DE102007002636B4 - Spring damper element for flexible pipe elements - Google Patents

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Abstract

Anordnung aus einem Feder-Dämpfer-Element und einem flexiblen Leitungselement (21, 31), dadurch gekennzeichnet, dass- das Feder-Dämpfer-Element ein schlauchförmiges, dämpfendes Material (12, 41) aufweist, welches eine schraubengangförmige Torsionsfeder (11) in Bezug auf den Umfang im Wesentlichen umschließt;- das Feder-Dämpfer-Element das flexible Leitungselement (21, 31) an dessen Außenseite umgibt.Arrangement of a spring-damper element and a flexible line element (21, 31), characterized in that- the spring-damper element has a tubular, damping material (12, 41), which a helical torsion spring (11) in relation the spring-damper element surrounds the flexible line element (21, 31) on the outside thereof.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feder-Dämpfer-Element für flexible Leitungselemente. Letztere werden zum Ausgleich von Einbautoleranzen und zur Entkopplung von Betriebsschwingungen in Leitungssystemen eingesetzt. Bevorzugtes Anwendungsgebiet des hier beschriebenen Erfindungsgegenstands ist sein Einsatz in Abgasanlagen im PKW- und Nutzfahrzeug-Bereich.The invention relates to a spring-damper element for flexible line elements. The latter are used to compensate for installation tolerances and to decouple operating vibrations in pipe systems. The preferred field of application of the subject matter of the invention described here is its use in exhaust systems in the passenger car and commercial vehicle sector.

Im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen entstehen stets Schwingungen, die meist durch Unwuchten von Rotationselementen im Motor, Turbo oder in Nebenaggregaten verursacht werden. Eine weitere Anregung von Schwingungen ist durch die pulsförmigen Druckverläufe des Verbrennungsmotors gegeben, deren Perioden drehzahlabhängig sind und über die Ventile und deren Steuerung in die Abgasanlage gelangen. Neben diesen höherfrequenten Schwingungen können Frequenzen im einstelligen und kleinen zweistelligen Hertz-Bereich durch die Fahrbewegungen in Verbindung mit Fahrbahn-Unebenheiten und deren Rückkopplung in das Fahrgestell angeregt werden.In the exhaust system of motor vehicles, vibrations are always generated, which are mostly caused by unbalance of rotating elements in the engine, turbo or in ancillary units. A further stimulation of vibrations is given by the pulse-shaped pressure curves of the internal combustion engine, the periods of which are speed-dependent and reach the exhaust system via the valves and their controls. In addition to these higher-frequency vibrations, frequencies in the single-digit and small double-digit Hertz range can be excited by the driving movements in connection with uneven road surfaces and their feedback into the chassis.

Flexible Leitungselemente sollen die in die Abgasanlage induzierten Schwingungen entkoppeln. Dabei sind neben den mechanischen bzw. dynamischen Frequenzbändern ebenfalls durch Körperschall emittierte akustische Frequenzen relevant, in speziellen Fällen sogar bis hin in den Frequenzbereich von 5000 Hertz.Flexible pipe elements are intended to decouple the vibrations induced in the exhaust system. In addition to the mechanical or dynamic frequency bands, acoustic frequencies emitted by structure-borne noise are also relevant, in special cases even up to the frequency range of 5000 Hertz.

