeübersetzung eines Verstellgetriebes, kompensierbar ist. Eine Verstellung erfolgt lediglich durch das Moment des Stellaktors, das mittlere Moment der Nockenwelle wird im Gegensatz zu passiven Stellaktoren nicht zur Verstellung genutzt. Es ergibt sich eine vorteilhafte Verbrauchseinsparung in den entsprechenden Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine.
- Im Unterschied zum aktiv wirkenden Stellaktor wird das mittlere Nockenwellenantriebsmoment bei einem passiv wirkenden Stellaktor zur Verstellung genutzt, so dass die Kompensation durch das Federelement nur so stark sein sollte, dass die Verstelleigenschaften der Nockenwellenverstelleinrichtung noch den Anforderungen genügen können. Dies wird vorteilhaft dadurch erreicht, dass das Federelement so ausgelegt ist, dass höchstens ein minimales mittleres Lastmoment, gegebenenfalls dividiert durch eine Getriebeübersetzung eines Verstellgetriebes, kompensierbar ist. Wäre das Federmoment hö her, würde sich beispielsweise die Verstellgeschwindigkeit verschlechtern. Zum Halten einer Phasenlage bringt der Stellaktor das mittlere Nockenwellenantriebsmoment (Basismoment) auf einschließlich des Lastmoments, dividiert durch die Übersetzung eines Verstellgetriebes, falls ein solches vorgesehen ist. Beim passiven Stellaktor, etwa einer Bremse, erzeugt dies eine entsprechende Verlustleistung. Die Verlustleistung kann durch das Federelement minimiert werden. Bezogen auf eine Getriebeübersetzung eines etwaig vorhandenen Verstellgetriebes ergibt sich für das Federmoment des Federelements, dass, bezogen auf die gleiche Getriebeübersetzung bei passiv wirkenden Stellaktoren in der Regel niedriger ist als das Federmoment bei aktiv wirkenden Stellaktoren.
- Bei einer günstigen ersten Ausgestaltung ist zwischen Antriebswelle und Nockenwelle ein Verstellgetriebe vorgesehen, wobei das Federelement zwischen einer Stellwelle des Verstellgetriebes und der Antriebswelle oder zwischen der Stellwelle und der Nockenwelle oder auch zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle angeordnet ist. Das Verstellgetriebe ist vorzugsweise als Summiergetriebe ausgebildet.
- Vorzugsweise kann der aktive Stellaktor als Elektromotor ausgebildet sein. Der Elektromotor kann in beide Drehrichtungen antreiben und bremsen.
- Optional kann der passive Stellaktor als Bremse ausgebildet sein, vorzugsweise als berührungslos arbeitende Bremse wie etwa eine Hysteresebremse oder eine Wirbelstrombremse. Das Verstellgetriebe ist dann vorzugsweise als Minusgetriebe ausgebildet.
- Bei einer alternativen zweiten Ausgestaltung ist bei einem in Reihe zwischen Antriebswelle und Nockenwelle angeordneten Stellaktor das Federelement zwischen Antriebswelle und Nockenwelle angeordnet. Bei einer solchen getriebelosen Ausführung wird das Wechselmoment der Nockenwelle zur Verstellung genutzt. Vorteilhaft kann der aktive Stellaktor als Hydraulik-Schwenkmotor, etwa mit Flügelzellen oder als Druckkolben mit Schrägverzahnung, ausgebildet sein. Der passive Stellaktor kann vorteilhaft als hydraulischer Steller mit Rückschlagventilen oder als mechanische Freilaufeinrichtung ausgebildet sein.
- Eine vorteilhafte Bauweise ergibt sich, wenn das Federelement als Drehfeder ausgebildet ist.
- Besonders kompakt kann die erfindungsgemäße Anordnung ausgeführt sein, wenn das Federelement als Drehstab innerhalb der Nockenwelle angeordnet ist. Diese Weiterbildung kann sowohl für getriebelose als auch für Nockenwellenverstelleinrichtungen mit Verstellgetriebe eingesetzt werden.
