IT202000021160A1 - Dispositivo di tenuta ottimizzato per unità cuscinetto - Google Patents

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IT202000021160A1
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IT
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radially
bearing
sealing device
unit
ring
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Daniele Duch
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Description

Descrizione a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: DISPOSITIVO DI TENUTA OTTIMIZZATO PER UNIT? CUSCINETTO
DESCRIZIONE
Settore Tecnico dell?Invenzione
La presente invenzione ? relativa ad un dispositivo di tenuta per unit? cuscinetto e all?unit? cuscinetto provvista del medesimo dispositivo di tenuta. Il dispositivo di tenuta e l?unit? cuscinetto sono applicate preferibilmente, ma non esclusivamente, ad un gruppo mozzo ruota.
La presente soluzione pu? essere applicata a tutte le generazioni di gruppi mozzo ruota. In particolare, tali applicazioni includono sia il caso in cui l'anello esterno dei cuscinetti ? girevole mentre gli anelli interni del cuscinetto sono fissi, sia il caso opposto in cui gli anelli interni ruotano e l'anello esterno ? fisso. L'invenzione ? adatta anche per qualsiasi tipo di corpi di rotolamento (sfere, rulli, rulli conici, ecc.).
Tecnica Nota
Dispositivi di tenuta secondo la tecnica nota sono tenute a cassetta in due pezzi, comprendenti una porzione girevole, montata, ad esempio, sull'anello radialmente interno dell?unit? cuscinetto e una porzione stazionaria, montata, ad esempio, sull'anello radialmente esterno dell?unit? cuscinetto. Sempre a titolo esemplificativo, la porzione stazionaria comprende uno schermo metallico montato per interferenza sull?anello radialmente esterno e sullo schermo metallico ? costampata una porzione in elastomero. Sull?anello radialmente interno, girevole, ? invece montato per interferenza un secondo schermo metallico.
Secondo questa tecnica nota, la porzione stazionaria in materiale elastomerico della tenuta comprende uno o pi? labbri contattanti la porzione girevole e che assicurano la tenuta verso l?interno dell?unit? cuscinetto medesima.
Sono anche noti mezzi di tenuta costituiti da un unico pezzo, solidali ad uno degli anelli dell?unit? cuscinetto, in cui almeno un labbro contattante garantisce la tenuta grazie all?interferenza che si crea al montaggio della tenuta nei confronti di una superficie dell?altro anello dell?unit? cuscinetto.
Il design tipico di un dispositivo di tenuta comprende, quindi, una o pi? sporgenze chiamate labbri che con forme diverse e orientamenti diversi (tipicamente assiali e radiali) sono in contatto con superfici dell?unit? cuscinetto girevoli: in questo modo, il dispositivo di tenuta impedisce l?ingresso dei contaminanti dall?esterno, proteggendo i componenti interni dell?unit? cuscinetto, vale a dire i corpi di rotolamento e le gabbie di contenimento dei corpi di rotolamento medesimi. Un'altra importante funzione di un dispositivo di tenuta ? quella di impedire la fuoriuscita di lubrificanti presenti all?interno dell?unit? cuscinetto.
Tra questi labbri contattanti e le corrispondenti superfici di contatto girevoli dell?unit? cuscinetto si crea una forza di attrito radente e, di conseguenza, una dissipazione di energia. In generale la capacit? di tenuta aumenta con il numero di labbri contattanti e con la loro rigidezza. Nello stesso tempo, per?, al crescere di questi parametri aumenta anche l?entit? della dissipazione di energia.
Anche per effetto di una competizione globale sempre pi? spinta, vi ? la costante richiesta da parte dei clienti, ovvero dei costruttori di autoveicoli, di continui miglioramenti tecnici/economici relativi ai gruppi mozzo ruota. In particolare, con l'evolversi della tecnologia, aumenta la richiesta di componenti a bassa dissipazione di energia, garantendo allo stesso tempo le stesse prestazioni rispetto alle soluzioni all'avanguardia.