Flexible Leitungselemente bestehen meist aus metallischen Werkstoffen. Ihr Schwingungsverhalten kann somit durch ihre Massen und Federsteifigkeiten charakterisiert werden. Dämpfungseigenschaften werden oftmals durch Metallgeflechte oder Metallgestricke erzeugt. Diese Dämpfungselemente werden in vielen Fällen als ein das Entkopplungselement ummantelndes Braiding eingesetzt. Eine Variante dieser Bauart ist in DE 10 2004 025 946 A1 dargestellt. Dort wird das Dämpfungselement in Form eines ringförmigen Gestrickes an einem axialen Ende des Leitungselements angebracht. Eine weitere Variante ist in DE 200 23 409 U1 beschrieben. Im Gebrauchsmuster wird ein 2 bis 5 mm dicker Gestrickemantel außen auf die Wellungen eines Metallbalgs derart aufgebracht, dass das Material des Gestrickemantels zwischen den Bergen der Wellen radial nach innen ragt.Flexible pipe elements usually consist of metallic materials. Their vibration behavior can thus be characterized by their masses and spring stiffnesses. Damping properties are often created by metal mesh or knitted metal. These damping elements are used in many cases as a braiding that encases the decoupling element. A variant of this type is in DE 10 2004 025 946 A1 shown. There the damping element in the form of an annular knitted fabric is attached to one axial end of the line element. Another variant is in DE 200 23 409 U1 described. In the utility model, a 2 to 5 mm thick knitted jacket is applied on the outside of the corrugations of a metal bellows in such a way that the material of the knitted jacket protrudes radially inward between the peaks of the waves.

Als gasführende Elemente kommen in vielen Fällen Metallbälge mit symmetrisch zur Rotationsachse ausgebildeten Wellungen oder aber balgartige Geometrien mit einer schraubengangförmigen Kontur am Außenumfang zum Einsatz. Im Betrieb können die in die Abgasanlage induzierten Schwingungen Eigenfrequenzen in den flexiblen Leitungselementen anregen. Im Fall von Metallbälgen mit symmetrisch zur Rotationsachse ausgebildeten Wellungen sind die zu den kleinen Eigenfrequenzen zugehörigen Eigenformen oftmals in der Balgstruktur stehende Longitudinalwellen, deren Anzahl von Schwingungsknoten mit der Ordnung der Eigenfrequenz wächst. Die Höhe dieser Eigenfrequenzen sinkt mit geringer werdender Steifigkeit. Deshalb liegen die Eigenfrequenzen solcher Bauteile um so niedriger, je größer deren Durchmesser und Längen werden. Dies gilt für den PKW-Bereich, wo die oben beschriebenen Lösungen bereits seit längerem etabliert sind. Vor allem aber im Nutzfahrzeug-Bereich, in dem die Durchmesser und Längen der flexiblen Leitungselemente oftmals systembedingt größer sind, ist ein Einsatz von Metallbälgen ohne auf die spezielle Konfiguration angepasste Dämpfungselemente nicht aussichtsreich.In many cases, metal bellows with corrugations formed symmetrically to the axis of rotation or bellows-like geometries with a helical contour on the outer circumference are used as gas-carrying elements. During operation, the vibrations induced in the exhaust system can excite natural frequencies in the flexible pipe elements. In the case of metal bellows with corrugations symmetrical to the axis of rotation, the natural forms associated with the small natural frequencies are often standing longitudinal waves in the bellows structure, the number of vibration nodes increasing with the order of the natural frequency. The level of these natural frequencies decreases with decreasing stiffness. Therefore, the natural frequencies of such components are lower, the larger their diameters and lengths become. This applies to the passenger car sector, where the solutions described above have been established for a long time. Above all, however, in the commercial vehicle sector, where the diameters and lengths of the flexible line elements are often greater due to the system, the use of metal bellows without damping elements adapted to the special configuration is not promising.

Da weltweite gesetzliche Vorschriften den Schadstoff-Ausstoß von Nutzfahrzeugen zukünftig deutlich nach unten regulieren, werden Abgasanlagen zukünftig vermehrt mit Nachbehandlungsmodulen wie z.B. Russpartikel-Filtern und SCR-Systemen ausgestattet. Die Aggregate zur Abgas-Nachbehandlung schränken den im Nutzfahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraum weiter ein, so dass für jedes verbaute Element, insbesondere auch für das flexible Leitungselement, die Bauraum-Minimierung eine wichtige Gestaltungsregel ist. Parallel dazu steigt die spezifizierte Mindest-Lebensdauer signifikant.Since global legal regulations will significantly lower the pollutant emissions of commercial vehicles in the future, exhaust systems will increasingly be equipped with aftertreatment modules such as soot particle filters and SCR systems in the future. The units for exhaust gas aftertreatment further restrict the installation space available in the commercial vehicle, so that minimizing installation space is an important design rule for each built-in element, especially also for the flexible pipe element. At the same time, the specified minimum service life increases significantly.

