ES2964236T3 - Componente articulado y sistema mecánico que comprende dicho componente - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un componente articulado (1) con un grado de libertad, que comprende al menos dos anillos concéntricos (10, 20), giratorios entre sí alrededor de un eje central, que definen una interfaz de fricción (40) entre ellos, y que incluye: un anillo exterior (10) que tiene una superficie de fricción interior (12), y un anillo interior (20) que tiene una superficie de fricción exterior (22) y una superficie de fricción interior (24) proporcionada para recibir un elemento móvil guiado por el componente (1) para girar, oscilar y/o trasladarse. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Componente articulado y sistema mecánico que comprende dicho componente
Campo técnico
La presente invención se refiere a un componente articulado que comprende al menos dos anillos concéntricos que son móviles entre sí y definen una interfaz de fricción entre ellos. La invención también se refiere a un sistema mecánico que comprende dicho componente.
El campo de la invención es el de los elementos de guía que proporcionan una función de guiado traslacional o rotacional, en movimiento continuo o alternativo.
Estado de la técnica
Típicamente, tal miembro de guiado consiste en un anillo, diseñado para montarse con la capacidad de articular y/o deslizar un elemento como un eje o una flecha.
En la práctica, estos sistemas mecánicos están sometidos a esfuerzos considerables en servicio: alta presión, corrosión, abrasión e impacto. Para mejorar su vida útil, se proporciona lubricación entre el casquillo y el eje.
El anillo puede equiparse con dispositivos que actúan como depósito de grasa, como se describe, por ejemplo, en los documentos EP0987456, WO2014091123 y WO2014091124 a nombre del Solicitante.
Cuando el sistema mecánico está en uso, la grasa fluye gradualmente fuera de los dispositivos para lubricar la interfaz de fricción entre el anillo y el eje. De este modo, las disposiciones permiten que el engrase se lleve a cabo únicamente durante el montaje, o con intervalos de engrase muy largos.
Además, el documento US 2016/032561 A1 describe un componente articulado con un grado de libertad según el preámbulo de la reivindicación 1, que comprende dos anillos concéntricos giratorios entre sí, y que definen una interfaz de fricción entre ellos. El anillo exterior tiene una superficie de fricción interior, y el anillo interior tiene una superficie de fricción exterior y una superficie de fricción interior adaptada para recibir un miembro móvil. El componente articulado incluye lubricante en la interfaz de fricción entre los anillos, y medios de sellado diseñados para evitar fugas de lubricante.
El Solicitante tiene una experiencia considerable en el campo de los componentes de guiado, y busca continuamente mejorar los sistemas existentes.
Descripción de la invención
El objeto de la presente invención es proporcionar un componente articulado mejorado, en particular con una excelente resistencia al desgaste y al agarrotamiento, y una vida útil mejorada.
Para ello, el objeto de la invención es un componente articulado con un grado de libertad de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende al menos dos anillos concéntricos, giratorios entre sí alrededor de un eje central, que definen una interfaz de fricción entre ellos, y que incluyen: un anillo exterior, y un anillo interior que tiene una superficie de fricción interior diseñada para recibir un elemento móvil guiado por el componente en rotación, oscilación y/o traslación. De acuerdo con la invención, la interfaz de fricción entre los anillos recibe un lubricante y el componente articulado comprende medios de sellado diseñados para evitar fugas de lubricante de la interfaz de fricción. El componente articulado comprende tres anillos concéntricos con una única interfaz de fricción definida entre los tres anillos y un anillo intermedio de material compuesto.
De este modo, la invención permite ofrecer un componente resistente, que ocupa poco espacio y es fácil de instalar. El componente tiene una vida útil mejorada en comparación con un componente formado por un solo anillo de dimensiones y dimensiones totales similares.
En un ejemplo fuera del alcance de la invención, el componente puede tener tres superficies de fricción, formando tres superficies de desgaste. En comparación con un componente consistente en un único anillo con una única superficie de fricción interna, la vida útil del componente según la invención debería multiplicarse por tres. Sorprendentemente, los experimentos han demostrado que su vida útil se multiplica al menos por cinco.
