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BESCHREIBUNG
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Flügelzellenpumpe mit hakenförmigen Flügeln Die erfindung betrifft
eine Flügelzellenpumpe, insbesondere Flügelzellenvakuumpumpe, mit zwei oder mehr
in Flügelschlitzen eines Rotors bewegbaren Flügeln sowie Einrichtungen zum Einschränken
der radialen Flügelbewegung.
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Insbesondere bei Flügelzellenpumpen, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug
mit dem Fahrzeugantrieb derart gekoppelt sind, daß sie mit diesem ständig mitlaufen
und deren Aufgabe ist, einen Druckspeicher, z.B. Bremskraftverstärker, ständig auf
einem vorgegebenen Betriebsdruck bzw. Unterdruck zu halten, wurde auf vielfältige
Weise versucht, bei fehlendem Bedarf die Förderleistung der Pumpe zu unterbrechen
bzw. zu drosseln. Die Möglichkeit, die Pumpe ein- und auszuschalten, fordert einen
erheblichenlzusätzlichen Aufwand, der zudem die Störanfälligkeit des Aggregats erhöht.
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Es wurde versucht, die Flügelzellenpumpe bei fehlendem Bedarf dadurch
unwirksam zu machen, daß die Flügel von der Gehäusewand unter bestimmten Voraussetzungen
abgezogen oder abgeschwenkt wurden. So beschreibt beispielsweise die DE-OS 30 15
409 eine rotierende Vakuumpumpe mit einem sich exzentrisch in einer Gehäusebohrung
drehenden Rotor sowie mindestens einem Flügel mit einer Einrichtung zum Festhalten
des Flügels in einer die Pumpenwirkung ausschaltenden Lage.
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Diese Einrichtung besteht aus einer mit jedem Flügel gekuppelten Masse,
die bei höherer Drehzahl die Flügel mit ihren Stirnflächen von der Gehäuseinnenwand
abzieht.
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Die DE-OS 30 14 520 beschreibt eine Flügelzellenpumpe mit am Rotorumfang
schwenkbar befestigten Flügeln, die sich um ihre in der Rotoroberfläche liegenden
Gelenke entweder durch die
wirksamen Fliehkräfte oder durch eine Zwangsführung an die Gehäuseinnenwand
anlegen. Um die Flügel in einen Zustand zu schwenken, in dem die Förderung unterbrochen
ist, sind im Bereich jedes der schwenkbaren Flügel im wesentlichen radial gerichtete,
radial verschiebbare Stifte vorgesehen, die mit einem Ende in eine Ausnehmung im
kreisförmigen Endabschnitt des Flügels eingreifen und mit dem anderen Ende auf der
Mantelfläche eines in einer zentralen Bohrung der Welle des Drehkolbens axial verschiebbaren
Konus aufliegen. Durch axiale Verschiebung werden die Flügel eingeklappt oder freigegeben.
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Beide Konstruktionen sind unbefriedigend. Während erstere von außen
in ihrem Betriebsverhalten nicht beeinflußbar und ihrer Konzeption nach nur im niedrigen
Drehzahlbereich wirksam ist, was ihre Anwendungsmöglichkeit sehr stark begrenzt,
ist die andere aufwendig, mechanisch störanfällig und außerdem ausschließlich bei
der besonderen Form der schwenkbaren Flügel anwendbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es danach, Flügelzellenpumpen mit der Möglichkeit
auszustatten, die Pumpenflügel nach Bedarf, ggf. abhängig von einem festlegbaren
Enddruck im Ausgang bzw. Eingang der Pumpe, der größer oder kleiner als der atmosphärische
Luftdruck sein kann, in Betriebsstellung oder Leerlaufstellung zu bringen. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Flügelzellenpumpe der eingangs beschriebenen
Art dadurch gelöst, daß jeder in seiner Bewegung einschränkbare Flügel auf einer
Seitenfläche eine in dem zugehörigen Schlitz gleitende, achsparallele Leiste besitzt,
daß die mit der Leiste besetzte Seitenfläche mit ihrem radial weiter außen liegenden
Bereich auf einer Gegenleiste gleitet, daß Leiste und Gegenleiste eine abgeschlossene
Kammer bilden, die im Verlauf einer vollen Rotordrehung mindestens zeitweise mit
einem Druckmittelanschluß in
Verbindung steht und daß der Druckmittelanschluß mit einem Druckmittel
beaufschlagbar ist. Vorzugsweise ist die Flügelleiste jeweils am im Rotor liegenden
Ende des Flügels angeordnet und das Flügelende hakenförmig ausgebildet. Der Druckmittelanschluß
kann insbesondere abhängig vom erzeugten Unter- oder Überdruck beaufschlagbar sein.
