DE10346031B4 - Energie aufnehmende Vorrichtung, insbesondere für Lenksäulen - Google Patents
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Abstract
Description
- Das technische Gebiet der Erfindung ist ein Energieabsorptionssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Sicherheit von Kraftfahrzeugen unter Nutzung von Systemen zur Energieabsorption, um die Verschiebung von bestimmten Bauteilen zu dämpfen, die bei einem mechanischen Zusammenstoß des Kraftfahrzeugs mit einem äußeren Hindernis in Bewegung gesetzt werden können. Die erfindungsgemäßen Absorptionssysteme sind beispielsweise für Lenksäulen besonders geeignet, die für den Fahrer einen festen Widerstand bilden können, der zu einer Quelle von ernsten Verletzungen werden kann, wenn die Lenksäulen nicht gelöst und anschließend gedämpft werden.
- Energie aufnehmende Vorrichtungen waren bereits der Gegenstand von mehreren Patentanmeldungen.
- Es kann das Patent
US 3 656 366 genannt werden, in dem ein Dämpfungssystem für Lenksäulen beschrieben worden ist. Die Translationsbewegung der Achse der Lenksäule wird in der Position ohne Rückwärtsverschiebung durch ein mit Kugeln arbeitendes Arretierungssystem blockiert. Ein Ende der Säule ist von einem Ring umgeben, der in einem mit einem Fluid gefüllten Zylinder gleiten kann, wobei mehrere Kanäle durch den Ring geführt sind. Bei einem Aufprall wird die Achse der Lenksäule gelöst und die Translationsbewegung der Säule wird durch das Fluid gedämpft, das unter der Krafteinwirkung des Rings komprimiert wird, wobei ein Teil des Fluids durch die Kanäle abgeführt wird. Es handelt sich um ein herkömmliches hydraulisches Dämpfungssystem, in dem keine pyrotechnischen Ladungen eingesetzt werden. - Auch das in dem Patent
EP 0 979 768 A2 offenbarte System zur Energieaufnahme ist ein hydraulisches System, das nicht mit pyrotechnischen Ladungen arbeitet. Dieses System umfasst einen Zylinder, in dem sich bei Bewegung der Lenksäule ein Kolben verschiebt. Ein Ventil steuert eine elektronische Steuereinheit, mit der der Fluss des Fluids vom Zylinder zum Flüssigkeitsbehälter kontrolliert wird, wodurch das Ausmaß der Dämpfung, die durch die Kompression des Fluids entsteht, erhöht oder vermindert werden kann. Die elektroni sche Steuereinheit empfängt hierzu Signale, die insbesondere von einem Geschwindigkeitsmesser des Fahrzeugs, einem Beschleunigungsmesser des Fahrzeugs oder einem Sensor für das Gewicht des Fahrers stammen. - Es ist auch das Patent
EP 1 101 687 A1 zu nennen, das sich auf ein Energieabsorptionssystem unter Verwendung mehrerer Wicklungen zur Dämpfung einer Lenksäule eines Kraftfahrzeugs bezieht. Dieses System ist über einen pyrotechnischen Aktuator einstellbar, der im Falle eines Aufpralls eine oder mehrere Wicklungen freisetzen kann. Es handelt sich um ein mechanisches Dämpfungssystem; der pyrotechnische Aktuator leitet lediglich die Funktion der Wicklungen ein. - In der Druckschrift
JP 04 334 657 AA - Das Patent
EP 0 550 321 A1 betrifft schließlich ein pyrotechnisches Stellglied mit gedämpftem Hub, das in beliebigen Energie aufnehmenden Systemen eingesetzt werden kann. Dieses Stellglied umfasst einen pyrotechnischen Gasgenerator, einen Kolben, eine Kammer zur Verbrennung der pyrotechnischen Substanzen und eine Gegendruckkammer sowie eine Zwischenkammer zwischen der Verbrennungskammer und einem Ende des Kolbens. Ein Kanal verbindet die Zwischenkammer mit der Gegendruckkammer. Die von dem Generator freigesetzten Gase setzen die Zwischenkammer entgegen der Bewegung des Kolbens unter Druck, um so seinen Weg zu dämpfen, wobei ein Teil der Gase durch den Kanal zur Gegendruckkammer geleitet wird. - Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass gattungsbildende System so weiterzubilden, dass die Verletzungsgefahr für die Insassen bei einem Aufprall auf einen Gegenstand weitgehend reduziert wird.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
