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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Dämpfungskraft
eines stufenlos regelbaren halbaktiven Schwingungsdämpfers
zwischen einer Karosserie und einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs
nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
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Um
den Kompromiss zwischen einem komfortablen Fahrwerk mit wenig Dämpfung
und einem agilen Fahrwerk mit viel Dämpfung zu verbessern, werden
nach dem Stand der Technik regelbare Schwingungsdämpfer
eingesetzt. Diese bestehen aus einem passiven Dämpfer in
Verbindung mit einem elektrisch kontinuierlich verstellbaren Ventil,
das die Dämpfung sowohl in Zug-, als auch in Druckrichtung
beeinflusst. Für diese, so genannte, semi-aktive Dämpfertechnologie
wurden zunehmend schneller arbeitende Ventile entwickelt, die über
den Stromwert die gewünschten Kennlinien genügend
dynamisch, das heißt mit hochfrequent wechselndem Stellstrom, im
Bereich von aufbaufrequenten Schwingungen mit 1–2 Hz und
im Bereich von auf radfrequenten Schwingungen mit 10–15
Hz bereitstellen können.
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Ein
häufig verwendetes Regelverfahren basiert auf einer Skyhook-Regelung,
die für die Schwingungsrichtungen des Kraftfahrzeugs, Ein-
bzw. Ausfedern, Wanken und Nicken versucht, eine Dämpfungskraft
proportional zu der Aufbaugeschwindigkeit v-Aufbau zu erzeugen.
Die gewünschte Dämpfungskraft F-Soll kann dann über
ein inverses Dämpferkennfeld in einen Sollstrom umgewandelt
werden. Die Dämpferregelung besteht so aus einer Fahrzeugregelung
und einer Umsetzung der gewünschten Dämpferkraft
in eine Soll-Bestromung (siehe 1).
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Ein
solches inverses Dämpferkennfeld, nach dem Stand der Technik,
hat die zwei Eingangsvariabeln Kraft F-Soll und Geschwindigkeit
v-Rel und als Ausgang den Strom I-Soll. Dieser kann, abhängig von
den beiden Eingangs-Werten auf unterschiedliche Weise berechnet
werden. Man kann hierbei entsprechend 2 vier unterschiedliche
Felder (bzw. Bereiche) unterscheiden:
Im Feld 1 (normaler Regelbereich)
wird der Strom I-Soll entsprechend der Kraftanforderung F-Soll bei gemessener
Geschwindigkeit v-Rel zwischen den Stromgrenzen I-weich und I-hart,
für weiche bzw. harte Dämpfungseinstellung, aus
dem inversen Kennfeld ausgelesen. Im Feld 2 kann die zu niedrige
Kraftanforderung F-Soll am Schwingungsdämpfer nicht eingestellt
werden, deshalb stellt man diesen dann so weich wie kennfeldmäßig
möglich (I-Soll = I-weich). Im Feld 3 kann dann wiederum
die zu hohe Kraftanforderung F-Soll am Schwingungsdämpfer
nicht eingestellt werden, deshalb stellt man diesen dann so hart
wie kennfeldmäßig möglich (I-Soll = I-hart). Letztendlich
befinden sich noch die Felder 4 in den 2 „aktiven” Quadranten.
Hier kann man nur mit einem Fahrwerk mit aktiven Schwingungsdämpfern
und nicht mit semi-aktiven Dämpfern den Anforderungen gerecht
werden. Die Schwingungsdämpfer sollen in diesen Feldern
per Festlegung so weich wie möglich eingestellt werden.
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Bei
der Skyhookregelung nach dem Stand der Technik ist es wichtig, dass
wenn die Richtung der Dämpfergeschwindigkeit nicht mit
der Richtung der Aufbaugeschwindigkeit übereinstimmt, die Dämpfung
auf Null bzw. auf minimal gesetzt wird (bei semi-aktiver Dämpfing
gibt es keine „negative” oder aktive Dämpfung).
Dieses ist auch beschrieben in der
EP 0426 339 B1 , insbesondere
10.