Per risolvere questo problema tecnico, la situazione ideale sarebbe un dispositivo di tenuta senza alcun contatto che riuscisse comunque ad impedire l'ingresso di contaminanti e la perdita di lubrificanti senza dissipazione di energia. Un dispositivo di tenuta senza alcun contatto non funziona correttamente, soprattutto in ambienti sommersi.
? pertanto necessario definire un dispositivo di tenuta a bassa dissipazione di energia ma con eccellenti prestazioni di tenuta che sia scevro degli inconvenienti sopra menzionati.
Sintesi dell?Invenzione
Per risolvere in modo sostanziale i problemi tecnici di sopra evidenziati, uno scopo della presente invenzione ? definire un dispositivo di tenuta a cassetta provvisto di tenute a labirinto interne, che contribuiscano a proteggere l?unit? cuscinetto dai contaminanti esterni. Per tenuta a labirinto interno si intende un percorso complesso creato sagomando opportunamente i componenti del dispositivo di tenuta medesimo.
Questa soluzione consente di ridurre al minimo il numero di labbri contattanti e, di conseguenza, le dissipazioni di energia per attrito.
Secondo la presente invenzione, le tenute a labirinto si realizzano sagomando opportunamente sia lo schermo metallico girevole, sia il medesimo rivestimento elastomerico. In questo modo si creano opportuni meati che fronteggiano porzioni corrispondenti del rivestimento elastomerico del dispositivo di tenuta e le parti metalliche sagomate.
Secondo un altro aspetto, il dispositivo di tenuta ed il suo alloggiamento all?interno dell?unit? cuscinetto sono realizzati in modo da incrementare i volumi interni, in modo che questi ultimi possano costituire pi? ampi serbatoi di accumulo dei contaminanti che riescono a superare le suddette tenute a labirinto.
Pertanto, secondo la presente invenzione viene fornito un dispositivo di tenuta per unit? cuscinetto avente le caratteristiche enunciate nella rivendicazione indipendente, allegata alla presente descrizione.
La presente invenzione attiene anche ad un?unit? cuscinetto e, in particolare ad un?unit? cuscinetto per un gruppo mozzo ruota provvista di un dispositivo di tenuta secondo una delle forme di attuazione della presente invenzione.
Ulteriori forme di realizzazione dell'invenzione, preferite e/o particolarmente vantaggiose, sono descritte secondo le caratteristiche enunciate nelle rivendicazioni dipendenti allegate.
Breve Descrizione dei Disegni
L?invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
- la figura 1 ? una sezione trasversale di un gruppo mozzo ruota provvisto di un?unit? cuscinetto,
- la figura 2 ? un dettaglio del gruppo mozzo ruota di figura 1 in cui ? presente un dispositivo di tenuta per unit? cuscinetto, secondo una forma di attuazione della presente invenzione, alloggiato tra gli anelli dell?unit? cuscinetto.
Descrizione Dettagliata
A titolo puramente esemplificativo e non limitativo, la presente invenzione verr? ora descritta facendo riferimento ad una unit? cuscinetto 30, preferibilmente un gruppo mozzo ruota per autoveicoli provvisto di un?unit? cuscinetto avente un dispositivo di tenuta secondo la presente invenzione.
Con riferimento alla figura 1, una unit? cuscinetto o gruppo mozzo ruota ? indicata nel suo insieme con 30.
L?unit? presenta un asse X di rotazione centrale, e comprende: - un anello 20 flangiato radialmente interno, girevole,
- un anello 31 radialmente esterno, stazionario,
- un ulteriore anello radialmente interno 34, girevole, montato sul, e solidale all?anello 20 flangiato;
- una pluralit? di corpi di rotolamento 32, 33, in questo esempio sfere, interposte tra l'anello radialmente esterno 31 e l?anello flangiato 20.
- due gabbie 39 e 40 per mantenere in posizione i corpi di rotolamento delle corone di corpi di rotolamento 32, 33.
In tutta la presente descrizione e nelle rivendicazioni, i termini e le espressioni indicanti posizioni ed orientamenti quali ?radiale? e ?assiale? si intendono riferiti all?asse X di rotazione centrale dell?unit? cuscinetto 30. Espressioni quali ?assialmente esterno? e ?assialmente interno? sono, invece, riferite alla condizione montata del gruppo mozzo ruota, e nel caso di specie, preferibilmente, sono riferite ad un lato ruota e, rispettivamente, ad un lato opposto al lato ruota.
