DE3414259A1 - Gudgeon pin - Google Patents
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Abstract
Description
KolbenbolzenPiston pin
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kolbenbolzen, der insbesondere im wesentlichen aus Kunststoff besteht.The present invention is a piston pin, in particular consists essentially of plastic.
Bekannte Kolbenbolzen dieser Art bestehen aus einer Metallhülse, vorzugsweise aus einer Stahlhülse, in welche ein Bolzen aus Faserverbundwerkstoff oder aus mehr als 60 Vol.-% Verstärkungsfasern enthaltendem Kunststoff (hochgefülltem Kunststoff) eingeklebt ist. In dem Bolzen aus Faserverbundwerkstoff sind die Fasern in axialer Richtung angeordnet, um die Biegesteifigkeit zu erhöhen. Ein solcher Bolzen aus Faserverbundwerkstoff wird derart hergestellt, daß mehrere Lagen in einer Richtung ausgerichteter Fasern mit Kunststoff getränkt werden, und der nach dem Aushärten des Kunststoffs entstandene Körper spanend zur Bolzenform bearbeitet wird. Um den Bolzen aus Faserverbundwerkstoff in die Metallhülse einführen zu können, und auch, um eine Verklebung durchführen zu können, muß der spanend bearbeitete Bolzen aus Faserverbundwerkstoff einen Außendurchmesser aufweisen, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Metallhülse. Aufgrund des für die Herstellung notwendigen Ring-Spaltes am Umfang zwischen Bolzen aus Faserverbundwerkstoff und Metallhülse, welcher allerdings mit Kleber ausgefüllt ist, ergibt sich für den fertigen Kolbenbolzen eine nicht ausreichende Biegesteifigkeit. Weiterhin hat der durch Kleber ausgefüllte Spalt zwischen Bolzen aus Faserverbundwerkstoff und Metallhülse den Nachteil, daß schon nach kurzem betrieblichen Einsatz des fertigen Kolbenbolzens der Kleber durch mechanische und thermische Beanspruchung aufbricht, wodurch sich Zerstörungserscheinungen an Metallhülse und Bolzen aus Faserverbundwerkstoff einstellen. Es wurde sogar beobachtet, daß der Bolzen mit hochgefülltem Kunststoff zerbrach und anschließend aus der Metallhülse herauswanderte, wodurch sich Folgeschäden an Kolben zw. Kolbenzylinder einstellten.Known piston pins of this type consist of a metal sleeve, preferably from a steel sleeve, in which a bolt made of fiber composite material or more as plastic containing 60% by volume of reinforcing fibers (highly filled plastic) is glued in. In the fiber composite bolt, the fibers are in an axial direction Direction arranged to increase the flexural rigidity. Such a bolt from Fiber composite material is produced in such a way that several layers in one direction aligned fibers are soaked with plastic, and after curing the body resulting from the plastic is machined to the shape of a bolt. To the To be able to insert bolts made of fiber composite material into the metal sleeve, and also, in order to be able to carry out a bond, the machined bolt must be removed Fiber composite material have an outside diameter that is slightly smaller is than the inner diameter of the metal sleeve. Because of the necessary for the production Ring gap on the circumference between the bolt made of fiber composite material and the metal sleeve, which is filled with glue, however, results for the finished piston pin insufficient flexural rigidity. Furthermore, the one filled in with glue Gap between the bolt made of fiber composite material and metal sleeve has the disadvantage that After a short operational use of the finished piston pin, the glue is through mechanical and thermal stress breaks up, resulting in signs of destruction Adjust on metal sleeve and bolt made of fiber composite material. It was even observed that the bolt broke with highly filled plastic and then out of the metal sleeve migrated out, which resulted in consequential damage to the piston and piston cylinder.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenbolzen im wesentlichen aus Kunststoff zur Verfügung zu stellen, bei dem die oben beschriebenen Nachteile nicht mehr auftreten, welcher ausreichend biegesteif ist und auch bei längerem Betrieb keine Versagens- bzw. Zerstörungserscheinungen aufweist.It is now the object of the present invention to provide a piston pin made essentially of plastic available, in which the above-described Disadvantages no longer occur, which is sufficiently rigid and also with shows no signs of failure or destruction during long periods of operation.