- Bei einer erfindungsgemäßen Nockenwellenanordnung ist in deren Inneren ein Federelement angeordnet, wobei das Federelement bevorzugt als Drehstab ausgebildet sein kann.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
- Dabei zeigen:
-
1a , b; eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Nockenwellenverstelleinrichtung mit Summiergetriebe und Stellaktor mit zusätzlich anzutreibendem Aggregat an der Nockenwelle (a) und eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten getriebelosen Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem in Reihe geschalteten Stellaktor, -
2a –d; eine bevorzugte Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem Verstellgetriebe mit einem Federelement zwischen Stellwelle und Antriebswelle (a), mit einem Federelement zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle (b) und mit einem Federelement zwischen Stellwelle und Abtriebswelle (c), sowie eine bevorzugte getriebelose Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem Federelement zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle (d), -
3 eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung mit einem Drehstab als Federelement, und -
4a , b; den drehzahlabhängigen Verlauf eines mittleren Lastmoments eines durch die Nockenwelle anzutreibenden Aggregats mit einem Verlauf eines Federmoments für aktive Stellaktoren (a) und für passive Stellaktoren (b). - In den Figuren sind funktionell gleich wirkende Elemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
- Die
1a und1b stellen zum besseren Verständnis der Erfindung Prinzipdarstellungen einer Nockenwellenverstelleinrichtung10 mit einem Summiergetriebe12 und einem Stellaktor11 mit einem zusätzlich anzutreibenden Aggregat21 an einer Nockenwelle13 (1a ) und einer bevorzugten getriebelosen Nockenwellenverstelleinrichtung10 (1b ) dar. Um das Aggregat21 anzutreiben, muss die Nockenwelle13 neben ihrem Basismoment zum Betätigen der Ventilanordnung15 ein Lastmoment aufbringen, so dass das Nockenwellenantriebsmoment ansteigt, wenn keine weiteren Maßnahmen getroffen werden. Eine Kurbelwelle23 treibt über ein Antriebsmittel19 , etwa eine Kette oder einen Riemen, eine Antriebswelle16 der Nockenwellenverstelleinrichtung10 und damit die Nockenwelle13 an. An einer Abtriebswelle17 der Nockenwellenverstelleinrichtung10 schließt sich die Nockenwelle13 an. Die Nockenwelle13 betätigt mit ihrer Nockenanordnung14 eine Ventilanordnung15 einer nicht näher ausgeführten Brennkraftmaschine. Der in1a gezeigte Stellantrieb11 greift mit einer Stellwelle18 in ein zwischen Antriebswelle16 und Abtriebswelle17 angeordnetes Verstellgetriebe12 ein, um eine Phasenlage zwischen der Kurbelwelle23 und der Nockenwelle13 so zu verstellen, dass Ventile der Ventilanordnung15 früher oder später betätigt werden. In der getriebelosen Ausgestaltung gemäß1b ist der Stellaktor11 der Nockenwellenverstelleinrichtung10 dagegen mit der Kurbelwelle23 in Reihe geschaltet. - In den
2a –2d sind verschiedene Ausgestaltungen von bevorzugten Nockenwellenverstelleinrichtungen10 illustriert, bei denen ein Federelement20 in jeweils unterschiedlicher weise angeordnet ist. Die2a –2c betreffen eine Nockenwellenverstelleinrichtung10 gemäß1a mit einem vorzugsweise als Summiergetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe12 , während2d eine getriebelose Nockenwellenverstelleinrichtung nach1b betrifft. - Ein Federelement