L?anello 20 flangiato e l?anello 31 radialmente esterno definiscono, tra loro e alle estremit? assiali opposte dell?unit? cuscinetto 30, due intercapedini 35, 36 che, se non schermate, permetterebbero l?ingresso all?interno dell?unit? cuscinetto 30 stessa di contaminanti e impurit?.
Pertanto, al fine di schermare l?unit? cuscinetto 30, almeno un dispositivo di tenuta 50, realizzato secondo i dettami della presente invenzione, ? montato all?interno di almeno una delle due intercapedini 35, 36.
Normalmente i dispositivi di tenuta 50 comprendono due schermi metallici affacciati tra loro, almeno uno dei quali provvisto di uno o pi? labbri di tenuta in materiale elastomerico a contatto strisciante con l?altro schermo, oppure uno schermo metallico solo che porta uno o pi? labbri di tenuta in materiale elastomerico che contattano in modo strisciante una superficie di strisciamento dell?unit? cuscinetto 30 in moto relativo rispetto alle tenute medesime.
Nel seguito, con riferimento alla figura 2, si illustrer?, a titolo puramente esemplificativo, il caso in cui il dispositivo di tenuta 50 comprende una parte rotante provvista di uno schermo 1 metallico, montato per interferenza sull?anello 20 flangiato radialmente interno, e una parte stazionaria, la quale comprende, a sua volta:
- uno schermo 10 metallico montato per interferenza sull?anello radialmente esterno 31, formato da una porzione sagomata anulare 10? e da una porzione cilindrica 10?, radialmente esterna rispetto alla porzione sagomata anulare 10?,
- un rivestimento in elastomero 2, costampato sul primo schermo 10, il cui sviluppo ? sostanzialmente radialmente esterno e assialmente esterno rispetto al medesimo primo schermo 10, il rivestimento 2 essendo formato da una porzione sagomata anulare 2? e da una porzione cilindrica 2?, radialmente esterna rispetto alla porzione sagomata anulare 2?, e - un labbro contattante 9, radialmente interno, appartenente al rivestimento in elastomero 2 e in particolare assialmente esterno rispetto alla porzione sagomata anulare 2?, quindi stazionario, che effettua un contatto strisciante sul secondo schermo 1, girevole.
In aggiunta, secondo la presente forma di attuazione, il secondo schermo 1, girevole metallico ? preferibilmente sagomato a forma di ?C?. L?ala radialmente esterna 1? dello schermo 1 ? posizionata in direzione radiale all?altezza dell?anello radialmente esterno 31. In particolare, la superficie radialmente esterna 1?s dell?ala 1?, per le ragioni che vedremo di seguito, dovr? risultare pressoch? allineata alla superficie radialmente esterna 31s dell?anello 31 radialmente esterno.
Il rivestimento in elastomero 2 ? provvisto di un labbro 3 di dimensioni ridotte, non contattante e radialmente interno rispetto alla sua porzione cilindrica 2?. Preferibilmente, sempre dalla porzione cilindrica 2? del rivestimento in elastomero 2, si diparte un?appendice 6, in una direzione obliqua assialmente esterna e radialmente esterna rispetto alla porzione cilindrica 2?. Infine, la porzione cilindrica 2? del rivestimento in elastomero 2 termina in direzione assialmente interna con una tenuta statica 4, che non sar? ulteriormente discussa in quanto gi? oggetto di una precedente domanda di brevetto della scrivente.
La presenza di queste caratteristiche consente di ottenere un dispositivo di tenuta 50 che presenta una bassa dissipazione di energia, in quanto vi ? un solo labbro contattante 9, e allo stesso tempo un?elevata efficienza di tenuta dovuta alle tenute a labirinto e alle camere di accumulo dei contaminanti che si vengono a formare, come sar? ora spiegato.