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Kolbenbolzen, insbesondere im wesentlichen aus Kunststoff, bestehend aus einer zylindrischen Außenhülse, welche wenigstens an ihrer äußeren Oberfläche eine Metallschicht aufweist, und aus in die Außenhülse eingesetzten, im Querschnitt sternförmig angeordneten Verstärkungsrippen, welche sich gegenseitig abstützen und mit der Innenseite der zylindrischen Außenhülse in formschlüssigem Kontakt stehen. Die Versteifungsrippen werden für einen erfindungsgemäßen Kolbenbolzen einzeln oder bereits in sternförmiger Anordnung hergestellt, wonach die Außenkontur der Versteifungsrippen durch spanende Bearbeitung, beispielsweise durch Drehen, Schleifen und/oder Polieren, hergestellt wird. Dadurch, daß durch die sternförmige Anordnung der Versteifungsrippen die Kontaktfläche zwischen Versteifungsrippen, also dem Faserverbundwerkstoff, und der Außenhülse wesentlich verkleinert ist, kann der Unterschied zwischen Innendurchmesser der Außenhülse und Außendurchmesser der Versteifungsrippen wesentlich geringer gehalten werden, ohne daß dadurch ein Einschieben der Versteifungsrippen in die Außenhülse erschwert wird. Es wird also ein formschlüssiger Kontakt zwischen Versteifungsrippen und Außenhülsen möglich, wodurch sich eine gute Biegesteifigkeit des fertien Kolbenbolzens ergibt. Bei dieser Ausführungsform empfiehlt es sich, Außenhülse und Verstärkungsrippen miteinander zu verkleben.According to the invention, this object is achieved by a piston pin, in particular essentially made of plastic, consisting of a cylindrical outer sleeve, which has a metal layer at least on its outer surface, and from Reinforcing ribs placed in the outer sleeve and arranged in a star shape in cross-section, which support each other and with the inside of the cylindrical outer sleeve are in positive contact. The stiffening ribs will for a piston pin according to the invention individually or already in a star-shaped arrangement manufactured, after which the outer contour of the stiffening ribs by machining, for example by turning, grinding and / or polishing. Through this, that through the star-shaped arrangement of the stiffening ribs, the contact surface between Stiffening ribs, so the fiber composite material, and the outer sleeve is essential is reduced, the difference between the inner diameter of the outer sleeve and Outside diameter of the stiffening ribs can be kept much smaller without that thereby inserting the stiffening ribs into the outer sleeve is made more difficult. So there is a form-fitting contact between stiffening ribs and outer sleeves possible, which results in a good flexural strength of the finished piston pin. In this embodiment, it is recommended to use an outer sleeve and reinforcing ribs to glue together.
Die zylindrische Außenhülse des Kolbenbolzens kann erfindungsgemäß ganz aus Metall oder auch überwiegend aus Faserverbundwerkstoff bestehen. Bei der Ausführungsform, bei welcher die zylindrische Außenhülse aus Faserverbundwerkstoff besteht, wird günstigerweise die Metallschicht auf der äußeren Oberfläche der Außenhülse durch Aufdampfen oder Aufspritzen von Metall oder durch galvanisches Beschichten erzeugt, wonach sich anschließend ein spanender Prozess anschließen kann.The cylindrical outer sleeve of the piston pin can according to the invention consist entirely of metal or also predominantly of fiber composite material. In the Embodiment in which the cylindrical outer sleeve made of fiber composite material exists, the metal layer is favorably on the outer surface of the outer sleeve by vapor deposition or spraying on of metal or by electroplating generated, which can then be followed by a machining process.
Vorteilhaft erstrecken sich die Versteifungsrippen in axialer Richtung im wesentlichen über die gesamte Länge des Kolbenbolzens.The stiffening ribs advantageously extend in the axial direction essentially over the entire length of the piston pin.
