DE102013203028A1 - Hydrostatic displacement unit of e.g. construction machines for use in e.g. mobile space, comprises electronic displacement controller that is included with additional intelligent function such that adjustment device is controlled - Google Patents

Hydrostatic displacement unit of e.g. construction machines for use in e.g. mobile space, comprises electronic displacement controller that is included with additional intelligent function such that adjustment device is controlled Download PDF

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Abstract

The displacement unit (10) comprises a rotary hydrostatic displacement engine (11) whose displacement is variable using an electromechanical adjustment device (12). An electronic displacement controller (13) is included with an additional intelligent function comprising an integrated temperature measurement, prognostic health and load cycle monitoring, traction control, and atmospheric pressure, acceleration and position measurement such that the adjustment device is controlled. A micro-electro-mechanical-system (MEMS) sensor is integrated into the displacement engine.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Verdrängereinheit mit einer rotierenden Verdrängermaschine, deren Hubvolumen mit Hilfe einer elektromechanischen Verstelleinrichtung veränderbar ist, und mit einem elektronischen Verdrängersteuergerät, von dem die Verstelleinrichtung ansteuerbar ist.The invention relates to a hydrostatic displacer unit with a rotating displacement machine whose stroke volume is variable by means of an electromechanical adjustment device, and with an electronic displacement control device, by which the adjusting device can be controlled.

Derartige hydrostatische Verdrängereinheiten sind aus der Patentliteratur bekannt. Beispielhaft sei auf die DE 43 27 651 C2 , die DE 10 2005 037 620 A1 , US 5, 073,091 verwiesen.Such hydrostatic displacement units are known from the patent literature. Exemplary is on the DE 43 27 651 C2 , the DE 10 2005 037 620 A1 . US 5,073,091 directed.

Der Erfindung liegt die Zielsetzung zugrunde, eine hydrostatische Verdrängereinheit mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiter zu entwickeln, dass ihre Funktionalität erweitert ist.The invention is based on the objective to develop a hydrostatic displacer unit with the features of the preamble of claim 1 so that their functionality is expanded.

Dieses Ziel wird mit einer hydrostatischen Verdrängereinheit die eine rotierende hydrostatische Verdrängermaschine, deren Hubvolumen mit Hilfe einer elektromechanischen Verstelleinrichtung veränderbar ist, und ein elektronisches Verdrängersteuergerät aufweist, dass in das Verdrängersteuergerät mindestens eine intelligente Zusatzfunktion implementiert ist. Das Verdrängersteuergerät kann im Hinblick auf die Verdrängermaschine insbesondere der Ansteuerung der Verstelleinrichtung dienen, kann aber auch Überwachungsfunktionen oder Aufzeichnungsfunktionen mit automatischer oder angeforderter Ausgabe von Informationen haben. This object is achieved with a hydrostatic displacement unit which has a rotating hydrostatic displacement machine whose displacement is variable by means of an electromechanical adjustment device, and an electronic displacement control device that is implemented in the positive displacement control device at least one intelligent additional function. The displacer control device can in particular serve the control of the adjustment device with regard to the displacement machine, but can also have monitoring functions or recording functions with automatic or requested output of information.

Insbesondere sind aus folgender Liste eine einzige Zusatzfunktion oder mehrere Zusatzfunktionen in beliebiger Kombination implementiert:

  • • integrierte Temperaturmessung;
  • • Diagnose;
  • • Condition Monitoring;
  • • Prognostic Health Monitoring;
  • • Load Cycle Monitoring;
  • • Remote Control;
  • • integrierter Generator;
  • • WebServer, IoTs;
  • • Power management;
  • • ABS-Funktion;
  • • Traktionskontrolle;
  • • Kompassfunktion;
  • • Gyrometer für Trajektorien;
  • • Messung des Luftdrucks (Atmosphärendrucks);
  • • Messung der Beschleunigung (z.B. Fahrzeugbeschleunigung);
  • • Messung der Lage,
  • • Grenzlastregelung.
In particular, the following list implements a single additional function or several additional functions in any combination:
  • • integrated temperature measurement;
  • • diagnosis;
  • • condition monitoring;
  • • Prognostic Health Monitoring;
  • • load cycle monitoring;
  • • Remote Control;
  • Integrated generator;
  • • Web servers, IoTs;
  • • power management;
  • • ABS function;
  • • traction control;
  • • compass function;
  • • gyrometer for trajectories;
  • • measuring the atmospheric pressure (atmospheric pressure);
  • • measurement of acceleration (eg vehicle acceleration);
  • • measuring the situation
  • • Limit load control.