Wo man bei voll-aktiver Dämpfung alle vier Quadranten im Kraft-Geschwindigkeits-Raum
benutzen kann, muss man sich bei semi-aktiver Dämpfung
auf die 2 passiven Quadranten einschränken, in denen Kraft
und Geschwindigkeit das gleiche Vorzeichen haben. Zum Beispiel,
wenn der Aufbau wegen einer Schwellenüberfahrt sich nach
oben bewegt und man bräuchte dann, entsprechend der Skyhookregelung,
eine Dämpfungskraft nach unten gerichtet (Schwingungsdämpferzugkraft).
Da sich der Dämpfer aber noch in einer Druckbewegung befindet,
ist eine minimale Dämpfung, idealerweise keine Dämpfung,
erwünscht.
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Wie
3,
aus der
EP 0538 965
A , zeigt, wird eine Dämpferkraft bei der Skyhookregelung
mit 2-Quadrantenregelung, also semi-aktiver Regelung, nur geregelt,
wenn die Dämpferkraft, hier proportional zu der Aufbaugeschwindigkeit
v-Aufbau, und Relativgeschwindigkeit v-Rel das gleiche Vorzeichen besitzen.
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Hierzu
werden laut Stand der Technik die Vorzeichen der Kraftanforderung
F-Soll, bei der Skyhookregelung ist F-Soll v-Aufbau, und der Relativgeschwindigkeit
v-Rel mit einander verglichen. Bei ungleichen Vorzeichen wird dann
auf minimale Dämpfung geschaltet, das heißt der
ausgewählte Stellstrom Iweich stellt
den Schwingungsdämpfer auf weich. v-Rel × F-Soll < 0 → minimale Dämpfung (1)
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Zur
Berechnung der Relativgeschwindigkeit v-Rel sind verschiedene Möglichkeiten
bekannt. Die
EP 0321
078 B1 ,
EP
0318 139 B1 und
DE 41
12 603 benutzen einen Relativwegsensor, das heißt,
die Relativgeschwindigkeit zwischen Aufbau und Rad wird über
einen Differentiator abgeleitet, dargestellt in
4.
In der
DE 43 02 884 wird
die Relativgeschwindigkeit zwischen Aufbau und Rad über
einen Integrator berechnet aus den Messwerten zweier Vertikalbeschleunigungsaufnehmer,
positioniert auf der gefederten und der ungefederten Masse, wie
in
5 dargestellt.
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Beim
vorgenannten Stand der Technik ist von Nachteil, dass die Bewegung
zwischen gefederter und ungefederter Masse nicht identisch ist zu
der Bewegung des Schwingungsdämpfers. Einerseits gibt es
eine nicht lineare Beziehung wegen der nicht linearen Übersetzung
des Schwingungsdämpfers, aber die kann algebraisch kompensiert
werden. Andererseits gibt es eine zeitliche Verschiebung wegen der
Elastizität der Verbindungskörper. Der nachgiebigste
Verbindungskörper des Schwingungsdämpfers ist
das Stützlager, das zum Einen die kardanische Bewegung
des Rades gegenüber dem Schwingungsdämpfer kompensiert
und zum Anderen eine Art von mechanischem Tiefpassfilter mit dem Schwingungsdämpfer
bildet, zum Beispiel aus akustischem Grund. Wenn also die Relativgeschwindigkeit
v-Rel zwischen gefederter und ungefederter Masse als Stellsignal
für den regelbaren Schwingungsdämpfer benutzt
wird, wird dieses Signal schon wegen der Feder-Dämpferkombination
gegenüber der wirklichen Dämpfergeschwindigkeit
v-Dmp zeitlich versetzt sein.
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Als
Beispiel ist in den 6 und 7 für eine
radfrequente Schwingung die Dämpfergeschwindigkeit v-Dmp
zusammen mit der Relativgeschwindigkeit v-Rel zwischen gefederter
und ungefederter Masse gezeigt. Für diesen Fall würden
auf Basis der im Regler wegen Signalverarbeitung leicht verzögerten
Relativgeschwindigkeit v-Rel-Regler, Ts = 6 ms, die Schaltvorgänge
von Weich auf Hart und umgekehrt gesteuert. Dabei treten Unstetigkeiten beim
Schalten des Schwingungsdämpfers um den Nulldurchgang von
v-Rel-Regler auf.
