DE19948224C1 - Fahrzeug - Google Patents

Fahrzeug

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Tobias Ostertag
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit zumindest einer gegenüber dem Fahrzeug um eine Radachse drehbar gelagerten Radnabe und einem oder mehreren an der Radnabe mittels einer Felge befestigtem Rad bzw. Rädern, sowie einer elektrischen Maschine, die einen um eine gemeinsame Maschinenachse angeordneten Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Rotor zumindest mittelbar mit der Radnabe verbunden ist, wobei der Rotor ein Hohlkörper ist, der unmittelbar mit der Felge und/oder mit der Radnabe verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.
Aus der DE-A-197 04 392 ist die Verwendung einer elektrischen Maschine bei einem Einzelradantrieb, bei dem die Rotorwelle der elektrischen Maschine eine Radnabe des Fahrzeugs antreibt. Der­ artige Radnabenantriebe bedingen jedoch eine entsprechende aufwendige Konstruktion des Rades bzw. der Radaufhängung.
Aus der US 5,894,902 A1 ist ein gattungsgemäßes Fahrzeug mit einem Radnabenmotor bekannt, bei dem in einem Fahrzeugrad der Rotor der elektrischen Maschine um den Stator rotierbar gela­ gert und der Stator der Maschine mit der Radwelle fest verbunden ist. Der Rotor ist ein Hohlkörper, der unmittelbar mit Felge und Radnabe verbunden ist.
Aus der FR 2 316 487 A1 ist ein Fahrzeug bekannt, bei dem zu­ sätzlich zu einem fahrzeugseitigen Hauptantrieb eine elektrische Maschine als Radnabenantrieb vorgesehen ist.
Es ist nicht möglich, bei solchen Fahrzeugen etwa den Antrieb zu wechseln oder ein solches Fahrzeug ohne Änderung der Kon­ struktion mit einem anderen Antrieb auszurüsten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug bereitzustellen, welches auf einfache Weise mit einem elektrischen Antrieb ver­ sehen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
In einem erfindungsgemäßen Fahrzeug ist der Rotor einer elek­ trischen Maschine als Hohlkörper ausgebildet, der unmittelbar mit der Felge eines Rades, welches an einer Radnabe des Fahr­ zeugs befestigt ist und/oder der Radnabe des Fahrzeugs verbunden ist.
Der Vorteil ist, daß das Drehmoment der elektrischen Maschine direkt auf das Rad übertragen werden kann, ohne daß das Drehmo­ ment über eine Rotorwelle auf eine Radnabe übertragen werden muß. Dies hat zur Folge, daß nicht nur solche Räder mit einer elektrischen Maschine angetrieben werden können, welche von ei­ nem Hauptantrieb des Fahrzeugs angetrieben sind. Dies sind im konventionellen Sinn angetriebene Räder. Es können darüber hin­ aus auch solche Räder mit einer elektrischen Maschine angetrie­ ben werden, welche nicht von einem Hauptantrieb angetrieben sind; dies sind im konventionellen nicht angetriebene Räder. Der Aufbau bleibt für beide Radtypen gleich. Da der Rotor der elektrischen Maschine im wesentlichen ringförmig ist und keine zentrale Rotorwelle aufweist, kann der Bauraum innerhalb des Rotors vorteilhaft genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß auch bei einem üb­ lichen Hybridfahrzeug eine oder mehrere elektrische Maschinen gemäß der Erfindung eingesetzt werden können, z. B. für soge­ nannte Boosterfunktionen.
Vorzugsweise ist nicht nur der Rotor, sondern auch der Stator als Hohlkörper ausgeführt.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung ist der Rotor koaxial um eine mechanische Bremse angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umschließt der Ro­ tor eine mechanische Bremse konzentrisch.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung liegen Stator und Rotor im wesentlichen innerhalb des Rades. Die Folge davon ist, daß die Anordnung sehr kompakt ist. Der üblicherweise ungenutz­ te Bauraum innerhalb der Felge zwischen Felgenhorn und Bremse eines an sich konventionellen Rades nimmt die elektrische Ma­ schine auf.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Rotor und die mechanische Bremse axial versetzt angeordnet sind.