Es wird also vorgeschlagen, durchaus auch Funktionen in das Verdrängersteuergerät zu integrieren, die nicht unmittelbar oder in erster Linie der Steuerung der Verdrängermaschine dienen müssen. Es sind dies vor allem die Funktionen Power management, ABS-Funktion, Traktionskontrolle, Kompassfunktion, Gyrometer für Trajektorien, Messung des Luftdrucks (Atmosphärendrucks), Messung der Beschleunigung, Messung der Lage oder andere intelligente Zusatzfunktionen, die mit der Steuerung der Maschine in erster Linie nichts zu tun haben. Allerdings können diese Funktionen zur Ansteuerung oder zumindest zur Adaption der Verdrängereinheit verwendet werden. Kennt man beispielsweise den Atmosphärendruck, so kann das Saugverhalten der Verdrängermaschine in gebirgigen Regionen entsprechend angepasst werden. Auch an das Ergebnis einer Beschleunigungsmessung kann das Verhalten der Verdrängermaschine adaptiert werden.It is therefore proposed to integrate functions in the positive displacement control device, which do not have to serve directly or primarily the control of the positive displacement machine. These are mainly the functions of power management, ABS function, traction control, compass function, gyrometer for trajectories, measurement of air pressure (atmospheric pressure), measurement of acceleration, measurement of position or other intelligent additional functions associated with the control of the machine in the first place have nothing to do. However, these functions can be used to control or at least to adapt the displacer unit. If one knows, for example, the atmospheric pressure, then the suction behavior of the displacement machine in mountainous regions can be adapted accordingly. The behavior of the displacement machine can also be adapted to the result of an acceleration measurement.

Vorteilhafterweise ist das Verdrängersteuergerät an oder in der Verdrängermaschine integriert.Advantageously, the displacement control device is integrated on or in the displacement machine.

Die für die vorhandenen Zusatzfunktionen benötigten Sensoren und Auswertelektronik (en) sind bevorzugt in die Verdrängermaschine integriert oder an der Verdrängermaschine platziert.The sensors and evaluation electronics (s) required for the existing additional functions are preferably integrated in the displacement machine or placed on the displacement machine.

Bevorzugt sind auch inertiale Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) als integrierte Sensoren vorhanden.Preference is also given to inertial micro-electro-mechanical systems (MEMS) as integrated sensors.

Eine erfindungsgemäße hydrostatische Verdrängereinheit kann sowohl im mobilen Bereich, zum Beispiel bei Baumaschinen, Land- und Forstmaschinen, Hybridfahrzeugen, als auch im Industriebereich verwendet werden. In industriellen Anwendungen werden gegebenenfalls einige intelligente Zusatzfunktionen nicht benötigt. A hydrostatic displacement unit according to the invention can be used both in the mobile sector, for example in construction machines, agricultural and forestry machines, hybrid vehicles, as well as in the industrial sector. In industrial applications, some intelligent additional functions may not be needed.