En el caso de un anillo de junta simple, el desgaste se localiza generalmente en un sector angular que se extiende a lo largo de 1/3 de la circunferencia. En el caso de la invención, el anillo interior gira en relación con el anillo exterior, lo que aumenta considerablemente la superficie potencial de desgaste y, por tanto, la vida útil del componente. En la práctica, se observa que la interfaz de fricción entre los dos anillos es la que sufre el mayor esfuerzo. Las superficies de fricción opuestas actúan como principales superficies de desgaste. Cuando esta interfaz se agarrota, la superficie de fricción interior del anillo interior pasa a ser la superficie de desgaste.
Ventajosamente, el componente tiene tres superficies de fricción que pueden estar provistas de un tratamiento o recubrimiento superficial y/o de disposiciones capaces de actuar como reserva de lubricante. De esta forma, la invención ofrece un mayor control sobre el diseño del componente, permitiendo adaptar su resistencia al desgaste a cada aplicación.
De acuerdo con otras características ventajosas de la invención, tomadas por separado o en combinación:
- Las superficies de fricción que delimitan la interfaz de fricción son cilíndricas.
- Las superficies de fricción que delimitan la interfaz de fricción están ligeramente curvadas. El radio absoluto de curvatura de cada superficie de fricción es estrictamente mayor que el radio de la interfaz de fricción en cuestión. El lubricante es grasa.
- El componente comprende elementos laterales que limitan el movimiento axial y angular del anillo interior con respecto al anillo exterior.
- Los medios de estanquidad comprenden una brida en un primer lado de la interfaz de fricción, y un resalte en un segundo lado de la interfaz de fricción.
- Los medios del lacre comprenden un reborde en cada lado del interfaz de la fricción.
- Los medios del lacre comprenden una arandela interpuesta entre el anillo interno por una parte, y el reborde o el hombro por otra parte, en cada lado del interfaz de la fricción.
- La arandela es de PTFE.
- Al menos una de las superficies de fricción tiene un tratamiento o revestimiento superficial con propiedades físicas diferentes a las del material base del anillo.
- El tratamiento o revestimiento superficial es multicapa o monocapa.
- El revestimiento se produce por deposición física de vapor (PVD). El recubrimiento se produce mediante deposición química en fase vapor (CVD). El revestimiento se produce por pulverización en caliente.
- El revestimiento se aplica por pulverización en frío.
- El revestimiento se pulveriza en forma de polvo.
- El revestimiento se pulveriza en forma de gota.
- El revestimiento se realiza por pulverización térmica de oxicombustible a alta velocidad (HVOF).
- El revestimiento se aplica mediante revestimiento láser.
- El revestimiento es antiadherente.
- El revestimiento comprende una capa exterior de carbono diamante (DLC), en particular con un espesor de entre 1 y 5 pm, por ejemplo 3 pm.
- El revestimiento comprende una capa exterior de material compuesto autolubricante, en particular a base de resina y/o refuerzo tejido o no tejido, que comprende, por ejemplo, PTFE, MoS2 o cargas de tipo grafito.
- El revestimiento comprende un barniz polimérico.
- El tratamiento es de nitruración, y la superficie de fricción tiene una capa combinada (capa blanca) con un espesor de entre 5 y 50 pm, por ejemplo 20 pm.
- El tratamiento es de cementación hasta un espesor de entre 0,5 y 4 mm, por ejemplo 2 mm.
- Al menos una de las superficies de fricción comprende disposiciones capaces de actuar como reserva de lubricante. Las disposiciones comprenden cavidades de sección transversal circular o en forma de panal.
- Las cavidades son macrocavidades, cada una de las cuales tiene un diámetro comprendido entre 2 y 15 mm, por ejemplo, 6 mm. Las cavidades son microcavidades, cada una con una longitud mayor de entre 15 y 100 pm, y una profundidad de entre 50 nm y 100 pm.
- Las disposiciones comprenden ranuras circulares o helicoidales.
- Las disposiciones incluyen una cuadrícula.
- Las disposiciones comprenden vigas.
- Una misma superficie puede tener varios tipos de disposición o un solo tipo.
