JP2009178716A - 金型装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鍛造加工用の金型２０の、パンチの押圧方向に直交する断面形状が非円形であっても、この金型２０の強度を確保できる構造を実現する。
【解決手段】上記金型２０を、補強部材２１に設けた凹部２３内に、上記パンチによる押圧時に素材からこの金型２０に作用する応力のうち、互いに離れる方向に作用する応力の作用方向と反対方向に押圧される様に、締り嵌めにより配置する。これにより、鍛造加工時に最も応力集中する、上記素材を設置する溝２２の底部を圧縮応力場状態にでき、上記金型２０の強度を向上させる事ができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば自動車の操舵輪に舵角を付与する為のステアリング装置のうち、ラック＆ピニオン式のステアリング装置に組み込むラック等の長物を製造する為に、棒状の素材に塑性加工を施す金型装置の改良に関する。具体的には、この金型装置の強度を向上させて耐久性を確保する事を意図したものである。

ステアリングホイールから入力された回転運動を舵角付与の為の直線運動に変換する為の機構として、ラック＆ピニオンを使用する、ラック＆ピニオン式のステアリング装置は、小型且つ軽量に構成でき、しかも剛性が高く良好な操舵感を得られる為、広く使用されている。図１０は、この様なラック＆ピニオン式のステアリング装置の１例を示している。このステアリング装置では、ステアリングホイール１の操作に伴って回転するステアリングシャフト２の動きを、自在継手３、３及び中間シャフト４を介して、ステアリングギヤユニット５の入力軸６に伝達する。このステアリングギヤユニット５は、この入力軸６により回転駆動されるピニオンと、このピニオンと噛合したラックとを備える。上記入力軸６と共にこのピニオンが回転すると、このラックが軸方向に変位し、その両端部に結合した１対のタイロッド７、７を押し引きして、上記操舵輪に所望の舵角を付与する。

上述の様なステアリングギヤユニット５を構成するラック８は、例えば、図１１に示す様に、炭素鋼、ステンレス鋼等の金属材製で、中実材である断面円形のロッド部９と、このロッド部９の軸方向の一部（図１１の左部）の径方向片側面に、塑性加工により形成されたラック歯１０とを備える。この様なラック８は、金属材製で棒状の素材に鍛造加工等の塑性加工を施す事により形成される。例えば、特許文献１には、素材を所定の温度により加熱してから鍛造する温間鍛造によりラックを形成する方法に就いて記載されている。この様に、温間鍛造によりラックを製造した場合、金型が温度上昇により熱膨張する為、このラックのラック歯の形状精度を十分に確保する事が難しい。これに対して、冷間鍛造により形成すれば、部材の形状精度を確保し易い。但し、冷間鍛造の場合には、鍛造時の圧力が大きい為、金型の耐久性を十分に確保する必要がある。

例えば、図１２に示す様に、金型１１の上面に設けた溝１２内に棒状の素材１３を常温で配置し、パンチ１４によりこの素材１３を押圧して塑性変形させる、冷間鍛造を行った場合、このパンチ１４の押圧により、上記金型１１に、図示の矢印の方向に大きな応力が作用する。即ち、上記溝１２を拡げる方向に大きな応力が作用する。そして、この溝１２の底に引張方向の応力が集中する。冷間鍛造の場合、このパンチ１４による押圧力が大きい為、この応力も大きくなる。従って、この応力が所定の大きさに達した場合に、同図に示す様に、上記応力集中が生じる溝１２の底から亀裂１５が生じる可能性がある。

この様に、冷間鍛造により素材を加工する場合、金型の強度を確保する事が難しい。この様な事情に鑑み、特許文献２には、この金型を補強部材により覆って、この金型の強度を向上させる構造が記載されている。図１３〜１４は、この特許文献２に記載された構造を示している。この特許文献２に記載された構造は、図１４（Ａ）に示す様な、短円柱状の素材１３ａに冷間鍛造加工を施して、図１４（Ｂ）に示す様な、段付円筒状の加工品１６を得るものである。この為に、図１３に示す金型１１ａは、外周面がテーパ面で内周面が段付の円筒面である、略円筒状に構成している。又、この金型１１ａは、略円筒状の補強部材１７の内周面に圧入されている。この様な特許文献２に記載された構造の場合、図１４（Ａ）に示す様な素材１３ａを、金型１１ａの内周面の段差部分に常温で配置した状態で、この素材１３ａをパンチにより押圧して塑性変形させ、図１４（Ｂ）に示す様な加工品１６を得る。