Die Forderung nach Minimierung des Bauraums für das Gesamtsystem wird dadurch erfüllt, dass das flexible Leitungselement mit einer möglichst kleinen sowohl statischen als auch dynamischen Steifigkeit ausgelegt wird. Dies ist eine Nebenbedingung der hier beschriebenen Erfindung und bietet u.a. den Vorteil, dass eine kleine statische Steifigkeit bei vorliegenden Einbautoleranzen in das Leitungssystem zu ebenfalls kleinen Vorspannkräften und damit einhergehenden kleinen Strukturspannungen im Entkopplungselement führt. The requirement to minimize the installation space for the overall system is met in that the flexible line element is designed with the smallest possible static and dynamic rigidity. This is a secondary condition of the invention described here and offers the advantage, among other things, that a small static rigidity with existing installation tolerances in the pipe system leads to likewise small pretensioning forces and the associated small structural stresses in the decoupling element.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Element bereitzustellen, dass in Verbindung mit einem flexiblen Leitungselement zu einem System führt, welches eine ausreichende Entkopplung der Betriebsschwingungen bei gleichzeitig kleinstmöglichem Bauraum, ausreichende Eigenstabilität und eine hohe Lebensdauer bietet. Der einfache und prozesssichere Zusammenbau des Elements mit dem flexiblen Leitungselement ist eine weitere Aufgabe der Erfindung.The object of the invention is to provide an element that, in conjunction with a flexible line element, leads to a system which offers sufficient decoupling of the operating vibrations while at the same time using the smallest possible installation space, sufficient inherent stability and a long service life. The simple and reliable assembly of the element with the flexible conduit element is a further object of the invention.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Feder-Dämpfer-Element (1) gelöst. Es stellt einen Verbund aus einer Torsionsfeder (11) und einem Schlauch aus gestricktem Metallgewebe (12) dar. Dieser umgibt die Torsionsfeder auf einem Grossteil ihrer Länge. Das Feder-Dämpfer-Element (11,12) ist am Außenumfang des flexiblen Leitungselements angeordnet. In den Endbereichen liegt die Torsionsfeder frei, so dass eine vorzugsweise stoffschlüssige Anbindung an das flexible Leitungselement möglich ist.The object of the invention is achieved by a spring-damper element ( 1 ) solved. It is a composite of a torsion spring ( 11 ) and a hose made of knitted metal fabric ( 12th ). This surrounds the torsion spring over a large part of its length. The spring-damper element ( 11 , 12th ) is arranged on the outer circumference of the flexible conduit element. The torsion spring is exposed in the end regions, so that a preferably material connection to the flexible line element is possible.