- Die lösungsgemäßen Systeme zur Energieabsorption weisen einen pyrotechnischen Gasgenerator auf, der aus mehreren pyrotechnischen Ladungen besteht, deren Gase direkt mit dem zu dämpfenden, mechanischen Bauteil in Kontakt kommen. Durch diese Vielzahl von pyrotechnischen Ladungen wird das Absorptionssystem einstellbar, da der pyrotechnische Generator in Abhängigkeit von der Anzahl der Ladungen, deren Verbrennung eingeleitet wird, eine variable Gasmenge abgeben kann. Dadurch können die erfindungsgemäßen Absorptionssysteme an eine bestimmte Anzahl von Parametern angepasst werden, wie beispielsweise die Geschwindigkeit des Fahrzeugs beim Aufprall und die Morphologie des Fahrers, wodurch sie wirksamer und sicherer werden.
- Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein System zur Energieabsorption für Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen, das einen pyrotechnischen Gasgenerator und einen gleitenden Kolben umfasst, der sich in einer Dämpfungskammer verschieben kann, in die mindestens ein Kanal zur Abführung der Gase mündet, wobei der Generator Gase in die Kammer freisetzen kann, um den Kolben zu dämpfen, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gasgenerator mehrere pyrotechnische Ladungen umfasst.
- Durch eine Zündvorrichtung können die pyrotechnischen Ladungen vorteilhaft unabhängig voneinander initiiert werden.
- Die Zündvorrichtung kann vorzugsweise mehrere pyrotechnische Ladungen gleichzeitig initiieren.
- Die Zündvorrichtung kann die pyrotechnischen Ladungen vorteilhaft zeitlich versetzt initiieren.
- Durch die Gegenwart von mehreren pyrotechnischen Ladungen in einem Absorptionssystem kann das System daher sehr flexibel eingesetzt werden, da die enthaltene Zündvorrichtung es einerseits ermöglicht, die pyrotechnischen Ladungen auszuwählen, deren Verbrennung eingeleitet werden soll, und andererseits die zeitliche Abfolge ihrer Initiierung festzulegen.
- Die Ladungen können also gleichzeitig oder zeitlich versetzt gezündet werden, wobei die Zeitabstände zur Verbesserung der Betriebsbedingungen der Absorptionseinrichtung festgelegt werden können.
- Die in dem erfindungsgemäßen Absorptionssystem verwendeten pyrotechnischen Ladungen besitzen vorteilhaft hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrer Geometrie, ihrer Abmessungen oder ihrer Masse alle unterschiedliche Eigenschaften. Die Eigenschaften der Zündvorrichtung in Kombination mit den Eigenschaften der pyro technischen Ladungen ermöglichen eine Vielzahl von Kombinationen, mit denen eine sehr große Zahl von Anordnungen möglich ist.
- Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Zündvorrichtung eine Zündmatrix, in die Vorrichtungen zur Initiierung mit geringer Intensität integriert sind, welche in Kombination mit einem Zündmittel eine Übertragungsladung initiieren, die zur Verbrennung der pyrotechnischen Ladungen führt.
- Der Kolben besteht vorteilhaft aus einem Körper, der durch einen Schaft verlängert wird, wobei der Körper die Kammer teilweise verschließt und wobei der Kanal durch den Körper hindurchgeführt ist.