- Las guarniciones tienen una densidad de superficie comprendida entre el 5 y el 65%, definiéndose esta densidad de superficie como la relación entre la superficie total cubierta por las guarniciones y la superficie total de dicha zona que incluye estas guarniciones.
- Cada superficie de fricción tiene un tratamiento o revestimiento superficial con propiedades físicas diferentes del material base del anillo y/o de los accesorios que puede actuar como depósito de lubricante.
- Al menos una de las superficies de fricción tiene tanto un tratamiento o recubrimiento superficial con propiedades físicas diferentes al material base del anillo, como disposiciones capaces de actuar como depósito de lubricante. - El anillo exterior y/o el anillo interior están hechos de metal, por ejemplo acero, hierro fundido, aluminio, aleación de cobre, etc. El anillo exterior y/o el anillo interior son de material compuesto.
- El componente comprende sólo dos anillos concéntricos, estando definida la interfaz de fricción directamente entre la superficie de fricción interior del anillo exterior y la superficie de fricción exterior del anillo interior. El componente articulado comprende al menos tres anillos concéntricos.
- De acuerdo con la invención, el componente articulado comprende tres anillos, con una única interfaz de fricción definida entre los tres anillos. En otras palabras, dos anillos están fijados entre sí, por ejemplo mediante pegado, soldadura o cualquier otra técnica.
- El anillo intermedio es autolubricante. Más concretamente, la superficie de fricción exterior y/o la superficie de fricción interior del anillo intermedio son autolubricantes.
- El anillo intermedio comprende un bobinado de tiras de tejido y una resina que comprende cargas, mezcladas para producir un producto homogéneo, estando las tiras cruzadas en varias capas por bobinado de filamentos.
- De acuerdo con la invención, el anillo intermedio está hecho de un material compuesto.
La invención también se refiere a un sistema mecánico, que comprende un componente articulado como el mencionado anteriormente, y un elemento móvil guiado por el componente en rotación, oscilación y/o traslación. El sistema mecánico comprende cuatro superficies de fricción, a saber, la superficie externa del eje y las tres superficies del componente articulado. La vida útil del sistema mecánico es muy superior a la de un eje montado en un anillo.
Breve descripción de los dibujos
La invención se comprenderá mejor leyendo la siguiente descripción, dada únicamente a título de ejemplo no limitativo y hecha con referencia a los dibujos anexos en los que:
- La figura 1 es una vista en perspectiva en despiece de un sistema mecánico que comprende un eje y un elemento articulado compuesto por dos anillos y medios de estanqueidad;
- La figura 2 es una vista lateral del componente de la figura 1;
- La figura 3 es una vista en perspectiva del componente de la figura 1;
- La figura 4 es una sección a lo largo de la línea IV-IV de la figura 2;
- La figura 5 es una vista en perspectiva ampliada del detalle V de la figura 4;
- La figura 6 es una vista en perspectiva en despiece de otro sistema mecánico que comprende un eje y una variante de un componente articulado;
- Las figuras 7 a 10 son vistas similares a las de las figuras 2 a 5, para el componente de la figura 6;
- Las Figuras 11 y 12 son vistas similares a las Figuras 4 y 5, para otra variante del componente, que comprende tres anillos que definen dos interfaces de fricción entre ellos; y
- Las figuras 13 y 14 son vistas similares a las figuras 4 y 5, para otra variante de un componente conforme a la invención, que comprende tres anillos que definen una única interfaz de fricción entre ellos.
Las configuraciones representadas en las figuras 1 a 12 no se ajustan a la invención, pero son útiles para comprenderla. Las configuraciones representadas en las figuras 13 y 14 son conformes a la invención.
Descripción detallada de la invención
Las figuras 1 a 5 muestran un sistema mecánico que comprende un elemento articulado 1, también de acuerdo con la invención, y un eje 2 montado en el elemento 1. El eje 2 es guiado por el elemento articulado 1 en rotación (giro en un solo sentido, generalmente a lo largo de varias revoluciones), oscilación (giro en dos sentidos alternos, generalmente a lo largo de una porción de revolución) y/o traslación (movimiento en sentido axial).