Der Verbund aus einer Torsionsfeder und einem Schlauch aus gestricktem Metallgewebe weist neben den Dämpfungseigenschaften auch eine Steifigkeit auf, welche in Verbindung mit der beschriebenen, möglichst kleinen Steifigkeit des flexiblen Leitungselements, zu einer Systemsteifigkeit führt, die ausreichend groß ist, um die Eigenfrequenzen des Systems aus den Haupt-Anregungsbereichen hinaus nach oben zu verschieben. Da ferner ein flexibles Leitungselement mit kleiner Steifigkeit eine geringe Eigenstabilität hat, kann es im statischen Zustand bereits zu Fehlstellungen, z.B. zum Durchhang gemäß einer Biegelinie kommen. Die gefundene Bauform des Feder-Dämpfer-Elements umgibt das flexible Leitungselement und trägt mit seiner Steifigkeit zu einer Verbesserung der Eigenstabilität des Gesamtsystems bei.The combination of a torsion spring and a hose made of knitted metal fabric has, in addition to the damping properties, a rigidity which, in conjunction with the described, as small as possible rigidity of the flexible conduit element, leads to a system rigidity that is sufficiently high to accommodate the natural frequencies of the system to move the main areas of excitation upwards. Furthermore, since a flexible pipe element with low rigidity has a low inherent stability, misalignments can already occur in the static state, e.g. sagging according to a bending line. The found design of the spring-damper element surrounds the flexible line element and, with its rigidity, contributes to an improvement in the inherent stability of the overall system.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Positionierung des gestrickten Metallgewebes über die Torsionsfeder erfolgt. Auf diese Weise wird eine höhere Lebensdauer des Systems erzielt, da Verschleißerscheinungen am Metallgewebe nicht zum Verrutschen und somit zu einer Änderung der Dämpfungseigenschaften führen.Another advantage is that the knitted metal fabric is positioned via the torsion spring. In this way, a longer service life of the system is achieved, since signs of wear and tear on the metal mesh do not lead to slipping and thus to a change in the damping properties.

2 zeigt als mögliches Ausführungsbeispiel ein System aus einem Metallbalg (21) mit symmetrisch zur Rotationsachse ausgebildeten Wellungen. Die Enden (22) des beschriebenen Feder-Dämpfer-Elements (11,12) werden auf den rohrförmigen Endbereichen (23) vorzugsweise stoffschlüssig angebunden (25). Die Torsionsfeder kann in Abhängigkeit der dynamischen Auslegung des Gesamtsystems unterschiedliche Steigungen aufweisen. Der Innendurchmesser des Feder-Dämpfer-Elements (11,12) ist kleiner als der Außendurchmesser des Metallbalgs, so dass die Elemente nach dem Zusammenbau unter einer elastischen Vorspannung stehen. Auf diese Weise wird ein definierter Anschluss der zusätzlichen Steifigkeit und Dämpfung an den Metallbalg sichergestellt. Bei einem flexiblen Leitungselement mit schraubengangförmiger Außenkontur kann das Feder-Dämpfer-Element in der vorher beschriebenen Weise angebracht werden. 2 shows as a possible embodiment a system made of a metal bellows ( 21 ) with corrugations symmetrical to the axis of rotation. The ends ( 22nd ) of the spring-damper element described ( 11 , 12th ) are placed on the tubular end areas ( 23 ) preferably firmly bonded ( 25th ). The torsion spring can have different gradients depending on the dynamic design of the overall system. The inner diameter of the spring-damper element ( 11 , 12th ) is smaller than the outer diameter of the metal bellows, so that the elements are under elastic pretension after assembly. In this way, a defined connection of the additional rigidity and damping to the metal bellows is ensured. In the case of a flexible line element with a helical outer contour, the spring-damper element can be attached in the manner described above.

Für ein flexibles Leitungselement mit schraubengangförmiger Außenkontur (31) ist in 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei wird das Feder-Dämpfer-Element in die Täler der Wellungen (32) eingebracht, so dass sich der ursprüngliche Außendurchmesser des flexiblen Leitungselements nicht verändert. Gleichermaßen wird die Kontaktfläche zwischen flexiblem Leitungselement und Feder-Dämpfer-Element signifikant vergrößert. Das gestrickte Metallgewebe wird deutlich mehr in die Betriebsbewegungen miteinbezogen und seine Dämpfungswirkung steigt gegenüber dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel deutlich.For a flexible pipe element with a helical outer contour ( 31 ) is in 3 another embodiment shown. The spring-damper element is inserted into the valleys of the corrugations ( 32 ) introduced so that the original outer diameter of the flexible conduit element does not change. At the same time, the contact area between the flexible line element and the spring-damper element is significantly increased. The knitted metal fabric is significantly more involved in the operating movements and its damping effect increases significantly compared to the previously described embodiment.