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In einer besonderen Ausführungsform, insbesondere als Flügelzellenvakuumpumpe,
die in einem Kraftfahrzeug angeordnet und vom Fahrzeugmotor, etwa einem Benzineinspritz-
oder Dieselmotor, angetrieben ist, ist der als Druckmittelkanal ausgebildete Druckmittelanschluß
mit dem Schmierölkreislauf des Fahrzeugmotors zur Beaufschlagung mit Druckmittel
verbindbar. Die im Flügelschlitz vorgesehene Gegenleiste ist bevorzugt achsparallel
angeordnet.
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In einer weiteren Ausbildungsform sind im Rotor zwei in einem gemeinsamen
Flügelschlitz aufeinanderliegende Flügel vorgesehen, die beide im Bereich ihrer
im Rotor gelegenen Teile jeweils eine Leiste aufweisen. Die Leisten beider Flügel
sind einander zugekehrt, wobei die jeweilige Leiste des einen Flügels auf der ihr
zugewandten Seite des anderen Flügels gleitet und beide Leisten zwischen sich einen
Druckraum (im folgenden auch Hakenraum genannt) bilden. Die Leisten beider Flügel
können durch hakenförmige Ausbildung der im Rotor gelegenen Flügelendeaentstehen,
wobei die Hakenköpfe zwischen sich den Druckraum bilden, der sich in seiner Längenausdehnung
während der Rotordrehung ständig zwischen zwei Grenzwerten verändert.
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In einer besonderen Ausführungsform sind beide Pumpenflügel auch an
ihren zur Gehäuseinnenwand zeigenden Enden mit Hakenköpfen versehen. Deren radiale
Ausdehnung kann so bemessen sein, daß die äußeren Flügelbegrenzungen bei vollständig
eingefahrenen Flügeln in der Hüllfläche des Rotors
liegen und der
innen liegende Hakenkopf jeweils eines Flügels annähernd an der Innenfläche des
außen liegenden Hakenkopfes des jeweils anderen Flügels anliegt. Weitere mögliche
Ausführungsformen der Flügel sowie der Druckmittelversorgung der Hakenräume ergeben
sich aus den diesbezüglichen Unteransprüchen.
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Bei eingefahrenen Flügeln kann es vorteilhaft sein, die Schmierölzufuhr
zum Pumpeninnenraum zu drosseln. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die
üblicherweise in einer oder beiden seitlichen Gehäusewänden vorgesehenen Schmierölbohrungen
innerhalb des vom Rotor überdeckten Bereichs derart angeordnet sind, daß sie bei
eingezogenen Flügeln ständig abgedeckt sind.
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Der Hakenraum kann auf verschiedene Weise mit einem das Einfahren
der Flügel bewirkenden Druck beaufschlagt werden.
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Eine einfache Möglichkeit ergibt sich durch die Verbindung des Hakenraumes
mit dem Pumpenausgang, d.h dem Druckraum oder etwa bei Anordnung der pumpe in einem
Kraftfahrzeug und ihrem Antrieb durch den Kraftfahrzeugmotor, durch Verbindung mit
dem Schmierölkreislauf des letzteren. Dabei ist beispielsweise in die Verbindung
als Überdruckventil wirkend ein Rückschlagventil eingebaut, das unter Wirkung einer
vorzugsweise einstellbaren Druckfeder gegen den Druckraum abgeschlossen ist unterst
öffnet, wenn ein bestimmter die Federkraft überwindender Druck im Druckraum erreicht
ist.
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Andere Möglichkeiten ergeben sich aus den Ansprüchen, wobei die Beeinflussung
der Flügelbewegungen beispielsweise auch abhängig von der Pumpendrehzahl geschehen
kann.
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Anhand der beigegebenen Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 Flügelzellenpumpe mit Flügelsteuerung durch ein Zwei-Wegeventil;
Fig. 2 relative Lage von Hakenraum und Anschlußbohrung; bis 5
Fig. 6 Pumpe mit im Rotor eingefahrenen Flügeln; Fig. 7 Pumpe mit vier Einzelflügeln;
Fig. 8 Pumpe mit S- bzw. Z-förmigem Flügelquerschnitt.