El elemento articulado 1 comprende dos anillos concéntricos 10 y 20, giratorios entre sí alrededor de un eje central X1. Los dos anillos 10 y 20 definen entre ellos una interfaz de fricción 40 que recibe un lubricante L, preferentemente grasa.
Los dos anillos 10 y 20 incluyen un anillo exterior 10 y un anillo interior 20. El anillo exterior 10 tiene una superficie de fricción cilíndrica interior 12 y una superficie de apoyo cilíndrica exterior 14. El anillo interior 20 tiene una superficie de fricción cilíndrica exterior 22 y una superficie de fricción cilíndrica interior 24.
Las superficies 12 y 22 definen la interfaz de fricción 40 entre ellas, radialmente al eje central X1. La superficie 14 está prevista para el montaje del anillo exterior 10 en un orificio. Un canal 42 atraviesa radialmente el anillo 10 entre las superficies 12 y 14, para lubricar la interfaz 40. La superficie 24 está destinada a recibir el eje 2, más concretamente la superficie cilíndrica exterior 4 del eje 2. De este modo, el eje 2 es guiado por el componente 1 en rotación, oscilación y/o traslación.
El componente 1 incluye medios de sellado 60 diseñados para evitar fugas de lubricante L de la interfaz de fricción 40. El componente 1 constituye así una estructura estanca lubricada. Por consiguiente, la rotación relativa entre los anillos 10 y 20 se facilita en gran medida y se reduce el riesgo de agarrotamiento.
Los medios de estanquidad 60 comprenden elementos laterales 62, 64, 66 y 68 que limitan el movimiento axial del anillo interior 20 con relación al anillo exterior 10. Más concretamente, los medios de estanquidad 60 comprenden un reborde 62 y una arandela 66 en un primer lado de la interfaz 40, y un resalte 64 y una arandela 68 en un segundo lado de la interfaz de fricción 40. Los elementos 62, 64, 66 y 68 son anulares y están centrados en el eje X1. El resalte 64 pertenece al anillo 10. Los elementos 62, 66 y 68 están separados de los anillos 10 y 20. La arandela 68 está montada en una ranura 67 formada en el anillo 10, contra el resalte 64. Los elementos 62 y 66 están montados en un alojamiento 61 previsto a tal efecto en el anillo 10, frente al resalte 64.
Alternativamente, los medios de estanqueidad 60 pueden comprender dos bridas desmontables montadas en lados opuestos del componente 1.
El componente 1 no es giratorio, es decir, no forma una rótula. El componente montado 1 tiene un único grado de libertad, a saber, la conexión pivotante entre los anillos 10 y 20 alrededor del eje central X1. Los anillos 10 y 20 pueden girar libremente entre sí alrededor del eje X1, pero no pueden moverse libremente en los demás grados de libertad, en traslación y rotación.
Las superficies de fricción 12 y 22 pueden ser cilíndricas.
Alternativamente, las superficies 12 y 22 pueden ser ligeramente convexas. En otras palabras, las superficies 12 y 22 son superficies de revolución, con una sección transversal circular y una generatriz elíptica o parabólica. La curvatura de cada una de las superficies 12 y 22 (considerada en un plano radial que incluye el eje X1) tiene un radio que es siempre mayor que el radio (considerado en un plano transversal al eje X1) de la interfaz de fricción 40. Preferentemente, al menos una de las superficies de fricción 12/22/24 tiene un tratamiento o revestimiento superficial con propiedades físicas diferentes del material base del anillo 10/20 correspondiente.
Aún más preferentemente, al menos una de las superficies de fricción 12/22/24 comprende disposiciones capaces de actuar como reserva de lubricante L.
Aún más preferentemente, cada superficie de fricción 12/22/24 comprende un tratamiento superficial o revestimiento que tiene propiedades físicas diferentes del material base del anillo 10/20; y/o disposiciones capaces de actuar como una reserva de lubricante L.