Ein drittes Ausführungsbeispiel (4) sieht anstelle des gestrickten Metallgewebes einen temperaturbeständigen, elastomeren Werkstoff (41) vor. Dieser Werkstoff kann z.B. mittels eines Extrusions- und Biegeverfahrens in eine überlappende Form (42) gebracht werden, deren Nebenelemente eine Umhüllung des flexiblen Leitungselements erzeugen und auf diese Weise gleichermaßen eine Isolationsfunktion übernehmen.A third embodiment ( 4th ) sees a temperature-resistant, elastomeric material instead of the knitted metal fabric ( 41 ) before. This material can, for example, be converted into an overlapping shape using an extrusion and bending process ( 42 ) are brought, the secondary elements of which produce a sheath of the flexible conduit element and in this way also take on an insulating function.

In weiteren Ausführungsbeispielen sind auch Kombinationen der beschriebenen Varianten realisierbar, die als Feder-Dämpfer-Elemente entweder im Bereich der Abgasanlagen oder aber in technologisch benachbarten Bereichen Einsatz finden können. Als mögliche weitere Anwendungsfelder werden beispielhaft stationäre Motoren und Turbinen, Kraftwerke sowie die Klimatechnik genannt.In further exemplary embodiments, combinations of the variants described can also be implemented, which can be used as spring-damper elements either in the area of the exhaust systems or in technologically adjacent areas. Stationary engines and turbines, power plants and air conditioning are named as possible further fields of application.

Claims (14)