Bevorzugt ist die elektrische Maschine als Außenläufermaschine ausgebildet. Die Auslegung der elektrischen Maschine wird be­ sonders einfach.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Fahrzeug eine Scheibenbremse mit zumindest zwei axial beabstandet ange­ ordneten Bremsscheiben auf. Dadurch kann der Durchmesser der Scheibenbremse verkleinert werden, um Platz für eine elektri­ sche Maschine innerhalb des Rades zu schaffen, ohne die notwen­ dige Bremskraft zu verlieren.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Hauptan­ trieb im Fahrzeug vorgesehen und die elektrische Maschine als Zusatzantrieb vorgesehen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die elektrische Maschine als Hauptantrieb vorgesehen.
Vorteilhaft ist die Verwendung einer Transversalflußmaschine, deren Drehzahlen im üblichen Drehzahlbereich eines Rades, ins­ besondere eines Rades eines Kraftfahrzeugs liegt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs mit zwei mittels elektrischer Maschine angetriebenen Rädern und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Rades eines erfin­ dungsgemäßen Fahrzeugs, bei dem die elektrische Maschi­ ne konzentrisch um die Bremse angeordnet ist.
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Lagerung eines kon­ ventionell angetriebenen und eines konventionell nicht angetriebenen Rades mit einer konzentrisch um die Brem­ se angeordneten elektrischen Maschine.
In Fig. 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeugs 1 dargestellt. Das bevorzugte Fahrzeug ist mit zumindest einer gegenüber dem Fahrzeug um eine Radachse A drehbar gelagerten Radnabe 9 und einem oder mehreren an der Radnabe 9 mittels ei­ ner Felge 10 befestigtem Rad bzw. Rädern 2, 3, sowie einer elektrischen Maschine 7 ausgestattet, die einen um eine gemein­ same Maschinenachse angeordneten Rotor 14 und einen Stator 13 aufweist, wobei der Rotor 14 zumindest mittelbar mit der Radna­ be 9 verbunden ist.
Das Fahrzeug hat zwei Räder 2, die mit Antriebswellen 2' ver­ bunden sind und Räder 3, die sich um eine Achse 3' drehen und die der Klarheit wegen eingezeichnet ist. Die Wellen 2' werden durch einen Hauptantrieb 4, vorzugsweise einem Verbrennungsmo­ tor, in üblicher Weise angetrieben, wozu ein Differential 5 und ein Getriebe 6 vorgesehen sind. Details zu diesen Komponenten sind nicht angegeben. Die Räder 3 sind dagegen im konventionel­ len Sinn nicht angetrieben. Die Anordnung entspricht einer An­ ordnung mit bevorzugter Einzelradaufhängung.
Die Räder 2 sind an einer Radnabe 9 befestigt, die mit dem Fahrzeug 1 verbunden ist. Im Innern jedes Rades 2 ist eine elektrische Maschine 7 angeordnet. Diese elektrische Maschine 7 wird vorzugsweise mittels eines Energiespeichers 8, vorzugsweise eine Batterie, welcher an geeigneter Stelle im Fahrzeug 1 angeordnet ist, versorgt. Details zu einer Steuerung oder Rege­ lung elektrischen Antriebs des Fahrzeugs sind nicht weiter dar­ gestellt. Eine entsprechende Elektronik ist an geeigneter Stel­ le im oder am Fahrzeug vorgesehen.
Die elektrische Maschine 7 stellt in diesem Beispiel einen An­ trieb zusätzlich zum Hauptantrieb 4 des Fahrzeugs dar, so daß die Anordnung ein Hybridfahrzeug mit Verbrennungsmotor als Hauptantrieb 4 und zwei elektrisch angetriebenen Rädern zeigt.
Dabei ist es möglich, auch oder nur die konventionell nicht an­ getriebenen Räder 3 mit einer entsprechenden elektrischen Ma­ schine 7 auszustatten.
In Fig. 2 ist eine detaillierte Darstellung einer bevorzugten Anordnung der elektrischen Maschine 7 schematisch dargestellt. Die Figur zeigt einen Ausschnitt einer Felge 10 mit Felgenhorn 11, Bremse 12, Stator 13, Rotor 14, die rotationssymmetrisch zur Radnabe 9 angeordnet sind. Zwischen Rotor 14 und Stator 13 ist ein Lager 15 vorgesehen, welches gewährleistet, daß der notwendige geringe Luftspalt zwischen Stator 13 und Rotor 14 erhalten bleibt und gegen Verspannungen und Vibrationen mög­ lichst unempfindlich ist.