Durch die Erfindung wird also eine hydrostatische Verdrängereinheit in zum Beispiel Antriebssystemen oder Arbeitshydrauliken mit intelligenten Zusatzfunktionen geschaffen, wie zum Beispiel Condition Monitoring, ABS-Funktionen und Traktionskontrollfunktionen für hydraulische Fahrantriebe, Atmosphärendruckerfassung, Kompassfunktionen, usw. Die Einheit ist in der Endanwendung Teil eines Gesamtsystems, zum Beispiel Teil eines hydraulischen Fahrantriebs, mit Zusatzfunktionen. Durch die Zusatzfunktionen kann das Steuer- und Regelverhalten de hydrostatischen Verdrängereinheit in der Applikation angepasst werden. Bisher können Condition Monitoring Funktionen nur mit hohem Aufwand und teuren Zusatzsensoren an der Verdrängereinheit realisiert werden. ABS- und Traktionskontrollfunktionen werden derzeit in zentralen elektronischen Steuergeräten in der Applikation (zum Beispiel Baumaschine) implementiert.The invention thus provides a hydrostatic displacement unit in, for example, drive systems or working hydraulics with additional intelligent functions, such as condition monitoring, ABS functions and traction control functions for hydraulic traction drives, atmospheric pressure sensing, compass functions, etc. The unit is part of an overall system in the end application, For example, part of a hydraulic traction drive, with additional functions. The additional functions can be used to adapt the control and regulating behavior of the hydrostatic displacement unit in the application. So far, condition monitoring functions can only be realized with great effort and expensive additional sensors on the displacer unit. ABS and traction control functions are currently implemented in central ECUs in the application (for example, construction equipment).

Gemäß der Erfindung werden intelligente Zusatzfunktionen, wie zum Beispiel ABS- und Traktionskontrollfunktionen; Luftdruckmessung (Atmosphärendruck) in einem elektronischen Verdrängersteuergerät (integriert an/in Verdrängermaschine und mit dieser eine intelligente hydrostatische Verdrängereinheit bildend) implementiert. Die dazu benötigten Sensoren und die Auswerteelektronik(en) und somit auch die Auswertemethodik(en) sind an/in der Verdrängermaschine platziert/integriert. Eine erfindungsgemäße Verdrängereinheit bildet mit anderen Komponenten ein komplettes System, zum Beispiel einen hydraulischen Fahrantrieb mit Zusatzfunktionen und einem adaptierten Verhalten der Verdrängermaschine.According to the invention, intelligent additional functions, such as ABS and traction control functions; Air pressure measurement (atmospheric pressure) in an electronic Displacement control unit (integrated on / in positive displacement machine and with this an intelligent hydrostatic displacement unit forming) implemented. The required sensors and the evaluation electronics (s) and thus also the evaluation method (s) are placed / integrated on / in the displacement machine. A displacer unit according to the invention forms with other components a complete system, for example a hydraulic drive with additional functions and an adapted behavior of the displacer.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing.

Gemäß der Zeichnung bilden eine hydrostatische Verdrängermaschine, die beispielsweise als Verdrängerpumpe 11 für einen geschlossenen hydraulischen Kreislauf ausgebildet ist und deren Hubvolumen von einem maximalen positiven Wert über null bis zu einem maximalen negativen Wert durch eine elektromechanischen Verstelleinrichtung 12 verstellbar ist, und ein elektronisches Verdränger-steuergerät 13 eine hydrostatischen Verdrängereinheit 10. Dies ist durch die gestrichelte Umrahmung angedeutet. Die Verdrängermaschine kann zum Beispiel eine Axialkolbenmaschine oder Radialkolbenmaschine sein. Die Verstellbarkeit des Hubvolumens über null bedeutet, dass die Förderrichtung der Verdrängerpumpe unter Beibehaltung der Drehrichtung einer Antriebswelle umgekehrt werden kann.According to the drawing form a hydrostatic displacement machine, for example, as a positive displacement pump 11 is designed for a closed hydraulic circuit and whose stroke volume from a maximum positive value above zero to a maximum negative value by an electromechanical adjusting device 12 adjustable, and an electronic Verdränger-control unit 13 a hydrostatic displacement unit 10 , This is indicated by the dashed frame. The positive displacement machine may be, for example, an axial piston or radial piston machine. The adjustability of the stroke volume above zero means that the conveying direction of the positive displacement pump can be reversed while maintaining the direction of rotation of a drive shaft.

Die Verstelleinrichtung 12 umfasst einen doppelt wirkenden Verstellkolben 15 und ein elektrische oder elektrohydraulisch proportional betätigbares 4/3 Wegeventil oder Regelventil 16. The adjusting device 12 includes a double-acting adjusting piston 15 and an electrically or electrohydraulically proportional actuatable 4/3 way valve or control valve 16 ,

Die Verdrängerpumpe 11 ist nach an sich bekannten Regelungsmethoden ansteuerbar. The positive displacement pump 11 is controllable according to known control methods.