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Im Innenraum eines Pumpengehäuses 1 ist exzentrisch so, daß er zur
Gehäuseinnenwand 2 einen minimalen Abstand hat, der Rotor 3 angeordnet. Im Flügelschlitz
6 des Rotors 3 sind gegeneinander und gegenüber den Schlitzwänden 14 leicht beweglich
die Flügel 4 und 5 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform weisen die Flügel
4, 5 im Querschnitt außer den für die Erfindung - wie im weiteren noch erläutert
wird - wesentlichen inneren Hakenköpfen 7 auch an ihren zur Gehäuseinnenwand 2 weisenden
Enden Hakenköpfe 8 auf. In der Rotorachse liegt eine Anschlußbohrung 9 für die Druckmittelversorgung
des oder der Hakenräume 10, die in den Flügelschlitz 6 mündet. Sie kann entweder
in der Rotorwelle, bei deren zweiseitiger Lagerung in dem der Antriebsseite abgewandten
Wellenzapfen oder - bei fliegender Lagerung - in der von der Antriebsseite abgelegenen
Stirnwand des Gehäuses 1 angeordnet sein. Um die Verbindung des Hakenraumes 10 in
jeder Lage des Rotors sicherzustellen, kann die Mündung der Anschlußbohrung 9, insbesondere
wenn sie in der abseitigen Gehäuseinnenwand liegt, eine vorzugsweise kreisförmige
Erweiterung 13 haben. Wie aus Fig. 1 deutlich wird, ist es bei der Wahl entsprechender
Abmessungen möglich, den Hakenraum auch in der dargestellten extremen Lage zu versorgen,
ohne daß auch der Raum zwischen dem im Rotor liegenden Ende des Flügels 4 und dem
Außenhaken 8 des Flügels 5 mit dem Anschluß 9 verbunden ist.
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Bei einer besonderen Ausführungsform können die Seitenwände 14 des
Flügelschlitzes 6, die Gleitflächen 11 und 12 der Flügel und die Berührungsflächen
der Hakenköpfe 7 und 8 mit
den Flächen 11 und ggf. auch 14 mit
hochabriebfesten Schleißblechen oder einem metallischen, keramischen, mineralischen,
einem Glas- oder einem Kunststoffüberzug versehen sein, um so den Verschleiß erheblich
zu vermindern. Als Überzüge können beispielsweise Chrom, Chromlegierungen, Hartemail,
Glas, Keramik, Kunststoff wie Polytetrafluorethylen und andere dienen.
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In Fig. 1 ist eine besondere Ausbildungsform der Steuerung der Flügelbewegungen
schematisch dargestellt, wobei 19 ein Zwei-Wegeventil ist, das durch eine Steuerung
22 mit Membran und Stößel betätigt werden kann. Vom Ventil 19 führt eine Leitung
24 zur Anschlußbohrung 9, eine zweite Leitung 25 zum Schmierölanschluß 15, der so
liegt, daß er durch den Rotor 3 abgedeckt ist. Der Ventileinlaß liegt an zwei Versorgungsleitungen,
einem Druckanschluß 16, hier mit einem (+) markiert, und einem Unterdruckanschluß
17, mit (-) markiert. Die dargestellte Ventilstellung, bei der der Druckanschluß
über die Leitung 24 mit der Anschlußbohrung 9, der Unterdruckanschluß mit dem Schmierölanschluß
15 verbunden ist, wird als Ventilstellung 1 bezeichnet, die zum Einziehen der Flügel
4, 5 in den Rotor führt. Wird die Verbindung durch den Ventilteil 21 (Schaltstellung
2) hergestellt, so liegt Unterdruck am Hakenraum 10 und die Flügel werden wieder
ausgefahren, während der Ölanschluß 18 wieder mit Öl versorgt wird. Die Steuerung
des Zwei-Wegenventils 19 erfolgt über den Steueranschluß 23. Der Steueranschluß
ist mit dem Einlaß (nicht dargestellt) der Flügelzellenpumpe verbunden. Wenn der
Unterdruck im Einlaß unter einen vorgegebenen Wert fällt, beult sich die Membran
(in Fig. 1) nach rechts aus und nimmt den Stößel mit. Hierdurch wird das Ventil
umgeschaltet. Die Figuren 2 bis 5 geben verschiedene Rotorstellungen während einer
Rotordrehung wieder, aus denen ersichtlich ist, in welchen Rotorstellungen der Hakenraum
auch bei ungünstigen Abmessungen mit der Anschlußbohrung 9
bzw.