Anordnung aus einem Feder-Dämpfer-Element und einem flexiblen Leitungselement (21, 31), dadurch gekennzeichnet, dass - das Feder-Dämpfer-Element ein schlauchförmiges, dämpfendes Material (12, 41) aufweist, welches eine schraubengangförmige Torsionsfeder (11) in Bezug auf den Umfang im Wesentlichen umschließt; - das Feder-Dämpfer-Element das flexible Leitungselement (21, 31) an dessen Außenseite umgibt.Arrangement of a spring-damper element and a flexible line element (21, 31), characterized in that - the spring-damper element has a tubular, damping material (12, 41), which a helical torsion spring (11) in relation essentially enclosing the circumference; - The spring-damper element surrounds the flexible line element (21, 31) on its outside. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schlauchförmige, dämpfende Material (12) ein gestricktes Metallgewebe ist.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the tubular, damping material (12) is a knitted metal fabric. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schlauchförmige, dämpfende Material (12) eine Kombination aus gestricktem Metallgewebe mit Fäden unterschiedlichen Materials ist und vorzugsweise temperatur- und korrosionsbeständiger Stahl, Kupfer, Glasfaser, Glasseide und/oder Wolfram als Fadenwerkstoffe zum Einsatz kommen.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the tubular, damping material (12) is a combination of knitted metal fabric with threads of different materials and preferably temperature and corrosion-resistant steel, copper, glass fiber, glass silk and / or tungsten are used as thread materials. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schlauchförmige, dämpfende Material (41) ein durch Extrusion hergestelltes, temperaturbeständiges Kunststoff-Profil ist und - elastomere Werkstoffe, - glasfaserverstärkte Werkstoffe, - präkeramische oder keramische Werkstoffe, - Compound-Werkstoffe und/oder - Composite-Werkstoffe zum Einsatz kommen können.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the tubular, damping material (41) is a temperature-resistant plastic profile produced by extrusion and - elastomeric materials, - glass fiber reinforced materials, - preceramic or ceramic materials, - compound materials and / or - composite materials for Can be used. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche (22) der Torsionsfeder (11) nicht durch das dämpfende Material umschlossen sind, einen punkt- oder linienförmigen Kontakt mit den rohrförmigen Endbereichen (23) des flexiblen Leitungselements (21) haben, und vorzugsweise stoffschlüssig, ebenfalls punkt- oder linienförmig mit den rohrförmigen Endbereichen (23) verbunden sind.Arrangement according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the end regions (22) of the torsion spring (11) are not enclosed by the damping material, have point or line contact with the tubular end regions (23) of the flexible line element (21), and preferably cohesively, also point - Or are linearly connected to the tubular end regions (23). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Feder-DämpferElementes vor dem Zusammenbau kleiner ist als der Außendurchmesser des flexiblen Leitungselements (21, 31) im Kontaktbereich, so dass das zusammengebaute System unter Vorspannung steht.Arrangement according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the inner diameter of the spring-damper element before assembly is smaller than the outer diameter of the flexible line element (21, 31) in the contact area, so that the assembled system is under tension. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Feder-Dämpfer-Element als auch die Außenkontur des flexiblen Leitungselements (31) im Kontaktbereich eine schraubengangförmige Geometrie aufweisen, und das Feder-Dämpfer-Element derart in den Wellentälern (32) des flexiblen Leitungselements positioniert ist, dass sich der maximale Außendurchmesser des Gesamtsystems gegenüber dem maximalen Außendurchmesser des flexiblen Leitungselements (31) nicht vergrößert.Arrangement according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that both the spring-damper element and the outer contour of the flexible line element (31) have a helical geometry in the contact area, and the spring-damper element is positioned in the wave troughs (32) of the flexible line element in such a way that the maximum external diameter of the overall system does not increase compared to the maximum external diameter of the flexible line element (31). Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Feder-Dämpfer-Element und flexibles Leitungselement (31) vor dem Zusammenbau im Schraubengang die gleiche Steigung haben.Arrangement according to Claim 7 , characterized in that the spring-damper element and flexible line element (31) have the same pitch before being assembled in the screw thread. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Feder-Dämpfer-Element und flexibles Leitungselement (31) vor dem Zusammenbau im Schraubengang unterschiedliche Steigungen aufweisen.Arrangement according to Claim 7 , characterized in that the spring-damper element and flexible line element (31) have different pitches in the screw thread before they are assembled. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Leitungselement (21) ein Metallbalg ist, und dass das Feder-Dämpfer-Element auf dem Metallbalg mit symmetrisch zur Rotationsachse ausgeführten Wellungen so angeordnet ist, dass der maximale Außendurchmesser des Gesamtsystems um zweimal den Durchmesser des Feder-Dämpfer-Elements vergrößert ist.Arrangement according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the flexible line element (21) is a metal bellows, and that the spring damper element is arranged on the metal bellows with corrugations symmetrical to the axis of rotation so that the maximum outer diameter of the overall system is twice the diameter of the spring damper -Elements is enlarged. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Feder-Dämpfer-Element auf dem flexiblen Leitungselement (21) mit schraubengangförmig ausgeführten Wellungen so angeordnet ist, dass der maximale Außendurchmesser des Gesamtsystems um zweimal den Durchmesser des Feder-Dämpfer-Elements vergrößert ist.Arrangement according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the spring-damper element is arranged on the flexible line element (21) with helical corrugations in such a way that the maximum outer diameter of the overall system is increased by twice the diameter of the spring-damper element. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus Feder-Dämpfer-Element und flexiblem Leitungselement (21, 31) mit einer festen Umhüllung umgeben ist, beispielsweise mit einem Drahtgeflecht (Braiding) oder mit einem ein- oder mehrteiligen dünnen Blech.Arrangement according to one of the Claims 1 until 11 , characterized in that the composite of spring-damper element and flexible line element (21, 31) is surrounded with a solid cover, for example with a wire mesh (braiding) or with a one-part or multi-part thin sheet. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus Feder-Dämpfer-Element und flexiblem Leitungselement (21, 31) mit einer Schalldämmung umgeben ist.Arrangement according to one of the Claims 1 until 12th , characterized in that the composite of spring-damper element and flexible line element (21, 31) is surrounded by sound insulation. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Russfilter enthält.Arrangement according to one of the Claims 1 until 13th , characterized in that it contains a soot filter.
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