Infatti, il dispositivo di tenuta 50 ? provvisto di almeno una prima tenuta a labirinto Gr radiale formata dall?ala 1? radialmente esterna dello schermo metallico 1 con la porzione cilindrica 2? del rivestimento in elastomero 2 e, in particolare, con il labbro 3 del rivestimento in elastomero 2 che fronteggia la suddetta ala 1?. Preferibilmente, la dimensione del meato della prima tenuta a labirinto Gr radiale potr? essere compresa tra 0,1 mm e 0,8 mm, nella condizione di montaggio dell?unit? cuscinetto. In questo modo si crea una prima efficace barriera per ridurre il flusso di contaminanti che raggiunge una precamera 7, ovvero il volume che si viene a creare tra lo schermo metallico 1, la porzione sagomata anulare 2? del rivestimento in elastomero 2 e il labbro contattante 9. ? da notare che, in condizioni di carico elevato, il labbro 3 potr? contattare l?ala 1? dello schermo metallico, fermo restando che il suo funzionamento in condizioni operative standard sar? quello di un labbro non contattante. ? altres? importante, proprio per un corretto funzionamento del labbro 3, che l?appendice 6 del rivestimento in elastomero sia sempre non contattante, in modo da non indurre deformazioni sul rivestimento in elastomero che pregiudichino la funzione di tenuta a labirinto del labbro 3.
Anche se non rappresentato in figura 2, ? da intendersi che di tenute a labirinto radiale ve ne potranno essere pi? di una. Ad esempio, si potrebbe realizzare un secondo labbro non contattante che si diparte dalla porzione sagomata anulare 2? del rivestimento in elastomero 2 e che fronteggia la superficie radialmente interna dell?ala 1?, formando una seconda tenuta a labirinto radiale pressoch? speculare (rispetto all?ala 1?) della prima tenuta a labirinto radiale. Evidentemente, la presenza della seconda tenuta a labirinto radiale rafforza la capacit? di barriera verso i contaminanti esterni del dispositivo di tenuta 50.
Inoltre, grazie alla sagomatura a ?C? dello schermo metallico 1, l?ala 1? dello schermo fronteggia in direzione assiale la porzione sagomata anulare 2? del rivestimento in elastomero 2. In questo modo si viene a creare anche una seconda tenuta a labirinto Ga, assiale, che coopera con la tenuta a labirinto Gr radiale (o con le tenute a labirinto radiali, nel caso ve ne fosse pi? di una) per corroborare l?efficienza della barriera nei confronti dei contaminanti esterni. Vantaggiosamente la dimensione del meato della seconda tenuta a labirinto Ga assiale potr? essere compresa tra 0,2 mm e 1,0 mm.
Anche se non rappresentato in figura 2, il dispositivo di tenuta 50 potrebbe avere una geometria non assial-simmetrica: in altre parole, i suoi componenti, sia la parte stazionaria, sia la parte girevole, potrebbero avere uno sviluppo circonferenziale di ampiezza compresa tra 180? e 260?. In questo modo, montando con precisione l?unit? cuscinetto e il gruppo mozzo ruota in modo che il dispositivo di tenuta presenti la porzione piena dei suoi componenti verso l?alto dell?autoveicolo e sia aperto verso il basso del medesimo autoveicolo, si ottiene che il dispositivo di tenuta operi come barriera verso i contaminanti entranti dall?alto dell?autoveicolo e consenta il libero deflusso degli stessi verso il basso dell?autoveicolo.
L?unit? cuscinetto 30, provvista del dispositivo di tenuta 50, secondo la presente invenzione, presenta ulteriori caratteristiche relative alle intercapedini 35, 36 che alloggiano il dispositivo di tenuta 50.