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Diese
Unstetigkeiten entstehen, weil der Befehl auf Basis des Nulldurchgangs
der Relativgeschwindigkeit nicht synchron mit dem Nulldurchgang der
Dämpfergeschwindigkeit geschieht. Diese Sprünge
führen dann zu kleinen Stößen, die in
vielen Fällen den Komfort und sogar die Akustik, insbesondere
durch Auftreten von Schaltgeräuschen, beeinträchtigen.
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Um
ungewünschte Stöße mit Nachteilen für Komfort
und eventuell auch Akustik zu vermeiden bzw. abzuschwächen,
besteht die Möglichkeit, die Schaltvorgänge zu
verzögern oder in Amplitude oder Rate abzuschwächen,
entsprechend der
EP
0538 965 A . Leider steht beim Einbringen einer zeitlichen Verschiebung
zur Verbesserung des Schaltvorganges hart zu weich eine Verschlechterung
des Schaltvorganges weich zu hart gegenüber und umgekehrt. Aus
diesem Grund wird die Funktion der regelbaren Dämpfer manchmal
stark eingeschränkt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung von
Schwingungsdämpfern in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen,
das so verbessert ist, dass oben genannte Nachteile vermieden werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Dämpfungskraft
eines stufenlos regelbaren, halbaktiven Schwingungsdämpfers
zwischen einer Karosserie und einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass als Führungsgröße
eine relative Geschwindigkeit (v-Dmp) der Dämpferkolbenstange
zum Dämpferrohr oder eine Dämpfungskraft (F-Dmp)
auf die Dämpferkolbenstange oder ein Differenzdruck (p-Zug – p-Druck)
aus beidseitig eines Schwingungsdämpferkolbens in Arbeitskammern
eines Schwingungsdämpferzylinders herrschenden Kammerdrücken
zur Anwendung kommt.
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Die
Vorteile dieser Erfindung betreffen eine Verfeinerung der Schaltgleichung
anhand der Signale, was einen zeitgenaueren Schaltvorgang ermöglicht.
Die bessere Zeitgenauigkeit verringert die Wahrscheinlichkeit eines
Auftretens von Unstetigkeiten bzw. Stößen in der
Dämpferkraft was der Dämpferfunktion in Komfort
und Akustik zugute kommt. Andere, nicht erfindungsgemäße
Vorgehensweisen, die eher auf künstliche Verzögerung
oder Abschwächung des Schaltvorganges wirken, beschränken
zugleich unnötig die volle Funktion der geregelten Dämpfung
oder sind nicht effektiv im Reduzieren der Stößigkeit.
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Mit
der Erfindung geht eine Verbesserung des Schaltvorganges einher,
weil anstatt der Relativgeschwindigkeit vRel zwischen gefederter
und ungefederter Masse in der Schaltgleichung, die wirkliche Dämpfergeschwindigkeit
vDmp (ohne die Bewegung des Stützlagers) verwendet wird.
Die Schaltgleichung lautet dann: vDmp × FSoll < 0 → minimale Dämpfung
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Das
heißt, das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Schwingungsdämpfer auf minimale Dämpfungskraft
gestellt wird, wenn das Produkt aus der gewünschten Dämpfungskraft
(F-Soll) und der Führungsgröße negativ
ist.
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Dabei
gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten die Dämpfergeschwindigkeit,
also die Führungsgröße, zu bestimmen.
Entweder über einen Wegsensor zwischen Rad und Kolbenstange
des Dämpfers und die erste Ableitung des ermittelten Wegs
oder über zwei Vertikalbeschleunigungsaufnehmer, wobei der
erste am Rad befestigt ist und der zweite an der Kolbenstange. Die
Integration der Differenz ergibt dann die Dämpfergeschwindigkeit.