20 verspannt jeweils zwei der drei Wellen des als Summiergetriebes ausgebildeten Verstellgetriebes12 . In2a greift ein passiv oder aktiv wirkender Stellaktor11 mit einer Stellwelle18 in das Verstellgetriebe12 , das zwischen einer Antriebswelle16 , die von einer Kurbelwelle23 (1 ) angetrieben ist, und einer Abtriebswelle17 angeordnet ist. An die Abtriebswelle17 schließt sich eine Nockenwelle13 an (1 ). Ein Federelement20 ist zwischen der Stellwelle18 und der Antriebswelle16 angeordnet und verspannt beide gegeneinander. Ein zusätzliches Lastmoment eines Aggregats21 (1 ) kann dadurch kompensiert werden. Das Federelement20 wird so ausgelegt, dass dessen Federmoment das Lastmoment dividiert durch eine Übersetzung des Verstellgetriebes12 ergibt. In2b ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der das Federelement20 zwischen Antriebswelle16 und Abtriebswelle17 angeordnet ist. Das Federmoment entspricht dem Lastmoment.2c zeigt eine Ausgestaltung, bei der das Federelement20 zwischen Stellwelle18 und Abtriebswelle17 angeordnet ist und diese gegeneinander verspannt. Das Federmoment ergibt sich wiederum als Lastmoment dividiert durch die Übersetzung des Verstellgetriebes12 . - In der getriebelosen Ausführung nach
2d verspannt das Federelement20 die Antriebswelle16 gegenüber der Abtriebswelle17 , wobei das Federmoment dem Lastmoment entspricht. - Eine bevorzugte Ausgestaltung der Nockenwellenverstelleinrichtung
10 und einer bevorzugten Nockenwellenanordnung mit einer Nockenwelle13 mit einer Nockenanordnung14 ist der3 zu entnehmen. Die Ausgestaltung eignet sich sowohl für Nockenwellenverstelleinrichtungen10 mit Verstellgetriebe12 als auch für getriebelose Nockenwellenverstelleinrichtungen10 . - Eine Nockenwellenverstelleinrichtung
10 umfasst ein bevorzugt als Summiergetriebe ausgebildetes Verstellgetriebe12 mit einem bevorzugt als Drehaktor ausgebildeten Stellaktor11 . Das Verstellgetriebe12 ist als Planetengetriebe ausgebildet. Eine Stellwelle18 ist mit einem nicht näher bezeichneten Sonnenrad des Verstellgetriebes12 verbunden, auf dem nicht näher bezeichnete Planetenräder abrollen, die gleichzeitig mit einer Innenverzahnung einer als Hohlrad ausgebildeten Antriebswelle16 in Eingriff sind, welche die Anordnung konzen trisch umgibt und an deren Antriebswelle17 sich die Nockenwelle13 anschließt. - Im Inneren der Nockenwelle
13 ist ein als Drehstab ausgebildetes Federelement20 angeordnet, die mit einem Ende24 in das Verstellgetriebe12 eingreift und mit der Antriebswelle16 verbunden ist und mit ihrem entgegengesetzten Ende in der Nockenwelle13 festgelegt ist. - Die
4a und4b zeigen Schaubilder, anhand derer erläutert werden kann, wie das Federelement20 mit seinem Federmoment in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen für einen passiv oder aktiv wirkenden Stellaktor ausgelegt werden kann. Die Bezugszeichen der Komponenten beziehen sich auf die vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. - In den Schaubildern ist jeweils das mittlere Lastmoment M des Aggregats
21 , oder auch mehrerer Aggregate21 , in Abhängigkeit von der Nockenwellendrehzahl n aufgetragen, jeweils ohne überlagerte Wechselmomente. Das mittlere Lastmoment M ist drehzahlabhängig und fällt zunächst über der Drehzahl n ab, um nach einem breit ausgebildeten Minimum wieder leicht anzusteigen. Ist der Stellaktor11 aktiv wirkend, beispielsweise als Elektromotor bei einer Nockenwellenverstelleinrichtung10 mit Verstellgetriebe12 oder ein Hydraulik-Schwenkmotor bei einer getriebelosen Nockenwellenverstelleinrichtung10 , so ist nach4a bevorzugt das Federelement20 so ausgelegt, dass dessen an der Nockenwelle13 wirkendes Federmoment dem Mittelwert M1 des mittleren Lastmoments M entspricht. - Wirkt der Stellaktor
11 dagegen passiv, etwa als Bremse bei einer Nockenwellenverstelleinrichtung10 mit Verstellgetriebe12 oder einem hydraulischem Stellaktor11 mit Rückschlagventil oder mit schaltbaren Freiläufen bei einer getriebelosen Nockenwellenverstelleinrichtung10 , so ist nach4b bevorzugt das Federelement20 so ausgelegt, dass dessen an der Nockenwelle13 wirkendes Federmoment höchstens dem Minimalwert M2 des mittleren Lastmoments M entspricht.