Una prima caratteristica ? la massimizzazione del volume della precamera 7 contenuta tra lo schermo metallico 1, la porzione sagomata anulare 2? del rivestimento in elastomero 2 e il labbro contattante 9. Un volume maggiore di tale precamera consente di poter contenere e drenare un quantitativo maggiore di contaminanti senza che essi raggiungano i componenti sensibili dell?unit? cuscinetto, ovvero elementi di rotolamento e piste di rotolamento. L?incremento di volume della precamera 7 si ottiene combinando le seguenti caratteristiche:
- posizionamento dell?ala 1? dello schermo metallico 1 il pi? lontano possibile dall?asse di rotazione X dell?unit? cuscinetto in direzione radialmente esterna sino all?allineamento della superficie radialmente esterna 1?s dell?ala 1? con la superficie radialmente esterna 31s dell?anello 31 radialmente esterno;
- sagomando in direzione assialmente interna le porzioni anulari 2? e 10?, rispettivamente del rivestimento in elastomero 2 e dello schermo metallico 10 di supporto;
- posizionamento del labbro contattante 9 il pi? possibile vicino alla superficie cilindrica 5 dell?anello flangiato 20, ovvero all?ala 1? radialmente interna dello schermo metallico 1.
L?incremento di volume della precamera 7, ottimizzando le suddette caratteristiche e del 60%-70% rispetto alle soluzioni note.
Infine, una seconda precamera 11 si forma all?interno dell?intercapedine 35 tra una superficie anulare 8 dell?anello flangiato 20, una superficie cilindrica 5 del medesimo anello flangiato 20, lo schermo metallico 1 e la porzione cilindrica 2? (con inclusa l?appendice 6) del rivestimento in elastomero 2. Anche in questo caso, la seconda precamera 11 ha funzione di drenaggio/contenimento dei contaminati esterni e va dimensionata in modo che il suo volume risulti il pi? ampio possibile. Ci? si realizza introducendo e massimizzando un raggio di raccordo 12 tra la superficie anulare 8 dell?anello flangiato 20 e la superficie cilindrica 5 del medesimo anello flangiato 20. Al crescere del raggio di raccordo R aumenter? la distanza assiale tra lo schermo metallico 1 e la superficie anulare 8 dell?anello flangiato 20 e, di conseguenza, il volume della precamera 11. Per effetto della geometria della precamera 11, il contaminante in ingresso sar? sottoposto ad un moto vorticoso che creer? una serie di urti contro le pareti della precamera ed un conseguente effetto di ?rimbalzo? che permetter? l?espulsione di almeno una parte di esso.
In definitiva, la soluzione proposta presenta l?indubbio vantaggio di migliorare la capacit? di tenuta nonostante un numero limitato di punti di contatto, ovvero di labbri contattanti, e di garantire allo stesso tempo un basso livello di dissipazione di energia per attrito del dispositivo di tenuta.
Oltre alla forma di realizzazione dell'invenzione, come sopra descritto, si deve comprendere che esistono numerose altre varianti. Si deve anche comprendere che tali forme di realizzazione sono solo esemplificative e non limitano n? l'ambito dell'invenzione, n? le sue applicazioni, n? le sue possibili configurazioni. Al contrario, sebbene la descrizione di cui sopra consenta al tecnico specializzato di attuare la presente invenzione almeno secondo una sua forma di realizzazione esemplificativa, si deve comprendere che sono possibili molte varianti dei componenti descritti, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione, come definita nelle rivendicazioni allegate, che sono interpretate letteralmente e/o secondo i loro equivalenti legali.

Claims (12)

RIVENDICAZIONI
1. Dispositivo di tenuta (50) per una unit? cuscinetto (30), il dispositivo (50) comprendendo una parte stazionaria, a sua volta comprendente - un primo schermo (10) metallico formato da una porzione sagomata anulare (10?) e da una porzione cilindrica (10?), radialmente esterna rispetto alla porzione sagomata anulare (10?),
- un rivestimento in elastomero (2), costampato sul primo schermo (10), radialmente esterno e assialmente esterno rispetto al medesimo primo schermo (10) e comprendente una porzione sagomata anulare (2?) e una porzione cilindrica (2?),
- un labbro contattante (9), radialmente interno, appartenente al rivestimento in elastomero (2) e assialmente esterno rispetto alla porzione sagomata anulare (2?),
e comprendendo il dispositivo di tenuta (50) una parte girevole provvista di un secondo schermo (1) metallico sul quale il labbro contattante (9) effettua un contatto strisciante,
il dispositivo di tenuta (50) essendo caratterizzato dal fatto che:
- il rivestimento in elastomero (2) ? provvisto di un labbro (3), non contattante e radialmente interno rispetto alla porzione cilindrica (2?), - almeno una prima tenuta a labirinto (Gr) radiale formata da un?ala (1?) radialmente esterna del secondo schermo (1) con il labbro (3) del rivestimento in elastomero (2) che fronteggia la suddetta ala (1?).