HP-Proportionalverstellung hydraulisch, steuerdruckabhängig;
der Förderstrom am Ausgang der Pumpe ist im Bereich von 0 bis 100% stufenlos verstellbar, proportional zu der auf zwei Steuersignalanschlüsse wirkenden Steuerdruckdifferenz. Ein mit dem Verstellkolben verbundener Rückführungshebel zum Regelventil hält den Pumpenförderstrom entsprechend der vorgegebenen Steuerdruckdifferenz innerhalb des Regelbereichs.HP proportional control hydraulic, control pressure dependent;
the flow rate at the outlet of the pump is infinitely variable in the range from 0 to 100%, proportional to the control pressure differential acting on two control signal connections. A return lever connected to the adjusting piston to the control valve keeps the pump flow corresponding to the predetermined control pressure difference within the control range.

HW-Proportionalverstellung hydraulisch, wegabhängig;
der Förderstrom am Ausgang der Pumpe ist im Bereich von 0 bis 100% stufenlos verstellbar, proportional zum Schwenkwinkel eines Verstellhebels. Ein mit dem Verstellkolben verbundener Rückführungshebel zum Regelventil hält den Pumpenförderstrom entsprechend der vorgegebenen Stellung des Verstellhebels innerhalb des Regelbereichs.HW proportional adjustment hydraulically, path-dependent;
the flow rate at the outlet of the pump is infinitely adjustable in the range from 0 to 100%, proportional to the swivel angle of an adjusting lever. A connected to the adjusting piston return lever to the control valve holds the pump flow corresponding to the predetermined position of the adjusting lever within the control range.

EP-Proportionalverstellung elektrisch;
der Förderstrom am Ausgang der Pumpe ist im Bereich von 0 bis 100% stufenlos verstellbar, proportional zu einem elektrischen Strom, der einem auf das Regelventil wirkenden Elektromagneten zugeführt wird. Ein mit dem Verstellkolben verbundener Rückführungshebel zum Regelventil hält den Pumpenförderstrom entsprechend dem vorgegebenen Strom innerhalb des Regelbereichs.EP proportional electric adjustment;
the flow rate at the outlet of the pump is infinitely variable in the range of 0 to 100%, proportional to an electric current supplied to an electromagnet acting on the control valve. A return lever connected to the adjusting piston to the control valve keeps the pump delivery flow according to the predetermined flow within the control range.

EZ-Zweipunktverstellung elektrisch;
durch Betätigung eines Schaltmagneten am Regelventil wird der Verstellkolben der Pumpe direkt mit einem Stelldruck beaufschlagt und die Pumpe schwenkt auf maximales Verdrängungsvolumen.EZ two-point adjustment electric;
by actuating a solenoid on the control valve, the adjusting piston of the pump is directly loaded with a control pressure and the pump pivots to maximum displacement.

DA-Automatische Verstellung drehzahlabhängig;
das Verdrängungsvolumen der Pumpe ist in jeder Strömungsrichtung stufenlos verstellbar und wird sowohl durch die Pumpenantriebsdrehzahl als auch durch den Systemdruck beeinflusst.DA automatic adjustment speed-dependent;
the displacement volume of the pump is infinitely adjustable in each flow direction and is influenced by both the pump drive speed and the system pressure.

HAT-Verstellung hydraulisch, direktgesteuert
der Förderstrom am Ausgang der Pumpe ist durch einen hydraulischen Stelldruckim Bereich von 0 bis 100% stufenlos verstellbar. Das Stelldruckniveau kann zum Beispiel durch ein manuell betätigtes hydraulisches Vorsteuergerät vorgegeben werden. Durch ein zusätzliches DA-Regelventil ist bei Fahrantrieben eine automotive Fahrweise möglich.HAT adjustment hydraulically, directly controlled
the flow rate at the outlet of the pump is infinitely variable by a hydraulic actuating pressure in the range of 0 to 100%. The signal pressure level can be specified, for example, by a manually operated hydraulic pilot control device. With an additional DA control valve, an automotive driving style is possible with travel drives.