Die gegenseitige Abstützung der Versteifungsrippen erfolgt vorteilhaft über einen Druckstab. Hierbei werden zunächst die Versteifungsrippen in die Außenhülse derart eingesetzt, daß im Bereich der Achse von den Verstärkungsrippen ein Raum gebildet wird, welcher denselben Querschnitt aufweist wie der Druckstab, in welchem der Druckstab eingeschoben wird. Ein besonders günstiger formschlüssiger Kontakt zwischen Außenhülse und Versteifungsrippen wird dadurch erreicht, wenn der von den Verstärkungsrippen gebildete Raum für den Druckstab und auch der Druckstab selbst in Axialrichtung leicht konisch ausgebildet ist, wodurch eine genügende Verspannung der Verstärkungsrippen in der Außenhülse bewerkstelligt wird.The mutual support of the stiffening ribs is advantageous via a push rod. Here, the stiffening ribs are first inserted into the outer sleeve used in such a way that there is a space in the area of the axis of the reinforcing ribs is formed, which has the same cross-section as the compression rod in which the push rod is pushed in. A particularly favorable form-fitting contact between the outer sleeve and stiffening ribs is achieved when the Reinforcing ribs formed space for the compression rod and also the compression rod itself is slightly conical in the axial direction, whereby a sufficient tension the reinforcement ribs in the outer sleeve is accomplished.
Die Versteifungsrippen können im Querschnitt radial angeordnet sein, sie können auch die Form einer ebenen Fläche endlicher Dicke aufweisen. Um ein seitliches Ausknicken der Versteifungsrippen im Umfangsrichtung zu vermeiden, können erfindungsgemäß die Versteifungsrippen aber auch die Form eines in Axialrichtung gewellten Bandes endlicher Dicke aufweisen.The stiffening ribs can be arranged radially in cross section, they can also have the shape of a flat surface of finite thickness. To a side To avoid buckling of the stiffening ribs in the circumferential direction, according to the invention the stiffening ribs but also the shape of a band corrugated in the axial direction have finite thickness.
Um eine ausreichende Biegesteifigkeit des Kolbenbolzens zu gewährleisten, sollte der Kolbenbolzen mindestens 3, vorzugsweise sechs bis acht M7ersteifunasrippen enthalten.To ensure sufficient flexural rigidity of the piston pin, the piston pin should have at least 3, preferably six to eight M7er stiffness ribs contain.
Eine besonders vorteilhafte Ausführunasform eines erfindungsgemäßen Kolbenbolzens ergibt sich dadurch, daß gleichzeitig Versteifungsrippen in Form einer ebenen Fläche endlicher Dicke und Versteifungsrippen in Form eines gewellten Bandes endlicher Dicke in die Außenhülse eingesetzt sind. Dabei hat sich besonders ein Kolbenbolzen bewährt, bei dem die Anzahl der Versteifungsrippen in Form einer ebenen Fläche endlicher Dicke doppelt so groß ist wie die Anzahl der Versteifungsrippen in Form eines gewellten Bandes endlicher Dicke. Es ist zweckmäßig, jeweils eine oder zwei Verstärkungsrippen in Form einer ebenen Fläche endlicher Dicke mit je einer Verstärkungsrippe in Form eines gewellten Bandes endlicher Dicke über deren Wellenberge miteinander zu verbinden.A particularly advantageous embodiment of one according to the invention Piston pin results from the fact that at the same time stiffening ribs in the form of a flat surface of finite thickness and stiffening ribs in the form of a corrugated band finite thickness are used in the outer sleeve. There has been a special one Proven piston pin in which the number of stiffening ribs in the form of a flat Area more finite Thickness is twice the number of stiffening ribs in the form of a corrugated band of finite thickness. It is useful to have one at a time or two reinforcing ribs in the form of a flat surface of finite thickness each a reinforcing rib in the form of a corrugated band of finite thickness over them To connect wave crests with each other.
Ein Umknicken der Verstärkungsrippen in Umfangsrichtung ist hierdurch praktisch ausgeschlossen. Hierbei hat sich eine Anzahl von mindestens drei, vorzugsweise sechs bis acht Verstärkungsrippen in Form eines gewellten Bandes endlicher Dicke bestens bewährt.This prevents the reinforcing ribs from buckling in the circumferential direction practically impossible. Here a number of at least three, preferably six to eight reinforcing ribs in the form of a corrugated band of finite thickness well proven.