A modo de ejemplo no limitativo:
- los anillos 10 y 20 son de acero;
- la superficie 12 se somete a un tratamiento de nitruración y presenta una capa exterior 16 de acero nitrurado, con una capa combinada (capa blanca) que tiene un espesor del orden de 20 pm;
- la superficie 12 comprende disposiciones 18 en forma de cavidades de sección circular, regularmente distribuidas alrededor del eje central X1, aptas para actuar como reserva de lubricante L en la interfaz 40 entre los anillos 10 y 20;
- la superficie 22 está recubierta de una capa exterior 26 de carbono amorfo del tipo DLC, con un espesor del orden de 3 pm, con o sin una subcapa (compuesta por ejemplo de cromo o nitruro de cromo); y
- la superficie 24 comprende disposiciones 28 en forma de ranuras circulares, enrolladas alrededor del eje central X1 y espaciadas regularmente a lo largo del eje central X1, aptas para actuar como reserva de lubricante L en la interfaz entre el anillo 20 y el eje 2.
Se presenta un componente articulado 1 resistente, que ocupa poco espacio y es fácil de usar.
El componente 1 que comprende dos anillos 10 y 20 tiene una vida útil mejorada en comparación con un componente que consta de un solo anillo y que tiene dimensiones y dimensiones totales similares.
En el caso de un solo anillo articulado, el desgaste se localiza generalmente en un sector angular que se extiende sobre 1/3 de la circunferencia. En el caso de la invención, el anillo interior 10 gira con respecto al anillo exterior 20, lo que aumenta considerablemente la superficie potencial de desgaste y, por tanto, la vida útil del componente.
En la práctica, se observa que la interfaz de fricción 40 entre los dos anillos 10 y 20 se somete a esfuerzos en primer lugar. Las superficies de fricción opuestas 12 y 22 actúan como principales superficies de desgaste. Cuando esta interfaz 40 se agarrota, la superficie de fricción interna 24 del anillo interior 20 en contacto con la superficie 4 del eje 2 toma el relevo como superficie de desgaste.
El componente 1 tiene tres superficies de fricción 12, 22 y 24 que forman tres superficies de desgaste, que pueden estar provistas de tratamiento, recubrimiento y/o arreglos. De este modo, un mayor control sobre el diseño del componente permite adaptar su resistencia al desgaste a cada aplicación.
El sistema mecánico comprende cuatro superficies de fricción, a saber, la superficie exterior 4 del eje 2, y las superficies 12, 22 y 24 del componente 1. La vida útil del sistema mecánico mejora considerablemente, en comparación con un eje montado en un solo anillo.
En las figuras 6 a 14 se muestran otras variantes de componentes articulados 1. Algunas de las partes constituyentes del componente 1 son comparables a las de la primera realización descrita anteriormente y, en aras de la simplicidad, llevan las mismas referencias numéricas.
Las figuras 6 a 10 muestran otro sistema mecánico que comprende una variante del componente 1 y un eje montado en el componente 1. Las superficies de fricción 12/22/24 están desprovistas de tratamiento o revestimiento superficial, y de disposiciones de depósito de lubricante L. Los medios de estanquidad 60 comprenden una brida 62 y un resalte 64, en lados opuestos de la interfaz 40. De este modo, el componente 1 es más sencillo y menos costoso de fabricar que en la primera realización. A pesar de la ausencia de cualquier tratamiento, revestimiento o disposición, el componente 1 que comprende dos anillos 10 y 20 tiene una vida útil mejorada en comparación con un componente que consiste en un solo anillo y que tiene dimensiones y dimensiones totales similares.
Las figuras 11 y 12 muestran una variante del componente articulado 1, que comprende tres anillos concéntricos 10, 20 y 30, móviles entre sí. El anillo 30 está situado entre los anillos 10 y 20. Entre los anillos 10 y 30 se define una primera interfaz de fricción 40. Entre los anillos 20 y 30 se define una segunda interfaz de fricción 50. El componente 1 tiene cinco superficies de fricción 12, 22, 24, 32 y 34 que forman cinco superficies de desgaste, que pueden estar provistas de tratamiento, recubrimiento y/o arreglos.