EV-Verstellung elektrisch, direktgesteuert;
der Förderstrom am Ausgang der Pumpe ist über den einstellbaren Stelldruck im Bereich von 0 bis 100% stufenlos verstellbar. Das Stelldruckniveau ist proportional zu einem elektrischen Strom, der auf den Elektromagneten eines Druckreduzierventils wirkt.EV adjustment electrically, directly controlled;
the flow rate at the outlet of the pump can be infinitely adjusted via the adjustable signal pressure in the range of 0 to 100%. The signal pressure level is proportional to an electric current acting on the solenoid of a pressure reducing valve.

DR-Verstellung pumpendruckabhängig
der Förderstrom der Pumpe wird so verstellt, dass ein bestimmter Pumpendruck nicht überschritten wird.DR adjustment dependent on pump pressure
the flow rate of the pump is adjusted so that a certain pump pressure is not exceeded.

Das mit der Verdrängerpumpe 11 zusammengebaute Verdrängersteuergerät 13 hat einen CAN-Anschluss oder eine andere Bus-Schnittstelle (z.B. Ethercat). In ihm sind eine oder mehrere intelligente Zusatzfunktionen implementiert. Solche Zusatzfunktionen sind insbesondere:

  • • integrierte Temperaturmessung, zum Beispiel im Bereich von minus 40 bis plus 180 Grad Celsius;
  • • Diagnose;
  • • Condition Monitoring;
  • • Prognostic Health Monitoring;
  • • Load Cycle Monitoring;
  • • Remote Control;
  • • integrierter Generator;
  • • WebServer, IoTs;
  • • Weitere Zusatzfunktionen, die nicht unbedingt pumpenaffine Zusatzfunktionen zu sein brauchen, sind zum Beispiel:
  • • Power management;
  • • ABS-Funktion;
  • • Traktionskontrolle;
  • • Kompassfunktion;
  • • Gyrometer für Trajektorien;
  • • Messung des Luftdrucks (Atmosphärendrucks);
  • • Messung der Beschleunigung;
  • • Messung der Lage,
  • • Grenzlastregelung.
The with the positive displacement pump 11 assembled displacer control unit 13 has a CAN connection or another bus interface (eg Ethercat). It implements one or more intelligent additional functions. Such additional functions are in particular:
  • • integrated temperature measurement, for example in the range of minus 40 to plus 180 degrees Celsius;
  • • diagnosis;
  • • condition monitoring;
  • • Prognostic Health Monitoring;
  • • load cycle monitoring;
  • • Remote Control;
  • Integrated generator;
  • • Web servers, IoTs;
  • • Further additional functions, which may not necessarily be additional functions that are pump-related, are, for example:
  • • power management;
  • • ABS function;
  • • traction control;
  • • compass function;
  • • gyrometer for trajectories;
  • • measuring the atmospheric pressure (atmospheric pressure);
  • • measurement of acceleration;
  • • measuring the situation
  • • Limit load control.

Dabei können zum Beispiel der erfasste Luftdruck oder die gemessene Beschleunigung eines Maschinenteils, an dem die Pumpe befestigt ist, dazu diene, um die Pumpe an augenblickliche Gegebenheiten anzupassen (adaptiertes Pumpenverhalten. Die intelligenten Zusatzfunktionen können aber auch der übergeordneten Steuerung bzw. dem übergeordenten Steuergerät zur Verfügung gestellt werden. Diese Signale können dann für Maschinenfunktionen verwendet werden. Somit können gegebenenfalls zusätzliche Sensoren, die separat in der Maschine eingebaut werden müssten, entfallen.In this case, for example, the detected air pressure or the measured acceleration of a machine part, to which the pump is attached, serve to adapt the pump to current conditions (adapted pump behavior.) The intelligent additional functions can also be used by the higher-level control or the higher-level control unit These signals can then be used for machine functions, eliminating the need for additional sensors to be installed separately in the machine.