Ein Ausknicken der Verstärkungsrippen in Umfangsrichtung kann auch dadurch wirksam vermieden werden, daß die zylindrische Außenhülse auf ihrer Innenseite Nuten. zur Aufnahme der Versteifungsrippen aufweist. Für die Ausführungsform ist ein separater Druckstab erforderlich, durch welchen die Verstärkungsrippen in die Nut gedrückt werden können. Die Verstärkungsrippen bestehen vorteilhaft aus Faserverbundwerkstoff, wobei als Fasern für den Fasern verbundwerkstoff sich besonders Kohlenstoff-Fasern und/oder Borfasern eignen. Ebenso können die Verstärkungsrippen aus einem keramischen Werkstoff oder aus mit Borfasern verstärktem Aluminium bestehen.A buckling of the reinforcement ribs in the circumferential direction can also effectively avoided that the cylindrical outer sleeve on its inside Grooves. for receiving the stiffening ribs. For the embodiment is a separate pressure rod is required, through which the reinforcing ribs in the Groove can be pressed. The reinforcement ribs are advantageously made of fiber composite material, carbon fibers in particular are used as fibers for the fiber composite material and / or boron fibers are suitable. The reinforcing ribs can also be made of a ceramic Material or made of aluminum reinforced with boron fibers.
Um die Biegesteifigkeit des Kolbenbolzens noch günstiger zu gestalten, und um ein Ausknicken der Versteifungsrippen in Umfangsrichtung sicher zu vermeiden, hat sich besonders ein Kolbenbolzen bewährt, bei dem die von den Stirnseiten des Kolbenbolzens zugänglichen, von der Hülse und den Versteifungsrippen gebildeten Zwischenräume mit Kunststoff gefüllt sind. Es können aber auch alle von der Hülse und den Versteifungsrippen gebildeten Zwischenräume mit Kunststoff gefüllt sein, wobei hierbei die von den Stirnseiten des Kolbenbolzens nicht zugänglichen Zwischenräume zwischen den Versteifungsrippen bereits vor Einschieben der Versteifungsrippen in die Außenhülse gefüllt werden können, wenn dies erforderlich ist.In order to make the bending stiffness of the piston pin even more favorable, and to reliably avoid buckling of the stiffening ribs in the circumferential direction, A piston pin has proven to be particularly effective, in which the from the end faces of the Piston pin accessible, formed by the sleeve and the stiffening ribs Interstices are filled with plastic. But it can also all from the sleeve and the stiffening ribs formed spaces with plastic filled be, in this case those inaccessible from the end faces of the piston pin Gaps between the stiffening ribs before the stiffening ribs are inserted can be filled into the outer sleeve if necessary.
Der die Zwischenräume ausfüllende Kunststoff enthält vorteilhaft Füllstoffe, vorzugsweise Verstärkungsfasern mit einem Volumenanteil von 60% und kann ein physikalisch oder chemisch härtender Kunststoff, wie beispielsweise ein Thermoplast oder ein Duromer sein.The plastic filling the gaps advantageously contains fillers, preferably reinforcing fibers with a volume fraction of 60% and can be a physically or chemically hardening plastic, such as a thermoplastic or a Be duromer.