上記金型１１ａは、パンチの押圧方向に直交する断面形状が円形である為、このパンチによる押圧時に上記素材１３ａから上記金型１１ａに作用する応力は、この金型１１ａの内周面の段差部分に加えて、この内周面全体に放射方向に作用する。上述の特許文献２に記載された構造の場合、金型１１ａの外周面を補強部材１７により覆って、この様な放射方向に作用する応力を支承している為、この応力が大きくても、上記金型１１ａの破損を防止できる。尚、上記特許文献２に記載された構造の場合、金型１１ａの一部に切り込み１８を入れて、鍛造時にこの金型１１ａを分割する様に構成している。

上述の特許文献２に記載された構造の様に、金型１１ａを略円筒状に形成している場合、この金型１１ａを補強する為の補強部材１７も略円筒状とすれば、この補強部材１７の内周面にこの金型１１ａを圧入するだけで、この金型１１ａを補強する構造を容易に得られる。これに対して、前述のステアリングギヤユニットを構成するラックの様に、長物の構造を鍛造加工により得る場合、上記特許文献２に記載された構造の様に、略円筒状に形成された金型１１ａは使用できず、例えば、前述の図１２に示した様な、同図の表裏方向に長い金型１１を使用する。この図１２に示した金型１１の場合、略直方体に形成され、上面に棒状の素材１３を設置可能な溝１２を設けている。この様な、パンチの押圧方向に直交する断面形状が非円形の金型１１を補強する為の具体的構造は、従来、知られていなかった。

特開２００１−７９６３９号公報 特開平６−３４４０６８号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、鍛造加工用の金型の、パンチの押圧方向に直交する断面形状が非円形であっても、この金型の強度を確保できる構造を実現すべく発明したものである。

本発明の金型装置は、パンチの押圧方向に直交する断面形状が非円形である金型の一面に設けた溝内に設置した素材を、上記パンチにより押圧して、この素材を塑性変形させるものである。
特に、本発明の金型装置の場合、上記金型を、補強部材に設けた凹部内に、上記パンチによる押圧時に上記素材から上記金型に作用する応力のうち、互いに離れる方向に作用する応力の作用方向と反対方向に押圧される（圧縮方向の力が加わる）様に、締り嵌めにより組み込んでいる。
尚、本発明の金型装置は、冷間鍛造加工に使用する場合に、顕著な作用・効果を奏するので、好ましい。
又、金型を補強部材に締り嵌めする作業は、この補強部材を加熱した状態でこの金型を上記凹部内に嵌合する、焼き嵌めで行う事が好ましい。
又、上記金型としては、例えば、略直方体をで、一面に溝を形成した構造とする。そして、この溝内に棒状の素材を設置して、例えば、ラック等の長物を形成する。

上述の本発明を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した様に、金型を、パンチによる押圧時に素材から作用する応力のうち、互いに離れる方向に作用する応力の作用方向に分割可能とする。例えば、上記金型の溝の底部に、補強部材による押圧方向と直角な方向に設けた分割面で、この金型を２分割できる様にする。

又、上記補強部材として好ましくは、請求項３に記載した様に、補強部材を、一面に凹部を有し、それぞれ大きさが異なる略直方体の複数の補強素子から構成する。そして、これら各補強素子のうちの最も小さい補強素子の凹部内に金型を締り嵌めにより組み込んだ状態で、これら各補強素子同士を、小さい方の補強素子を大きい方の補強素子の凹部内に、それぞれ締り嵌めで組み込む事により、互いに組み合わせる。又、この締り嵌めは、上記最も小さい補強素子の凹部により上記金型を押圧する方向と同方向に、上記小さい方の補強素子が上記大きい方の補強素子の凹部により押圧される様にする。