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Als
Alternative kann auch folgende Schaltgleichung verwendet werden:
FDmp × FSoll < 0 → minimale
Dämpfung Dafür ist zu ermitteln, wie sich die aktuelle
Dämpferkraft FDmp gegenüber der gewünschten
Dämpferkraft FSoll verhält. Diese Schaltgleichung
hat den Vorteil, dass man damit auch zusätzlich die Stelldynamik
des hydraulischen Dämpfers berücksichtigt. Die
Dämpferkraft wird bei hochfrequenten Anregungen der realen
Dämpfergeschwindigkeit auch einen bestimmten Betrag nacheilen.
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Die
Dämpfereigene Dynamik resultiert aus der Kompressibilität
vom Dämpferöl und der Elastizität der
Dämpferröhre. Zusätzlich könnte
man auch die Dynamik des elektrischen Ventilstromkreises betrachten.
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Hinsichtlich
des Komforts und der Akustik ist ein Schaltvorgang des regelbaren
Dämpferventiles synchron mit dem Nulldurchgang der Dämpferkraft optimal.
Die auftretenden Stöße sind dann minimal bzw.
treten sogar gar nicht mehr auf. Der Kraftaufnehmer sollte vorteilhafterweise
im Pfad der Kraftketten positioniert werden, das heißt,
zwischen gefederter Masse (Aufbau oder Karosse) und Stützlager,
zwischen Stützlager und Dämpfer (Kolbenstange)
oder zwischen Dämpfer und ungefederter Masse (Rad oder
Radträger).
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Alternativ
zum Kraftaufnehmer ist es auch möglich, die Drücke
im Dämpfer zu vermessen. Um zu wissen ob die Dämpferkraft
das Vorzeichen wechselt, kann man schauen welche Drücke
am höchsten sind. Während der Zugphase ist der
Druck oberhalb der Kolben am höchsten, während
der Druckphase ist der Druck unterhalb der Kolben am höchsten.
Der Zeitpunkt, zu dem die beiden Drücke gleich sind, stimmt überein
mit dem Nulldurchgang der Dämpferkraft. Die Schaltgleichung
ist dann folgende: (pZug – pDruck) × FSoll < 0 → minimale Dämpfung
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Ein
Steuergerät kann den Nulldurchgang der Führungsgröße,
insbesondere aus der relativen Geschwindigkeit (v-rel) zwischen
Karosserie und Fahrwerk, entweder über ein kennliniengestütztes
Berechnungsmodell oder über ein algebraisches Berechnungsmodell,
insbesondere durch im Steuergerät hinterlegte Berechnungsformeln,
berechnen.
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Die
obige Beschreibung und Folgendes bezieht sich auch auf die Figuren
zum Stand der Technik 1 bis 7 und zur Erfindung 8 bis 12. Die schematische
Darstellung und die Verwendung der Formelzeichen nach DIN
1301 macht die Figuren für den Fachmann vor dem
Hintergrund dieser Beschreibung selbsterklärend, deshalb
wird auf die Verwendung von Bezugsziffern verzichtet. Es zeigen:
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1:
Eine Dämpferregelung, bestehend aus Fahrzeugregler und
Umsetzung der gewünschten Dämpferkraft in eine
Soll-Bestromung,
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2:
ein inverses Dämpferkennfeld mit 4 unterschiedlichen Wirkungsmodis:
1-normaler Steuerbetrieb, 2-Bestromung für minimale Dämpfung, 3-Bestromung
für maximale Dämpfung, 4-aktiver Quadrant,
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3:
eine 2-Quadranten-Skyhook-Regelung aus
EP 053 89 65 A2 . Bei dieser
semi-aktiven Regelung wird die Dämpferkraft nur gesteuert,
wenn diese (proportional v-Aufbau) und die Relativgeschwindigkeit
v-Rel das gleiche Vorzeichen besitzen,
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4:
eine Messung der Relativgeschwindigkeit mittels eines Wegesensors
zwischen gefederter und ungefederter Masse,
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5:
eine Messung der Relativgeschwindigkeit mittels zweier Beschleunigungssensoren