Um sicher ein axiales Verschieben der Versteifungsrippen in der Hülse zu verhindern, weist die Außenhülse am einen oder an beiden Enden auf der Innenseite eine in der Umfangsrichtung verlaufende Nut auf, in welche die Versteifungsrippen und/oder der die Zwischenräume ausfüllende Kunststoff verankert ist (sind). Die Verankerung des Kunststoffes in der in Umfangsrichtung verlaufenden Nut der Außenülse ergibt sich dadurch, daß beim Befüllen der Zwischenräume mit diesem Kunststoff auch die Nut befüllt wird. Die Verankerung der Versteifungsrippen in der in Umfangsrichtung verlaufenden Nut der Außenhülse kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, daß die von den Versteifungsrippen und der Nut gebildeten Räume mit Kunststoff oder Kleber befüllt sind.To ensure an axial displacement of the stiffening ribs in the sleeve to prevent, has the outer sleeve at one or both ends on the inside a groove running in the circumferential direction into which the stiffening ribs and / or the plastic filling the gaps is (are) anchored. the Anchoring of the plastic in the circumferential groove of the outer sleeve results from the fact that when filling the spaces with this plastic too the groove is filled. The anchoring of the stiffening ribs in the circumferential direction running groove of the outer sleeve can be achieved, for example, that the spaces formed by the stiffening ribs and the groove with plastic or Glue are filled.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt senkrecht zur Achse eines erfindungsgemäßen Kolbenbolzens, Figur 2 eine Seitenansicht des Kolbenbolzens nach Figur 1, und zwar in der linken Figurenhälfte als Draufsicht, in der rechten Figurenhälfte als Draufsicht mit weggeschnittener Außenhülse, Figur 3 einen Schnitt senkrecht zur Achse einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenbolzens, Figur 4 eine Seitenansicht des Kolbenbolzens nach Figur 3, und zwar in der linken Figurenhälfte als Draufsicht, in der rechten Figurenhälfte als Draufsicht mit weggeschnittener Außenhülse.The invention is explained in more detail with reference to the following figures. They show: FIG. 1 a section perpendicular to the axis of a piston pin according to the invention, Figure 2 is a side view of the piston pin according to Figure 1, and although in the left half of the figure as a plan view, in the right half of the figure as Top view with the outer sleeve cut away, FIG. 3 a section perpendicular to the Axis of a further embodiment of a piston pin according to the invention, FIG 4 shows a side view of the piston pin according to FIG. 3, specifically in the left half of the figure as a plan view, in the right half of the figure as a plan view with cut away Outer sleeve.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Kolbenbolzen im Schnitt senkrecht zur Achse dargestellt. Hierbei ist die zylindrische Außenhülse mit 1 bezeichnet. Sechs Verstärkungsrippen 2 sind sternförmig angeordnet, stützen sich gegenseitig ab und sind mit der Innenseite der zylindrischen Außenhülse 1 in formschlüssigen Kontakt. Die Versteifungsrippen 2 sind radial angeordnet und haben die Form einer ebenen Fläche endlicher Dicke, wie sich in Verbindung mit Figur 2 ergibt.In Figure 1, a piston pin according to the invention is vertical in section shown to the axis. Here, the cylindrical outer sleeve is denoted by 1. Six reinforcing ribs 2 are arranged in a star shape and support one another from and are with the inside of the cylindrical outer sleeve 1 in a form-fitting manner Contact. The stiffening ribs 2 are arranged radially and have the shape of a flat surface of finite thickness, as can be seen in connection with FIG.
Die von der Hülse und den Versteifungsrippen gebildeten Zwischenräume 3 sind mit faserverstärktem, hochtemperaturbeständigem Kunststoff (Harz) befüllt. An beiden Enden der Außenhülse 1 sind auf deren Innenseite in Umfangsrichtung verlaufende Nuten 4 eingelassen, welche ebenfalls mit faserverstärktem Kunststoff (Harz) befüllt sind. Die zylindrische Außenhülse 1 besteht in vorliegendem Fall ganz aus Stahl. Das sternförmige Verstärkungsrippenprofil 2 ist in vielschichtigem Preg-preg-Aufbau ausgeführt, in dessen Schichten Kohlenstoff- und Borfasern verarbeitet sind.The spaces formed by the sleeve and the stiffening ribs 3 are filled with fiber-reinforced, high-temperature-resistant plastic (resin). At both ends of the outer sleeve 1 are running on the inside in the circumferential direction Grooves 4 let in, which are also filled with fiber-reinforced plastic (resin) are. In the present case, the cylindrical outer sleeve 1 consists entirely of steel. The star-shaped reinforcing rib profile 2 is in multi-layered Preg-preg construction carried out, in the layers of which carbon and boron fibers are processed are.