更に、上述の各発明を実施する場合に好ましくは、請求項４に記載した様に、金型の一部と補強部材の一部との何れか一方に係止爪部を、他方にこの係止爪部と係合する係止凹部を、それぞれ設ける。そして、これら係止爪部と係止凹部との係合により、上記金型が上記補強部材の凹部から抜け出る事を防止する。
尚、上記請求項４に記載した発明を、上記請求項３に記載した発明に適用する場合に好ましくは、補強部材を構成する各補強素子同士も、係止爪部と係止凹部との係合により、小さい方の補強素子が大きい方の補強素子の凹部から抜け出る事を防止する。

上述の様に構成する、本発明の金型装置によれば、鍛造加工用の金型の、パンチの押圧方向に直交する断面形状が非円形であっても、この金型の強度を確保できる。
即ち、本発明の場合、金型を補強部材の凹部内に締り嵌めにより組み込み、パンチによる押圧時に素材からこの金型に作用する応力のうち、互いに離れる方向に作用する応力の作用方向と反対方向に押圧している。この為、上記金型に圧縮方向の応力が発生し、この金型の溝底が圧縮応力場状態となり、この溝底の割れに対する強度を高められる。この結果、上記パンチにより押圧時に作用する応力が大きくても、上記溝底に亀裂等の破損が生じにくくなり、上記金型の強度を十分に確保できる。

又、請求項２に記載した発明の場合、金型を強度を確保する為に必要な大きさ以上の大きさとしなくても、この金型に過大な応力が作用した場合に、この金型に破損が生じる事を防止できる。即ち、この金型に過大な応力が作用した場合でもこの金型の強度を確保する為に、この金型を必要以上の大きさとする事も考えられる。これに対して、請求項２に記載した発明の様に、金型を分割可能とすれば、過大な応力が作用した場合にこの金型が分離する事によりこの応力を吸収できる為、この金型を必要以上に大きくする事なく、この金型が破損する事を防止できる。

又、請求項３に記載した発明の様に、複数の補強素子同士を互いに締り嵌めで組み合わせれば、これら各補強素子（一番外側の補強素子を除く）にも圧縮方向の応力が作用し、これら各補強素子の凹部の強度も向上する。この結果、金型の強度をより向上させる事ができる。
更に、請求項４に記載した発明によれば、金型と補強部材とが（請求項３に記載した発明に適用する場合には、各補強素子同士も）不用意に分離する事を防止できる。

［実施の形態の第１例］
図１〜２は、請求項１のみに対応する、本発明の実施の形態の第１例を示している。本例の金型装置１９は、互いに大きさは異なるが、それぞれが略直方体で、パンチの押圧方向に直交する断面形状が矩形である、金型２０と補強部材２１とから構成される。このうちの金型２０の鉛直方向（図１の上下方向）上面で、幅方向（図１〜２の左右方向）中央部には、この金型２０の長手方向（図２の上下方向）に亙って溝２２を形成している。この溝２２は、加工品に合わせた所定の形状を有する。具体的には、本例の金型装置１９は、ステアリングギヤユニットを構成するラックを冷間鍛造加工により形成するもので、上記溝２２の奥部の形状は、このラックの周面のうち、ラック歯を形成する部分と径方向に関して反対側の周面の形状に見合う（大きさが一致し、凹凸が逆の）形状としている。又、上記溝２２の開口側部分は、開口側に向かう程互いの間隔が広くなる方向に傾斜した傾斜面とし、上記ラックを得る為の棒状の素材を押圧して塑性変形させる為の、パンチの案内部としている。

又、上記補強部材２１の鉛直方向上面には、この補強部材２１の幅が狭い方向（図２の上下方向）に亙って凹部２３を形成している。この凹部２３は、常温で、深さが上記金型２０の厚さと同じか僅かに大きく、幅（互いに対向する側面２４、２４同士の間隔）がこの金型２０の幅よりも僅かに小さく形成されている。そして、上記凹部２３内にこの金型２０を、上記溝２２の開口側を上方に向けた状態で焼き嵌め等の締り嵌めで組み込んでいる。例えば、上記補強部材２１を加熱して膨張させると、上記凹部２３を構成する側面２４、２４同士の間隔が拡がり、この凹部２３内に上記金型２０を配置可能となる。この状態で凹部２３内に金型２０を配置した後、上記補強部材２１を常温に戻せば、上記凹部２３の両側面２４、２４同士の間隔が狭まり、上記金型２０に図１の矢印で示す様な圧縮応力が作用する。