Claims (14)
- Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem Stellaktor (
11 ) zum Verstellen einer Phasenlage einer Nockenwelle (13 ) gegenüber einer Kurbelwelle (18 ) einer Brennkraftmaschine, wobei die Nockenwelle (13 ) über eine Antriebswelle (16 ) durch die Kurbelwelle (23 ) antreibbar ist und ein Basisantriebsmoment der Nockenwelle (13 ) durch den Stellaktor (11 ) abstützbar oder aufbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittelbar oder unmittelbar zwischen der Nockenwelle (13 ) und der Kurbelwelle (23 ) ein Federelement (20 ) angeordnet ist, dessen Federmoment so ausgelegt ist, dass ein mittleres Lastmoment (M) eines von der Nockenwelle (13 ) zusätzlich anzutreibenden Aggregats (21 ) wenigstens teilweise kompensierbar ist, wobei höchstens ein Teil des Basisantriebsmoments kompensierbar ist. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktiv wirkenden Stellaktor (
11 ) das Federelement (20 ) so ausgelegt ist, dass sich in vorgegebenen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine ein im Mittel günstiger Kraftstoffverbrauch ergibt. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktiv wirkenden Stellaktor (
11 ) das Federelement (20 ) so ausgelegt ist, dass das Federmoment ein aus einem drehzahlabhängigen Verlauf des mittleren Lastmoments (M) gewonnener Mittelwert (M1) des mittleren Lastmoments (M), gegebenenfalls dividiert durch eine Getriebeübersetzung, kompensiert. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem passiv wirkenden Stellaktor (
11 ) das Federelement (20 ) so ausgelegt ist, dass das Federmoment höchstens ein aus einem drehzahlabhängigen Verlauf des mittleren Lastmoments (M) gewonnener Minimalwert (M2) des mittleren Lastmoments (M), gegebenenfalls dividiert durch eine Getriebeübersetzung, kompensierbar ist. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Antrieb (
16 ) und Nockenwelle (13 ) ein Verstellgetriebe (12 ) vorgesehen ist, wobei das Federelement (20 ) zwischen einer Stellwelle (18 ) des Verstellgetriebes (12 ) und der Antriebswelle (16 ) oder zwischen der Stellwelle (18 ) und der Nockenwelle (13 ) angeordnet ist. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Stellaktor (
11 ) als Bremse ausgebildet ist. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Stellaktor (
11 ) als Elektromotor ausgebildet ist. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem in Reihe zwischen Antriebswelle (
16 ) und Nockenwelle (13 ) angeordneten Stellaktor (11 ) das Federelement (20 ) zwischen Antriebswelle (16 ) und Nockenwelle (13 ) angeordnet ist. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Stellaktor (
11 ) als Hydraulik-Schwenkmotor ausgebildet ist. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Stellaktor (
11 ) ein Rückschlagventil und/oder einen schaltbaren Freilauf aufweist. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (
20 ) als Drehfeder ausgebildet ist. - Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (
20 ) als Drehstab innerhalb der Nockenwelle (13 ) angeordnet ist. - Nockenwellenanordnung mit einer Nockenwelle (
13 ), dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Nockenwelle ein Federelement (20 ) angeordnet ist. - Nockenwellenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (
20 ) als Drehstab ausgebildet ist.
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