In Figur 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenbolzens dargestellt, in welchem gleichzeitig Versteifungsrippen in Form einer ebenen Fläche endlicher Dicke 7 und Versteifungsrippen in Form eines gewellten Bandes endlicher Dicke 5 in die Außenhülse eingesetzt sind. Jeweils zwei Versteifungsrippen in Form einer ebenen Fläche endlicher Dicke 7' bzw. 7'' sind mit einer Verstärkungsrippe in Form eines gewellten Bandes endlicher Dicke 5 über deren Wellenberge 10' bzw. 10'' verbunden. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Wellung der Verstärkungsrippe in Form eines gewellten Bandes endlicher Dicke 5 derart ausgebildet, daß die Verstärkungsrippe im Abstützungsbereich längs einer geraden Linie 9 verläuft und in Richtung Außenhülse in Wellenform übergeht. Die sichtbare Fläche der Verstärkungsrippe in Form eines gewellten Bandes endlicher Dicke 5 ist in Figur 4 durch Striche 11 angedeutet. Ist ein solches VerstärkungsripPengebilde, welches aus zwölf Verstärkungsrippen in Form einer ebenen Fläche endlicher Dicke 7 und aus sechs Verstärkungsrippen in Form eines gewellten Bandes endlicher Dicke 5 besteht, in die Außenhülse eingesetzt, so sind lediglich die zwischen Außenhülse und Verstärkungsrippen in Form einer ebenen Fläche endlicher Dicke 7' und 7''' gebildeten Zwischenräume für die Befüllung mit Kunststoff von außen zugänglich. Zweckmäßig werden diese Zwischenräume 8 mit Kohlenstoff-Kurzfasern enthaltendem Kunststoff (Harz) unter Druck befüllt. Auch die Nuten 4 sind wiederum mit Kohlenstoff-Kurzfasern enthaltendem Kunststoff (Harz) befüllt, wodurch die Verankerung des gesamten Gebildes in der Außenhülse gewährleistet ist.In Figures 3 and 4 is a further embodiment of an inventive Piston pin shown, in which at the same time stiffening ribs in the form of a flat surface of finite thickness 7 and stiffening ribs in the form of a corrugated band finite thickness 5 are inserted into the outer sleeve. Two stiffening ribs each in the form of a flat surface of finite thickness 7 'or 7 "are with a reinforcing rib in the form of a corrugated band of finite thickness 5 over its wave crests 10 'or 10 '' connected. In the embodiment shown here, the corrugation is the reinforcing rib in the form of a corrugated band of finite thickness 5 formed in such a way that the reinforcing rib runs in the support area along a straight line 9 and in the direction of the outer sleeve transitions into a waveform. The visible area of the reinforcement rib in the form of a corrugated band of finite thickness 5 is indicated in FIG. 4 by lines 11. is such a reinforcement rib structure, which consists of twelve reinforcement ribs in the form a flat surface of finite thickness 7 and six reinforcing ribs in the form of a corrugated band of finite thickness 5 is inserted into the outer sleeve so are only the one between the outer sleeve and the reinforcement ribs in the form of a flat surface of finite thickness 7 'and 7' '' formed spaces for filling with plastic accessible from the outside. These interspaces 8 are expediently made with short carbon fibers containing plastic (resin) filled under pressure. The grooves 4 are also in turn filled with plastic (resin) containing short carbon fibers, through which the anchoring of the entire structure in the outer sleeve is guaranteed.
Zum besseren Verständnis ist in Figur 4 in der rechten Figurenhälfte zwischen den Verstärkungsrippen in Form einer ebenen Fläche endlicher Dicke 7' und 7''' (nicht mehr dargestellt) der den Zwischenraum ausfüllende Kunststoff weggelassen.For a better understanding is in Figure 4 in the right half of the figure between the reinforcing ribs in the form of a flat surface of finite thickness 7 'and 7 '' '(no longer shown) the plastic filling the gap has been omitted.
Bei jeder Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenbolzens kann dieser nach seiner Herstellung zum Erreichen seiner endgültigen Form auf den ihm vorbestimmten Durchmesser geschliffen und/oder poliert werden.In each embodiment of a piston pin according to the invention can this after its manufacture to achieve its final shape on it ground and / or polished to a predetermined diameter.
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Claims (27)
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| DE3414259A1 true DE3414259A1 (en) | 1985-10-31 |
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