der Erweiterung 13 in Verbindung steht. Es hat sich aber gezeigt, daß die Überdeckung
beispielsweise, die bei einer Rotorstellung vor der in Fig. 5 gezeigten beginnt
und bei einer Rotorstellung nach der in Fig. 2 dargestellten endet, mit Sicherheit
ausreicht, um das Einfahren der Flügel zu gewährleisten, da sich der Überdeckungsbereich
mit dem fortschreitenden Einziehen vergrößert.
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Fig. 6 stellt die Situation bei eingezogenen Flügeln dar. In dieser
Stellung werden die Flügel 4, 5 so lange sicher festgehalten, wie die Verbindung
mit dem Druckanschluß andauert.
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Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe,
bei der vier jeweils einzeln in zugehörigen Schlitzen 42 geführte Flügel 43 vorgesehen
sind. Die jeweils innrhalb der Flügelschlitze 42 liegenden Leisten 7 der Flügel
43 bilden zusammen mit den Gegenleisten 44 der Flügelschlitze 42 die Druck- oder
Hakenräume 10; deren Längenänderung im Verlauf einer Rotordrehung sind aus den vier
dargestellten Flügelstellungen deutlich erkennbar.
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Die Schlitze 42 im Rotor 3 enden in einer Tiefe, die nicht kleiner
sein soll als die radiale Flügellänge; vorzugsweise sind beide Werte etwa gleich,
so daß die äußeren Begrenzungen der Flügel 43 im vollständig eingefahrenen Zustand
in der Hüllfläche des Rotors 3 liegen. Im Rotor 3 ist eine Zentralbohrung 32 vorgesehen,
deren Achse vorzugsweise mit der Rotorachse zusammenfällt und mit der die Flügelschlitze
42 über Verbindungskanäle 33 verbunden sind.
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Die Versorgung der Druck- oder Hakenräume 10 mit Druckflüssigkeit
erfolgt bei der dargestellten Pumpe über eine entweder in einer Stirnfläche des
Rotors 3 oder in der angrenzenden Gehäusestirnwand vorgesehene Nut 31, die konzentrisch
zur
Rotorhüllfläche verläuft und in der der Druckmittelkanal 9 an einer beliebigen Stelle
mündet. Die Nut 31 ist vorteilhaft so gelegt, daß ihre in radialer Richtung äußere
Begrenzung im wesentlichen mit den zur Rotorachse hin weisenden Kanten der Rotorleisten
44 zusammenfällt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Druckräume 10 auch
bei ihrer kleinsten Längenausdehnung mit dem Druckmittelkanal 9 verbunden bleibt.
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Die Funktion der Flügelzellenpumpe wird nun anhand der dargestellten
Ausführungsform beschrieben, wobei mit 19 ein Mehrwegeventil, mit 34 eine Pumpe,
beispielsweise die Schmierölpumpe eines Kraftfahrzeugs, mit 35 der Tank bzw.
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Ölsumpf bezeichnet wird. Das Mehrwegeventil weist zwei Schaltabschnitte
(Stellungen) 20 und 21 auf. Zu seiner Verschiebung zwischen den Stellungen 20 und
21 ist eine Seite des Mehrwegeventils über eine Steuerung 22, die Leitung 37 und
den Anschluß 39 mit dem Saugeinlaß der Pumpe verbunden, die andere Seite durch eine
Feder 36 belastet. In der dargestellten Schaltstellung 20 des Ventils 19 ist die
Zentralbohrung 32 über die Leitung 40 durch die Pumpe 34 unter Druck gesetzt, während
die Leitung 41 die Ringnut 31 über den Druckmittelkanal 9 mit dem Tank 35 verbindet.
Über die Verbindungskanäle 33 wirkt damit der Pumpendruck auf die radial nach innen
zeigenden Fußflächen der Flügel 42 und drückt diese nach außen gegen die Gehäuseinnenwand
2. Hat der Druck bzw. Unterdruck im Verbraucher, beispielsweise dem Bremskraftverstärker
38, seinen Sollwert erreicht, so wird das Ventil 19 in die Stellung 21 geschaltet.