Der Rotor 14 ist mit seiner Halterung 14' unmittelbar an der Felge 10 mit einem Befestigungsmittel 16, vorzugsweise einer Schraube oder mehrere Schrauben, befestigt. Der Rotor 14 ist ein Hohlkörper, vorzugsweise ein Hohlzylinder, und weist keine Rotorwelle in seinem Zentrum auf.
Die Halterung 14' kann auch alleine oder zusätzlich mit der Radnabe 9 verbunden sein. Die Drehmomenteinleitung von der elektrischen Maschine erfolgt so unmittelbar auf die Felge 10 des Rades und nicht wie im Stand der Technik mittels einer Ro­ torwelle in die Radnabe 9 und dann erst über die Rotation der Radnabe 9 auf das Rad. Der Rotor 14 ist außerhalb der Radachse A mit der Felge 10 und/oder der Radnabe 9 verbunden, während der Stator 13 außerhalb der Radachse A mit dem Fahrzeug verbun­ den ist.
Der Stator 13 ist mit einer Drehmomentaufnahme 17, welche mit Dämpfungsmitteln 18, vorzugsweise Gummilagern, vorzugsweise an einem drehfesten Teil des Fahrzeugs abgestützt, etwa einem Ka­ rosserieteil und/oder einem Bremsträger.
Das in der Fig. 2 gezeigte Rad 2 stellt ein im konventionellen Sinn angetriebenes Rad dar. Eine (nicht dargestellte) Radlage­ rung L ist dann üblicherweise fahrzeugseitig zwischen der Rad­ welle W und Fahrzeug 1 angeordnet.
Bei einem im konventionellen Sinn nicht angetriebenen Rad 3 wä­ re die Radnabe 9 mittig über eine drehfeste Achse, die mit dem Fahrzeug verbunden ist, mit einem Radlager gelagert. Die Radna­ be 9 stützt das Gewicht des Fahrzeugs und dreht sich um die drehfeste Radachse A.
In beiden Fällen jedoch kann das Rad 2, 3 mit einer elektri­ schen Maschine 7 ausgerüstet werden. Die Drehmomenteinleitung erfolgt vom Rotor 14 direkt auf das Rad und muß nicht mittelbar über die Radnabe 9 eingekoppelt werden. Die bei Radnabenantrie­ ben sonst übliche Rotorwelle entfällt. Bei einer Drehmomentein­ leitung über eine Rotorwelle in die Radnabe 9 könnte nur ein ursprünglich angetriebenes Rad 2, nicht jedoch ein ursprünglich nicht angetriebenes Rad 3 mit einer solchen elektrischen Ma­ schine 7 ohne Rotorwelle angetrieben werden.
Die elektrische Maschine 7 stellt demnach hier praktisch eine reine Drehmomentquelle dar; sie überträgt keine sonstigen axia­ len oder radialen Kräfte auf das Rad. Dies erfolgt über die Radwelle und das Radlager.
Vorzugsweise ist die Maschine 7 eine Außenläufermaschine. Der Stator 13 kann ebenso ein Hohlzylinder sein.
Die elektrische Maschine 7 umgibt die Radnabe 9 vorzugsweise koaxial. Details der Bremse 2 sind nicht weiter dargestellt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Maschine 7 die Bremse 12 konzentrisch umschließt. Diese Anordnung ist be­ sonders kompakt. Dadurch wird ein Volumen in einem ansonsten konventionellen Rad als Montageraum für einen elektrischen An­ trieb ausgenutzt, das üblicherweise leer ist. Besonders platz­ sparend ist, wenn die elektrische Maschine 7 völlig innerhalb des Felgenhorns 11 angeordnet ist. Die Anordnung erfordert kei­ ne Änderung der Radaufhängung.
In einer bevorzugten Ausführung ist Bremse 12 eine Trommelbrem­ se. Der besondere Vorteil ist, daß die elektrische Maschine 7 in ein an sich konventionelles Rad eingesetzt werden kann und dort den Leerraum zwischen Trommelbremse und Felge 10 ausnutzt, so daß kein zusätzlicher Bauraum für die elektrische Maschine 7 innerhalb des Rades 2, 3 benötigt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist Bremse 12 eine Scheibenbremse. Um den notwendigen Bauraum innerhalb des Rades 2, 3 verfügbar zu machen, kann hier der Fall auftreten, daß ei­ ne Anpassung des Durchmessers der Bremse 12 erfolgen muß, d. h. der Durchmesser der Scheibenbremse muß verkleinert werden. Um dennoch dieselbe Bremswirkung zu erzielen, kann die Bremswir­ kung der elektrischen Maschine 7 mit ausgenutzt werden und/oder eine Scheibenbremse vorgesehen sein, welche zwei bezüglich der Radnabe 9 axial benachbart angeordnete Bremsscheiben aufweist.