- Der Kanal mündet vorzugsweise in einer zweiten Kammer, die sich in Bezug auf die Dämpfungskammer auf der anderen Seite des Körpers befindet, wobei die beiden Kammern aneinander anschließend angeordnet sind.
- Auf diese Weise bleibt ein großer Teil der Gase in der Dämpfungskammer, um die Bewegung des Kolbens abzubremsen, wohingegen ein anderer Teil in eine zweite Kammer abgeleitet wird, wobei dieses Ausströmen erforderlich ist, um eine kontinuierliche Dämpfung des Kolbens zu gewährleisten.
- Die Ladungen sind kreisförmig in einzelnen Verbrennungskammern angeordnet, um die Ladungen voneinander zu trennen und zu vermeiden, dass eine Ladung sich durch die Verbrennung einer benach barten Ladung entzündet. Dieser Initiierungseffekt durch Einwirkung sollte vermieden werden.
- Jede Verbrennungskammer ist vorzugsweise mit einer Berstscheibe versehen.
- Diese Verschlüsse sind vorteilhaft so ausgelegt, dass sie dem Arbeitsdruck der Dämpfungskammer widerstehen und lediglich unter dem Zünddruck der jeweiligen Ladungen bersten.
- Die Gegenwart der Verschlüsse in den Verbrennungskammern ist gerechtfertigt, da die pyrotechnischen Ladungen etwas besser voneinander getrennt werden und das Risiko vermindert wird, dass sich der Abbrand einer Ladung auf eine andere Ladung überträgt.
- Die pyrotechnischen Ladungen bestehen vorzugsweise aus einem Propergol.
- Der Kolben ist vorteilhaft mit einer Rückschlagsicherung ausgestattet, um zu verhindern, dass sich der Kolben in einer vorgegebenen Richtung verschiebt.
- Anders ausgedrückt ist die Energie aufnehmende Vorrichtung so ausgeführt, dass sich der Kolben in einer bestimmten Richtung verschiebt und von der Rückschlagsicherung sofort blockiert wird, falls er aufgrund einer Fehlfunktion in die umgekehrte Richtung bewegt wird.
- Die Rückschlagsicherung enthält vorzugsweise ein geteiltes bewegliches Bauteil, das sich am Umfang des Kolbenkörpers befindet, wobei sich dieses Bauteil so bewegen kann, dass es zwischen dem Körper des Kolbens und der Innenwand der Dämpfungskammer eingeklemmt wird, wodurch der Kolben in der Kammer blockiert wird.
- Die Rückschlagvorrichtung besteht vorteilhaft aus mehreren Kugeln und der Körper des Kolbens besitzt die Form eines Kegelstumpfes, wobei die Kugeln in dem Bereich des Kolbenkörpers angeordnet sind, der am wenigsten aufgeweitet ist, und befähigt sind, sich in Richtung des Teils des Kolbenkörpers zu bewegen, der am breitesten ist, um so zwischen der Innenwand der Dämpfungskammer und dem Körper festgeklemmt zu werden.
- Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung eines erfindungsgemäßen Systems zur Energieabsorption zur Dämpfung einer Lenksäule eines Kraftfahrzeugs im Falle eines Aufpralls.
- Die erfindungsgemäßen Energieabsorptionssysteme weisen zwei Vorteile auf, nämlich dass sie praktisch nicht sperrig und sehr effizient sind. Sie sind insofern nicht sperrig, als das Dämpfungssystem nicht existiert, solange der Gasgenerator nicht ausgelöst wird, und in Form eines Gasflusses geschaffen wird, wobei es nicht erforderlich ist, dass zusätzliche feste Bauteile, die speziell für die Dämpfungsfunktion ausgelegt sind, beteiligt sind.
- Sie sind sehr effizient, da die Vielzahl der verwendeten pyrotechnischen Ladungen eine gute Kontrolle des anfänglichen Zünddrucks erlaubt, der unter anderem auch an die Morphologie des Fahrers und die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs beim Aufprall angepasst werden kann.
- Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Bezug auf die beigefügten
1 bis3 detailliert beschrieben. - Die
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energieabsorptionssystems im Längsprofil in der Ebene der Achse vor dem Auslösen. - Die
2 zeigt die Absorptionsvorrichtung der1 , jedoch nachdem sie ihre Funktion erfüllt hat. - Die
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energieabsorptionssystems nach partiellem Längsschnitt. - Das Energieabsorptionssystem
1 enthält einen zylindrischen Hohlkörper2 , der an jedem Ende eine Öffnung besitzt, deren Zentrum sich an dem Körper2 auf der Drehachse befindet, wobei hier auf die1 und2 Bezug genommen wird. Der Körper2 weist einen stromaufwärts gelegenen Bereich, der einen Gasgenerator3 und eine Zündmatrix4 umfasst, welche mit einer elektrischen Verkabelung5 verbunden ist, die einen Anschluss6 vom Bustyp besitzt, wobei die Verkabelung5 den Körper2 über eine der beiden Öffnungen verlässt, und einen stromabwärts gelegenen Bereich auf, der einen Kolben7 aufnehmen kann, welcher aus einem zylindrischen Körper8 besteht, der durch einen Schaft9 mit geringerem Durchmesser fortgesetzt wird. - Der Außendurchmesser des Körpers
8 des Kolbens7 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des Körpers2 des Absorptionssystems1 . Der Kolben7 ist in Bezug auf den Körper2 so angeordnet, dass sich der Körper8 des Kolbens7 in dem Körper2 im Anschlag gegen eines der beiden Enden des Körpers2 befindet, wobei der Schaft9 aus dem Körper2 aus der Öffnung an dem Ende des Körpers2 herausragt, an das der Körper8 des Kolbens7 anstößt. Durch den Körper8 des Kolbens7 gehen mehrere Kanäle10 hindurch, die parallel zur Drehachse des zylindrischen Hohlkörpers2 verlaufen. Im Innern des Körpers2 bleibt zwischen dem Körper8 des Kolbens7 und dem Gasgenerator3 ein freier Raum, wodurch ein Dämpfungsraum11 definiert wird. - Der Gasgenerator
3 umfasst einen massiven zylindrischen Träger12 , dessen Außendurchmesser etwas geringer als der Innendurchmesser des Körpers2 ist und der sechs Verbrennungskammern13 aufweist, die jeweils eine aus einem Propergol bestehende Ladung14 enthalten. Die Kammern13 sind zylindrisch und ihre Achse verläuft parallel zur Achse des Trägers12 und des Körpers2 . - Die Kammern
13 sind so angeordnet, dass ihre runden Querschnitte in regelmäßigen Abständen auf einem Kreis liegen. Der Träger12 , der mit diesen Verbrennungskammern13 versehen ist, weist daher die Form eines Trommelrevolvers auf. Die Ladungen14 aus Propergol sind zylindrisch mit radialem Abbrand. Sie weisen identische Quer schnitte, jedoch unterschiedliche Höhen auf. Ihre Brenndauer ist daher analog, wohingegen ihr Gasdurchsatz unterschiedlich ist. Jede Brennkammer13 ist mit einer Berstscheibe15 verschlossen, um für die Ladungen14 , die sich darin befinden, gute Zündbedingungen zu gewährleisten und die Ladungen14 physikalisch und thermisch vor den Wirkungen der anderen Ladungen14 zu schützen. Die Scheiben15 sind so ausgelegt, dass sie den Betriebsdruck des Dämpfungsraums11 aushalten und nur unter dem Zünddruck der entsprechenden Ladungen14 bersten. Die Zündmatrix4 besteht aus einem einstückigen Gehäuse, in das eine Steuerelektronik und ein System von pyrotechnischen Zündern integriert sind. Die Steuerelektronik erhält ihre Befehle von einem Mehrfachzugriff6 vom Bustyp und steuert unabhängig die Initiierung der verschiedenen pyrotechnischen Zünder, die sich in dem Gehäuse befinden. Jeder Zünder ist mit einer pyrotechnischen Leitung verbunden, wodurch die Zündfolge verändert werden kann. - Das Energieabsorptionssystem