2. Dispositivo di tenuta (50) secondo la rivendicazione 1, laddove la porzione cilindrica (2?) del rivestimento in elastomero (2) comprende un?appendice (6), in una direzione obliqua assialmente esterna e radialmente esterna rispetto alla porzione cilindrica (2?).
3. Dispositivo di tenuta (50) secondo una delle rivendicazioni precedenti, laddove la dimensione di un meato della prima tenuta a labirinto (Gr) radiale ? compresa tra 0,1 mm e 0,8 mm.
4. Dispositivo di tenuta (50) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da una seconda tenuta a labirinto (Ga), assiale, che coopera con l?almeno una tenuta a labirinto (Gr) radiale e che ? formata dall?ala radialmente esterna (1?) del secondo schermo (1) che fronteggia una porzione sagomata anulare (2?) del rivestimento in elastomero (2).
5. Dispositivo di tenuta (50) secondo la rivendicazione 4, laddove la dimensione di un meato della seconda tenuta a labirinto (Ga) assiale ? compresa tra 0,2 mm e 1,0 mm.
6. Dispositivo di tenuta (50) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da un secondo labbro non contattante che si diparte dalla porzione sagomata anulare (2?) del rivestimento in elastomero (2) e che fronteggia la superficie radialmente interna dell?ala radialmente esterna (1?) del secondo schermo (1), formando una seconda tenuta a labirinto radiale.
7. Dispositivo di tenuta (50) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sia la parte stazionaria, sia la parte girevole hanno uno sviluppo circonferenziale di ampiezza compresa tra 180? e 260?.
8. Unit? cuscinetto (30) provvista di un dispositivo di tenuta (50) secondo una delle rivendicazioni precedenti alloggiato in una intercapedine (35, 36), l?unit? cuscinetto comprendente inoltre:
- un anello (20) flangiato radialmente interno, girevole,
- un anello (31) radialmente esterno, stazionario,
- un ulteriore anello radialmente interno (34), girevole, montato sul, e solidale all?anello radialmente interno (20) flangiato;
- una pluralit? di corpi di rotolamento (32, 33) interposte tra l'anello radialmente esterno (31) e gli anelli radialmente interni (20, 34).
9. Unit? cuscinetto (30) secondo la rivendicazione 8, caratterizzata da una prima precamera (7) contenuta tra lo schermo metallico (1), la porzione sagomata anulare (2?) del rivestimento in elastomero (2) e il labbro contattante (9) del dispositivo di tenuta (50).
10. Unit? cuscinetto (30) secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che
- l?ala radialmente esterna (1?) del secondo schermo (1) metallico ? posizionata in direzione radiale all?altezza dell?anello radialmente esterno (31) dell?unit? cuscinetto (30),
- le porzioni anulari (2?) e (10?), rispettivamente del rivestimento in elastomero (2) e del primo schermo metallico (10) sono sagomate in direzione assialmente interna;
- il labbro contattante (9) ? prospiciente ad un?ala (1?) radialmente interna del secondo schermo metallico (1).
11. Unit? cuscinetto (30) secondo una delle rivendicazioni da 8 a 10, caratterizzata da una seconda precamera (11) definita all?interno dell?intercapedine (35) tra una superficie anulare (8) dell?anello flangiato (20) radialmente interno, una superficie cilindrica (5) dell?anello flangiato (20) radialmente interno, il secondo schermo metallico (1) e la porzione cilindrica (2?) del rivestimento in elastomero (2).
12. Unit? cuscinetto (30) secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che il volume della seconda precamera (11) ? proporzionale alla lunghezza di un raggio di raccordo (12) tra la superficie anulare (8) dell?anello flangiato (20) radialmente interno e la superficie cilindrica (5) dell?anello flangiato (20) radialmente interno.
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