Falls keine kompakte Bauweise notwendig ist, z. B. bei Rädern mit breiten Reifen oder Zwillingsreifen, kann die Maschine 7 auch axial gegen die Bremse 12 versetzt angeordnet sein. In diesem Fall kann die elektrische Maschine besonders leistungs­ stark ausgelegt werden.
Der Stator 13 ist zur besseren Kühlung bevorzugt mit Mitteln zur Wasserkühlung 19, etwa Kühlkanälen, versehen und/oder mit Mitteln zur Luftkühlung 20. Zur Zufuhr von Kühlluft sind Öff­ nungen 20 im Rotor 14 vorgesehen. Die Luftkühlung kann ebenso zur Kühlung der Bremse 12 dienen. Es können auch im Außenbe­ reich der Felge 10 Verstärkungsrippen (nicht dargestellt) vor­ gesehen sein, welche luftsaugend ausgeführt sind und so eine günstige Zwangsbelüftung des Raumes zwischen Bremse 12 und Sta­ tor 13 ermöglichen.
Ist das Fahrzeug 1 mit einem Hauptantrieb 4, vorzugsweise einem Verbrennungsmotor, ausgestattet, so erlaubt es die Erfindung, das Fahrzeug auf einfache Weise in ein Hybridfahrzeug zu ver­ wandeln, ohne konstruktive Maßnahmen bei der Radaufhängung oder auch dem Rad vornehmen zu müssen. Selbstverständlich kann der Hauptantrieb auch ein elektrischer oder Brennstoffzellenantrieb oder dergl. sein.
Zur Hybridisierung eines ursprünglich konventionellen Fahrzeugs kann die elektrische Maschine 7 einfach mit der Felge 10 ver­ bunden und an das Fahrzeug montiert werden. Dann wird die elek­ trische Maschine 7 mit entsprechender Steuervorrichtung und Energiequelle 8 und den Kühlmitteln 19, 20 verbunden.
Vorteilhaft ist hier, daß ansonsten im wesentlichen identische Fahrzeuge einer Fahrzeugreihe als Hybridfahrzeug und als kon­ ventionelles Fahrzeug angeboten werden oder auch einfach nach­ gerüstet werden können. Zur Wasserkühlung der elektrischen Ma­ schine 7 kann auch ein eigener Kühlkreislauf vorgesehen sein und/oder der Kühlkreislauf des Fahrzeugs verwendet werden.
Ebenso ist es möglich, den zusätzlichen elektrischen Antrieb 7 wieder zu demontieren.
Der zusätzliche Antrieb durch die elektrische Maschine 7 als Hybridantrieb kann unter anderem sogen. Boosterfunktionen über­ nehmen, um in bestimmten Fahrsituationen zusätzliche Antriebsleistung aufzubringen, oder auch als Allradantrieb und/oder Einzelradantrieb verwendet werden. Vorteilhaft ist auch die Möglichkeit, die Bremsenergie der elektrischen Maschine 7 durch Rekuperation auszunutzen. Damit kann der Verbrauch des Fahr­ zeugs minimiert werden und/oder eine verbesserte Bremswirkung und damit eine erhöhte Fahrsicherheit erzielt werden.
In einem erfindungsgemäßen Fahrzeug kann die elektrische Ma­ schine 7 nicht nur als zusätzlicher Antrieb, sondern auch als Hauptantrieb in einem Teil oder allen Rädern des Fahrzeugs 1 dienen.
In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Lagerung eines konventionell angetriebenen (3a) und eines konventionell nicht angetriebenen Rades (3b) mit einer konzentrisch um die Bremse angeordneten elektrischen Maschine dargestellt.
In Fig. 3a ist die Radnabe 9 mit der drehbaren Welle W des Fahrzeugs 1 verbunden, die von einem fahrzeugseitigen Antrieb angetrieben wird. Die Welle W ist mittels Radlager L im Fahr­ zeug 1 abgestützt. Das Rad dreht sich um die Achse A.