1 besitzt eine Rückschlagsicherung16 , die verhindern kann, dass sich der Kolben7 , der sich in Richtung Gasgenerator3 bewegt, in umgekehrter Richtung zu verschieben beginnt, wobei hier auf die3 Bezug genommen wird. Der Körper8 des Kolbens7 besitzt im Wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes, der einen Bereich mit einem größeren Querschnitt, der sich in dem Bereich des Körpers8 befindet, der am nächsten zum Gasgenerator3 liegt, und einen Bereich mit einem kleineren Querschnitt aufweist, der sich in dem Bereich des Körpers8 befindet, der näher am Schaft9 liegt. Die Rückschlagsicherung besteht aus mehreren Kugeln16 , die in dem Bereich mit kleinerem Querschnitt um den Körper8 des Kolbens7 herum angeordnet sind, wobei die Kugeln gleichzeitig mit der Innenwand der Kammer11 und der Außenwand des Körpers8 des Kolbens7 in Kontakt stehen. - Die Funktionsweise des Energieabsorptionssystems wird im Folgenden am Beispiel einer Lenksäule eines Kraftfahrzeugs beschrieben.
- Beim Betriebsablauf werden die nachstehend angegebenen Schritte unterschieden, wobei die Lenksäule ursprünglich durch Anschlag gegen das freie Ende des Schafts
9 des Kolbens7 gesichert ist: - – bei to: Aufprall des Fahrzeugs,
- – bei
to + etwa 10 ms: die Steuerelektronik hat in Abhängigkeit vom Aufprall die optimalen
Parameter berechnet und übermittelt
die Steuerbefehle an die Zündmatrix
4 , - – von
to + 10 ms bis to + 30 ms: die gewählten pyrotechnischen Ladungen
14 ,20 haben ihre Funktion erfüllt und in der Kammer11 Druck aufgebaut. Dies ist die Bereitschaftsphase der Absorptionsvorrichtung1 , - – nach
to + etwa 30 ms: die Absorptionsvorrichtung
1 ist bereit, um ihre Dämpfungsfunktion auszuüben. Falls der Insasse gegen das Lenkrad prallt, taucht die Lenksäule, die mit dem Lenkrad fest verbunden ist, ein, wodurch der Kolben7 eingeschoben wird, dessen Weg durch die Gase gebremst wird. Dies ist die tatsächliche Dämpfungsphase der Absorptionsvorrichtung1 . - Genauer führt der Abbrand der Ladungen
14 zum Bersten der Deckel15 , die die Brennkammern13 abdichten, wodurch die gebildeten Gase in den Dämpfungsraum11 einströmen können. - Die Druckerhöhung in der Kammer
11 dämpft den Kolben7 , wobei ein Teil der Gase über die Kanäle10 , die durch den Körper8 des Kolbens7 hindurchgeführt sind, aus der Kammer11 entweicht, wodurch eine zweite Kammer unter Druck gesetzt wird, die sich in dem zylindrischen Hohlkörper2 hinter dem Körper8 befindet, wobei die zweite Kammer durch die Verschiebung des Kolbens7 erzeugt wird. Dadurch bewegt sich der Kolben7 , wie die2 zeigt, sanft gegen den Gasgenerator3 . Falls sich der Kolben7 aus einem unbestimmten Grund in die umgekehrte Richtung zu bewegen beginnt, verklemmen sich die Kugeln16 , die die Rückschlagsicherung bilden, zwischen der Innenwand der Kammer11 und dem Bereich des Körpers8 des Kolbens7 mit dem breiteren Querschnitt, wodurch der Kolben7 in der Kammer11 blockiert wird. Die Rückschlagsicherung16 kann beispielsweise während der Dämpfungsphase eingreifen, falls eine zusätzliche Ladung14 ,20 nicht im richtigen Augenblick gezündet wird, oder während der Bereitschaftsphase im Falle des verfrühten Eintauchens der Säule durch den Aufprall des Insassen auf dem Lenkrad.