Die Messung der Lage kann eine Information über eine absolute und eine relative Lage geben und zum Beispiel für einen Kippschutz eines Fahrzeugs herangezogen werden.The measurement of the position can give information about an absolute and a relative position and be used, for example, for a tilt protection of a vehicle.

In der Figur ist die Implementierung von intelligenten Zusatzfunktionen in das Verdrängersteuergerät 13 durch einen Kreis angedeutet.In the figure is the implementation of intelligent additional functions in the displacement controller 13 indicated by a circle.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 4327651 C2 [0002] DE 4327651 C2 [0002]
  • DE 102005037620 A1 [0002] DE 102005037620 A1 [0002]
  • US 5073091 [0002] US 5073091 [0002]

Claims (6)

Hydrostatische Verdrängereinheit (10) mit einer rotierenden hydrostatischen Verdrängermaschine (11), deren Hubvolumen mit Hilfe einer Verstelleinrichtung (12) veränderbar ist, und mit einem elektronischen Verdrängersteuergerät (13), dadurch gekennzeichnet, dass in das Verdrängersteuergerät (13) mindestens eine intelligente Zusatzfunktion implementiert ist.Hydrostatic displacer unit ( 10 ) with a rotary hydrostatic displacement machine ( 11 ), whose stroke volume by means of an adjusting device ( 12 ) is variable, and with an electronic Verdrängersteuergerät ( 13 ), characterized in that in the displacement control device ( 13 ) at least one intelligent additional function is implemented. Hydrostatische Verdrängereinheit nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus folgender Liste eine einzige Zusatzfunktion oder mehrere Zusatzfunktionen in beliebiger Kombination implementiert sind: • integrierte Temperaturmessung; • Diagnose; • Condition Monitoring; • Prognostic Health Monitoring; • Load Cycle Monitoring; • Remote Control; • integrierter Generator; • WebServer, IoTs; • Power management; • ABS-Funktion; • Traktionskontrolle; • Kompassfunktion; • Gyrometer für Trajektorien; • Messung des Luftdrucks (Atmosphärendrucks); • Messung der Beschleunigung, • Messung der Lage, • Grenzlastregelung. Hydrostatic displacer unit according to claim 1, characterized in that from the following list, a single additional function or more additional functions are implemented in any combination: • integrated temperature measurement; • diagnosis; • condition monitoring; • Prognostic Health Monitoring; • load cycle monitoring; • Remote Control; Integrated generator; • Web servers, IoTs; • power management; • ABS function; • traction control; • compass function; • gyrometer for trajectories; • measuring the atmospheric pressure (atmospheric pressure); • Measurement of the acceleration, • Measurement of the position, • Limit load control. Hydrostatische Verdrängereinheit nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängersteuergerät (13) an oder in der Verdrängermaschine (11) integriert ist.Hydrostatic displacer unit according to claim 1 or 2, characterized in that the displacement control device ( 13 ) on or in the positive displacement machine ( 11 ) is integrated. Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem vorhergehenden Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für die vorhandenen Zusatzfunktionen benötigte Sensoren und Auswertelektronik (en) in die Verdrängermaschine (11) integriert oder an der Verdrängermaschine (11) platziert sind.Hydrostatic displacer unit according to any preceding claim, characterized in that required for the existing additional functions sensors and evaluation electronics (s) in the displacement machine ( 11 ) or at the displacement machine ( 11 ) are placed. Hydrostatische Verdrängereinheit nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass inertiale Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) als integrierte Sensoren vorhanden sind.Hydrostatic displacement unit according to claim 4, characterized in that inertial micro-electro-mechanical systems (MEMS) are provided as integrated sensors. Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem vorhergehenden Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die intelligenten Zusatzfunktionen analog, digital oder über eine Bus-Schnittstelle (z.B. CAN, Ethercat, oder ein anders Bussystem) an die Maschinensteuerung (z.B. Zentralsteuergerät) übertragen werden.Hydrostatic displacer unit according to any preceding claim, characterized in that the intelligent additional functions analog, digital or via a bus interface (eg CAN, Ethercat, or another bus system) to the machine control (eg central control unit) are transmitted.
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