auf gefederter und ungefederter Masse,
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6:
Relativgeschwindigkeit vRel, vRel + Verzögerung vRel_Regler
und Dämpfergeschwindigkeit vDmp bei einer radfrequenten
Anregung,
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7:
Dämpfergeschwindigkeit versus Relativgeschwindigkeit bei
einer radfrequenten Anregung,
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8:
eine Dämpferregelung mit Dämpfergeschwindigkeit
anstatt Relativgeschwindigkeit,
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9:
eine Messung der Dämpfergeschwindigkeit mittels eines Wegesensors
zwischen Dämpferkolbenstange und ungefederter Masse,
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10:
eine Messung der Dämpfergeschwindigkeit mittels zweier
(Vertikal-)Beschleunigungssensoren auf Kolbenstange und ungefederter Masse,
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11:
eine Messung der Dämpferkraft mittels eines Kraftaufnehmers,
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12:
eine Kraftgesteuerte 2-Quadranten Dämpferregelung,
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13:
eine Messung des jeweiligen Drucks in den Dämpferkammern,
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14:
eine Druckgesteuerte 2-Quadranten Dämpferregelung und
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15:
eine 2-Quadranten Dämpferregelung mit Beobachter für
die Dämpfergeschwindigkeit.
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Alle
oben angeführten Schaltgleichungen tragen dazu bei, die
auftretende Stößigkeit bei Schaltvorgängen,
die ursächlich in der 2-Quadranten-Regelung der semi-aktiven
Dämpfung liegt, auf ein Minimum zu reduzieren. Hierzu kann
man die benötigten Steuersignale direkt von einem Sensor
oder mehreren Sensoren holen oder man kann, mit etwas weniger Genauigkeit,
diese über ein Modell, ein so genanntes Beobachtermodell,
aus der vorhandenen relativen Geschwindigkeit v-Rel rekonstruieren.
Hierbei geht man folgenderweise vor: Ein Fahrzeugregler (zum Beispiel
Skyhook) berechnet anhand von mehreren Eingangssignalen (zum Beispiel
Aufbauvertikalbeschleunigungen) eine erwünschte Dämpferkraft F-Soll.
Zusammen mit der Dämpfergeschwindigkeit kann man dann über
ein inverses Dämpferkennfeld die zu stellende Ventilbestromung
berechnen. Die Dämpfergeschwindigkeit holt man sich aus
der Differenz der Relativgeschwindigkeit v-Rel zwischen gefederter
und ungefederter Masse und der Geschwindigkeit des Stützlagers.
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Die
Geschwindigkeit des Stützlagers wird aus der Bewegung des
Stützlagers über deren Ableitung bestimmt. Die
Bewegung des Stützlagers wird anhand der inversen Kennlinie
des Stützlagers aus der Dämpferkraft berechnet.
Die Dämpferkraft wird dann wiederum über ein Dämpferkennfeld
mit der eingestellten Dämpferbestromung und Dämpfergeschwindigkeit
bestimmt. Zur Verfeinerung kann man Verzögerungsglieder,
zum Beispiel ein PT1-Glied, hinzufügen um die Dynamik des
Dämpfers, Stromkreises und/oder Stützlagers abzubilden.
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Der
Block „Inverses Kennfeld” beinhaltet einerseits
die Invertierung des Kennfeld F = F(v, l) zu I = I(v, FSoll) und
andererseits die 2-Quadrantenregelung für die Skyhookregelung.
Diese steuert den Strom auf eine Weichstellung des Dämpfers
wenn Geschwindigkeit und Sollkraft ein verschiedenes Vorzeichen
haben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0426339
B1 [0005]
- - EP 0538965 A [0006, 0012]
- - EP 0321078 B1 [0008]
- - EP 0318139 B1 [0008]
- - DE 4112603 [0008]
- - DE 4302884 [0008]
- - EP 0538965 A2 [0028]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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