Claims (15)
- Energieabsorptionssystem (
1 ) für Sicherheitsvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, das einen pyrotechnischen Gasgenerator (3 ) und einen gleitenden Kolben (7 ) umfasst, der sich in einer Dämpfungskammer (11 ) bewegen kann, die mit einem Kanal (10 ) zur Ableitung der Gase versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (7 ) bei einem Aufprall des Fahrzeugs in Richtung des pyrotechnischen Gasgenerators verschoben wird und die durch das Zünden des Gasgenerators (3 ) in der Kammer (11 ) befindlichen Gase den Kolben (7 ) dämpfen, wenn er bei einem Aufprall des Kraftfahrzeugs verschoben wird, und der Kanal (10 ) bei der Verschiebung des Kolbens wirksam ist. - Absorptionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgenerator (
3 ) mehrere pyrotechnische Ladungen enthält. - Absorptionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (
7 ) aus einem Körper (8 ) besteht, der durch einen Schaft (9 ) fortgesetzt wird, wobei der Körper (8 ) die Kammer (11 ) teilweise verschließt und der Kanal (10 ) durch den Körper (8 ) geführt ist. - Absorptionssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (
10 ) in einer zweiten Kammer mündet, die sich in Bezug auf die Dämpfungskammer (11 ) auf der anderen Seite des Körpers (8 ) befindet, wobei die beiden Kammern aneinander anschließen. - Absorptionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungen (
14 ,20 ) kreisförmig in einzelnen Verbrennungskammern (13 ) angeordnet sind. - Absorptionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnischen Ladungen (
14 ,20 ) durch eine Zündvorrichtung unabhängig voneinander initiiert werden können. - Absorptionssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung mehrere pyrotechnische Ladungen (
14 ,20 ) gleichzeitig initiieren kann. - Absorptionssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung die pyrotechnischen Ladungen (
14 ,20 ) zeitlich versetzt initiieren kann. - Absorptionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrotechnischen Ladungen (
14 ,20 ) aus einem Propergol bestehen. - Absorptionssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verbrennungskammer (
13 ) mit einer Berstscheibe (15 ) versehen ist. - Absorptionssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (
15 ) so dimensioniert sind, dass sie dem Be triebsdruck der Dämpfungskammer (11 ) widerstehen und nur unter dem Zünddruck der entsprechenden Ladungen (14 ,20 ) bersten. - Absorptionssystem nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung eine Zündmatrix (
4 ) umfasst, in die Vorrichtungen zur Initiierung mit geringer Intensität integriert sind, die in Kombination mit einem Zündmittel eine Übertragungsladung initiieren, die zum Abbrand der pyrotechnischen Ladungen (14 ,20 ) führt. - Absorptionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (
7 ) mit einer Rückschlagsicherung (16 ) ausgestattet ist, um zu verhindern, dass sich der Kolben (7 ) entgegen der durch den Unfall erzeugten Kraftrichtung verschiebt. - Absorptionssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagsicherung (
16 ) ein geteiltes bewegliches Bauteil umfasst, das sich am Umfang des Körpers (8 ) des Kolbens (7 ) befindet, wobei sich das Bauteil so verschieben kann, dass es zwischen dem Körper (8 ) des Kolbens (7 ) und der Innenwand der Dämpfungskammer (11 ) festgeklemmt wird. - Verwendung eines Absorptionssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Dämpfung einer Lenksäule eines Kraftfahrzeuges im Falle eines Aufpralls verwendet wird.
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