Das Rad 2 ist mit seiner Felge 10 an der Radnabe 9 mittels Schrauben 16 befestigt. Die elektrische Maschine 7 umgibt die Bremse 12 konzentrisch. Details der Bremse 12 und deren ent­ sprechende übliche drehfeste Befestigung sind nicht darge­ stellt. Der Rotor der Maschine 7 ist wie voranstehend beschrie­ ben radfest mit der Felge 10 verbunden, der Stator der Maschine 7 ist drehmomentenfest mit dem Fahrzeug verbunden.
In Fig. 3b stützt sich die drehbare Radnabe 9 auf die Achse A1, die drehfest mit dem Fahrzeug 1 verbunden. Damit das Rad 3 sich um die Achse A1 drehen kann, ist die Radnabe 9 mittels Radlager L auf der Achse A1 gelagert. Die Bremse 12 umgibt die Radnabe 9. Details der Bremse 12 und deren übliche drehfeste Halterung sind nicht dargestellt. Die Felge 10 des Rades ist an der Radnabe 9 mittels Schrauben 16 befestigt. Der Einbau der elektri­ schen Maschine 7 entspricht der Anordnung in Fig. 3a.
Falls die elektrische Maschine 7 nicht nur als lösbar instal­ lierter oder zeitweise installierbarer Zusatzantrieb verwendet, sondern permanent in einem Rad installiert werden soll, ist es möglich, die Bremse 12 kleiner auszubilden als für ein konven­ tionelles Rad. Die elektrische Maschine 7 kann mit ihrem gene­ ratorischen Moment als zusätzliche Bremse dienen, was bei der Auslegung der mechanischen Bremse 12 berücksichtigt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird eine Trans­ versalflußmaschine verwendet. Vorteilhaft ist dies, da deren Drehzahlen im Bereich üblicher Drehzahlen eines Rades eines Kraftfahrzeugs liegen.
Als besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich die Möglich­ keit, ein übliches Hybridfahrzeug oder auch ein Fahrzeug mit Radnabenmotor mit einer oder mehreren Maschinen 7 auszustatten. Die Erfindung stellt eine sogenannte "Add-On"-Lösung für zu­ sätzliche Antriebsleistung zur Verfügung und zwar unabhängig vom ursprünglichen Antriebskonzept des Fahrzeugs.

Claims (16)

1. Fahrzeug mit zumindest einer gegenüber dem Fahrzeug um eine Radachse (A) drehbar gelagerten Radnabe (9) und einem oder meh­ reren an der Radnabe (9) mittels einer Felge (10) befestigtem Rad bzw. Rädern (2, 3), sowie einer elektrischen Maschine (7), die einen um eine gemeinsame Maschinenachse angeordneten Rotor (14) und einen Stator (13) aufweist, wobei der Rotor (14) ein Hohlkörper ist und zumindest mittelbar mit der Radnabe (9) und/oder der Felge (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14) der elektrischen Maschine (7) mit einer üb­ lichen Befestigung (16) der Felge (10) an der Radnabe (9) montiert ist und eine Befestigung des Stators (13) am Fahrzeug (1) nur in Form einer Drehmomentaufnahme (17) besteht.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14) außerhalb der Radachse (A) mit der Felge (10) und/oder mit der Radnabe (9) und der Stator (13) außerhalb der Radchase (A) mit dem Fahrzeug verbunden ist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (13) und/oder der Rotor (14) hohlzylindrisch ausgebildet ist.
4. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (13) auf der Radnabe (9) und/oder der Radachse (A1) abgestützt ist.
5. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotor (14) und Stator (13) ein Lager (15) angeord­ net ist.
6. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14) koaxial um eine mechanische Bremse (12) an­ geordnet ist.
7. Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (7) und die mechanische Bremse (12) axial versetzt angeordnet sind.
3. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (14) eine mechanische Bremse (12) konzentrisch umschließt.
9. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (7) als Außenläufermaschine ausge­ bildet ist.
10. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (7) eine Transversalflußmaschine ist.
11. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (7) Mittel zur Wasserkühlung (19) und/oder Mittel zur Luftkühlung (20, 21) des Stators (13) auf­ weist.
12. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Bremse (12) eine Trommelbremse ist.
13. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Bremse (12) eine Scheibenbremse ist.
14. Fahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenbremse zumindest zwei axial beabstandet ange­ ordnete Bremsscheiben aufweist.
15. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fahrzeugseits ein Hauptantrieb (4) vorgesehen und zumindest eine elektrische Maschine (7) als Zusatzantrieb vorgesehen ist.
16. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine elektrische Maschine (7) als Hauptantrieb vorgesehen ist.
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