Las figuras 13 y 14 muestran una variante del elemento articulado 1 según la invención, que comprende tres anillos concéntricos 10, 20 y 30. El anillo 30 está situado entre los anillos 10 y 20. Los anillos 20 y 30 son móviles entre sí y definen una interfaz de fricción 50 entre ellos. El anillo 30 se fija al anillo 10, por ejemplo mediante una unión adhesiva. El anillo 30 puede consistir en un bobinado de tiras de tejido y una resina que comprende cargas, mezcladas para producir un anillo homogéneo, estando las tiras cruzadas en varias capas por bobinado de filamentos. El componente 1 tiene tres superficies de fricción 22, 24 y 32 que forman tres superficies de desgaste, que pueden estar provistas de tratamiento, recubrimiento y/o arreglos.
Además, el componente articulado 1 puede tener una forma diferente a la de las figuras 1 a 14.
Además, las características técnicas de las diferentes variantes mencionadas pueden combinarse, total o parcialmente. De este modo, el componente 1 puede adaptarse en términos de coste, funcionalidad y rendimiento. Las tablas 1 a 5 que figuran a continuación muestran una serie de ensayos en los que se comparan dos anillos de referencia (anillo simple que recibe un eje) y diferentes realizaciones de la invención.
Tabla 1 - Parámetros condiciones de ensao
T l 2 - A mn ^ r in l inii l r
T l - M r r vi n l rfii fri in l ill
^ - -
T l - R l l r - m nn nf rm l invni n
C-BH1 no no 7000
continuación
De los resultados de la serie de ensayos se desprenden las siguientes observaciones:
- El componente C-BH1 resistió un número de ciclos equivalente a 4,6 veces el anillo B1.
- El componente C-BH2 resistió un número de ciclos equivalente a 3,6 veces el anillo B2.
- El componente C-BH3 resistió un número de ciclos equivalente a 4 veces el anillo B2.
- El componente C-BH4 resistió un número de ciclos equivalente a 4,6 veces el anillo B2.
- La prueba realizada con el componente C-BH5 se detuvo deliberadamente a los 500.000 ciclos.
Su vida útil es muy superior a la del anillo B2.
Así pues, la invención permite ofrecer un elemento articulado 1 robusto, que ocupa poco espacio y que es fácil de utilizar. El componente 1 formado por tres anillos tiene una vida útil mejorada en comparación con un componente formado por un solo anillo y de dimensiones y dimensiones totales similares.
Claims (7)
1. Componente articulado (1) con un grado de libertad, que comprende al menos dos anillos concéntricos (10, 20; 10, 20, 30), giratorios entre sí alrededor de un eje central (X1), que definen una interfaz de fricción (40; 40, 50) entre ellos, y que comprende:
- un anillo exterior (10), y
- un anillo interior (20) con una superficie de fricción interior (24) destinada a recibir un elemento móvil (2) guiado por el componente (1) en rotación, oscilación y/o traslación,
- la interfaz de fricción (40; 40, 50) entre los anillos (10, 20; 10, 20, 30) que recibe un lubricante (L), y el componente (1) que comprende medios de estanqueidad (60) destinados a impedir la fuga de lubricante (L) de la interfaz de fricción (40),
caracterizado porque el componente articulado (1) comprende tres anillos concéntricos (10, 20, 30), con una única interfaz de fricción definida entre los tres anillos (10, 20, 30), y porque un anillo intermedio (30) es de material compuesto.
2. Componente articulado (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende elementos laterales (62, 64, 66, 68) que limitan el movimiento axial y angular del anillo interior (20) con respecto al anillo exterior (10).
3. Componente articulado (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos una de las superficies de fricción (12; 22; 24) comprende un tratamiento o recubrimiento superficial (16; 26) con propiedades físicas diferentes del material base del anillo (10; 20; 30).
4. Componente articulado (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos una de las superficies de fricción (12; 22; 24) comprende disposiciones (18; 28) capaces de actuar como reserva de lubricante (L).
5. Componente articulado (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada superficie de fricción (12; 22; 24) comprende un tratamiento o recubrimiento superficial (16; 26) con propiedades físicas diferentes al material base del anillo (10; 20; 30) y/o disposiciones (18; 28) aptas para actuar como reserva de lubricante (L).
6. Componente articulado (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el anillo exterior (10) y el anillo interior (20) son metálicos.
7. Sistema mecánico, que comprende un componente articulado (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y un elemento móvil (2) guiado por el componente (1) en rotación, oscilación y/o traslación.
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