本例の金型装置１９により鍛造加工を施す場合、上記金型２０の溝２２内に配置した素材をパンチにより押圧する。そして、このパンチの押圧により、この素材から上記金型２０に溝２２を拡げる方向に、言い換えれば、互いに離れる方向に応力（引っ張り応力）が作用する。即ち、図１の矢印の逆方向に応力が作用する。本例の場合、上記金型２０を上記補強部材２１の凹部２３内に締り嵌めで組み込んだ状態で、この金型２０は、上記パンチによる押圧時に上記素材から互いに離れる方向に作用する応力の作用方向と反対方向に押圧され、圧縮応力が付加されている。尚、パンチの押圧により金型２０に作用する応力は、溝２２の奥部全体に作用するが、この金型２０の破損に最も繋がり易い応力の作用方向は、上述の互いに離れる方向である。従って、本例の場合、この方向と逆方向に上記金型２０を押圧している。

この様に構成される本例の場合、この金型２０に圧縮応力が発生し、この金型２０の溝２２の底が圧縮応力場状態となっている。この為、この溝２２の底の割れに対する強度を高められる。この結果、素材に冷間鍛造加工を施す場合の様に、パンチによる押圧時に作用する応力が大きくても、上記溝２２の底に亀裂等の破損が生じにくくなる。

［実施の形態の第２例］
図３〜４は、請求項１、２に対応する、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の場合、金型２０ａを、パンチによる押圧時に素材から作用する応力のうち、互いに離れる方向に作用する応力の作用方向に分割可能としている。即ち、上記金型２０ａの溝２２の底部の幅方向（図３、４の左右方向）中央部に、補強部材２１により押圧される方向と直角な方向（図３の上下方向）に設けた分割面２５で、上記金型２０ａを等分に２分割している。

この様に構成される本例の場合、金型２０ａをパンチによる加工時に於ける強度を確保する為に、最低限必要な大きさ以上の大きさとしなくても、この金型２０ａに過大な応力が作用した場合に、この金型２０ａが破損する事を防止できる。即ち、この金型２０ａを上記分割面２５で分割可能としている為、この金型２０ａに過大な応力が作用した場合には、この分割面２５でこの金型２０ａが分離する傾向となり、この過大な応力を吸収する。この結果、この金型２０ａが破損する事を防止できる。その他の構造及び作用は、上述の第１例と同様である。

［実施の形態の第３例］
図５〜６は、請求項１、３に対応する、本発明の実施の形態の第３例を示している。本例の場合、補強部材２１ａを、上面に凹部２３、２３ａをそれぞれ有し、互いに大きさが異なる、略直方体の２個の補強素子２６ａ、２６ｂから構成している。これら各補強素子２６ａ、２６ｂのうち、小さい方の補強素子２６ａは、金型２０を締り嵌めで組み込む為の凹部２３を有する。一方、大きい方の補強素子２６ｂは、上記小さい方の補強素子２６ａを締り嵌めで組み込む為の凹部２３ａを有する。即ち、この大きい方の補強素子２６ｂの凹部２３ａの大きさは、常温での深さが、上記小さい方の補強素子２６ａの厚さと同じか僅かに大きく、同じく幅（互いに対向する側面２４ａ、２４ａ同士の間隔）が、この小さい方の補強素子２６ａの幅よりも僅かに小さい。