Nun liegt die Zentralbohrung 32 am Tank, während die Nut 31 über den Druckmittelkanal
9 mit Druck beaufschlagt wird. Damit werden die Druck- oder Hakenräume 10 unter
Druck gesetzt und die Flügel 42 eingefahren; die Pumpwirkung hört damit auf, bis
das Ventil 19 erneut umgesteuert wird.
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Die Fig. 8 schließlich zeigt eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe
mit gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 abgewandeltem Flügelquerschnitt, der
hier für beide in ihrem gemeinsamen Flügelschlitz 27 geführte Flügel 4, 5 S-Form
zeigt. Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, ist der mittlere Bereich des Schlitzes
symmetrisch zu einer Axialebene während die am Rotorumfang mündenden, erweiterten
Schlitzteile 27 gegeneinander seitlich versetzt sind. Den Übergang zwischen dem
symmetrischen und dem versetzten Teil des Schlitzes bilden die Gegenleisten 26,
die mit den im Rotor liegenden Leisten oder Hakenköpfen 7 der Flügel 4, 5 die Druck-
oder Hakenräume 10 bilden. Bei ihrer Bewegung im Schlitz gleiten die Flügel 4, 5
mit ihren einander zugekehrten Flügelflächen 28, 29 aufeinander, während die inneren
Leisten oder Hakenköpfe 7 der Flügel 4, 5 auf den Schlitzseitenwänden 30 gleiten.
Der Lage und Größe des Druckraumes 10 bei voll ausgefahrenem Flügel 5 entsprechend
weist die mit dem Druckmittelkanal 9 verbundene, kreisringförmige Nut 31 einen sehr
kleinen Außendurchmesser auf, weshalb an ihre Stelle deshalb auch die kreisförmige
Ausnehmung 13 der Fig.
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1 treten kann. Da sich dabei an der beschriebenen Funktion nichts
ändert, können die Flegel 4, 5 statt der dargestellten S-Form auch einen Z-förmigen
Querschnitt haben. Ähnlich wie für die Fig. 1 beschrieben, muß auch hier bei der
Bemessung der Flügelabmessungen beachtet werden, daß die in Durchmesserrichtung
gemessene Flügellänge zusammen mit der in der gleichen Richtung gemessenen Dicke
des Hakenkopfes 8 nicht größer ist als der Rotordurchmesser.
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Die Erfindung bietet die Möglichkeit, die Pumpenfunktion nach beliebigen
Betriebsparametern ein- oder auszuschalten, indem das Ventil zur Druckbeaufschlagung
des Hakenraumes in Abhängigkeit von diesem Betriebsparameter geschaltet wird.
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Wird die Pumpe zur Erzeugung eines hohen Druckes benutzt, kann eine
Sicherung gegen unzulässig hohen Druck erfolgen.
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Wird die Pumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks benutzt, so kann die
Pumpe bei einem vorgegebenen Unterdruck abgeschaltet werden.
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BEZtJGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Pumpengehäuse 2 Gehäuseinnenwand 3 Rotor
4 Flügel, Pumpenflügel 5 Flügel, Pumpenflügel 6 Schlitz, Flügelschlitz 7 Hakenkopf
8 Hakenkopf 9 Anschluß, Anschlußbohrung, Druckmittelkanal 10 Hakenraum 11 Flügelfläche,
Gleitfläche 12 Gleitfläche 13 Mündung, Erweiterung, Ausnehmung 14 Schlitzseitenwand
15 Schmierölanschluß, Schmierölbohrung 16 Druckanschluß (+) 17 Unterdruckanschluß
(-) 18 Rotorumfang 19 Ventil, Zwei-Wegeventil 20 Stellung 1 21 Stellung 2 22 Steuerung
23 Steueranschluß 24 Leitung 25 Leitung 26 Leiste, Gegenleiste 27 Flügelschlitz,
erweiterter Flügelschlitz 28 Flügelfläche 29 Flügelfläche 30 Schlitzfläche
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Nut 32 Zentralbohrung 33 Verbindungskanal 34 Pumpe, Schmierölpumpe 35 Tank, Ölsumpf
36 Feder 37 Leitung 38 Bremskraftverstärker 39 Anschluß 40 Leitung 41 Leitung 42
Schlitz 43 Flügel 44 Gegenleiste 45 Einlaß 46 Auslaß
- Leerseite
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