上記両補強素子２６ａ、２６ｂを組み合わせる場合、先ず、小さい方の補強素子２６ａの凹部２３内に上記金型２０を、焼き嵌め等により、締り嵌めで組み込んでおく。次いで、大きい方の補強素子２６ｂの凹部２３ａ内に上記小さい方の補強素子２６ａを、焼き嵌め等により、締り嵌めで組み込む。例えば、上記大きい方の補強素子２６ｂを加熱膨張させた状態で、この大きい方の補強素子２６ｂの凹部２３ａ内に上記小さい方の補強素子２６ａを組み込む。そして、この大きい方の補強素子２６ｂを常温に戻せば、上記凹部２３ａを構成する両側面２４ａ、２４ａ同士の間隔が狭まり、上記小さい方の補強素子２６ａがこの大きい方の補強素子２６ｂの凹部２３ａ内に締り嵌めで配置される。この結果、上記金型２０は上記小さい方の補強素子２６ａに、この小さい方の補強素子２６ａは上記大きい方の補強素子２６ｂに、それぞれ締り嵌めで組み込まれる。又、締り嵌めにより上記金型２０及び小さい方の補強素子２６ａが押圧される方向は、互いに同じで、パンチによる押圧時に上記素材から上記金型２０に作用する応力のうち、互いに離れる方向に作用する応力の作用方向と反対方向である。

上述の様に構成される本例の場合、２個の補強素子２６ａ、２６ｂ同士を互いに締り嵌めで組み合わている為、このうちの小さい方の補強素子２６ａにも圧縮応力が作用し、この補強素子２６ａの凹部２３の強度も向上する。この結果、上記金型２０の強度をより向上させる事ができる。本例の場合、上記大きい方の補強素子２６ｂを小さい方の補強素子２６ａよりも十分に大きくして、この大きい方の補強素子２６ｂの強度を十分に確保する様にしている。尚、図示の例では、補強素子の数を２個としたが、３個以上とする事もできる。この場合も、各補強素子同士を締り嵌めで組み合わせる。その他の構造及び作用は、前述の第１例と同様である。

［実施の形態の第４例］
図７〜８は、請求項１〜３に対応する、本発明の実施の形態の第４例を示している。本例の場合、上述の第３例の構造で、金型２０ａを前述の第２例と同様に分割型としている。その他の構造及び作用は、これら第２、３例と同様である。

［実施の形態の第５例］
図９は、請求項１〜４に対応する、本発明の実施の形態の第５例を示している。本例の場合、金型２０ａの幅方向（図９の左右方向）両側面の上端部に係止凹部２７、２７を、補強部材２１ａを構成する小さい方の補強素子２６ａの凹部２３の両側面２４、２４の上端部に係止爪部２８、２８を、それぞれ形成している。そして、上記金型２０ａを上記小さい方の補強素子２６ａの凹部２３内に締り嵌めで組み込んだ状態で、上記各係止凹部２７、２７に上記各係止爪部２８、２８を係合している。

又、本例の場合、上記補強部材２１ａを構成する補強素子２６ａ、２６ｂ同士も、上述の金型２０ａと小さい方の補強素子２６ａとの組み合わせと同様に、係止凹部２７ａ、２７ａと係止爪部２８ａ、２８ａとを係合させる事により組み合わせている。即ち、上記小さい方の補強素子２６ａの幅方向両側面の上端部に係止凹部２７ａ、２７ａを、大きい方の補強素子２６ｂの凹部２３ａの両側面２４ａ、２４ａの上端部に係止爪部２８ａ、２８ａを、それぞれ形成している。そして、上記小さい方の補強素子２６ａを上記大きい方の補強素子２６ｂの凹部２３ａ内に締り嵌めで配置した状態で、上記各係止凹部２７ａ、２７ａに上記各係止爪部２８ａ、２８ａを係合している。

尚、上記各係止爪部２８、２８ａの突出量は、上記各補強素子２６ａ、２６ｂの熱膨張量を考慮して定める。即ち、小さい方の補強素子２６ａを加熱して膨張させた場合に、この小さい方の補強素子２６ａに設けた各係止爪部２８、２８同士の間を上記金型２０ａが通過できる様に、これら各係止爪部２８、２８の突出量を定める。又、大きい方の補強素子２６ｂを加熱して膨張させた場合に、この大きい方の補強素子２６ｂに設けた各係止爪部２８ａ、２８ａ同士の間を上記小さい方の補強素子２６ａが通過できる様に、これら各係止爪部２８ａ、２８ａの突出量を定める。又、上記係止凹部２７、２７ａと上記係止爪部２８、２８ａとは、図９の表方方向に亙って、全体的に或は一部に、又は間欠的に形成している。

上述の様に構成される本例の場合、金型２０ａの係止凹部２７、２７と小さい方の補強素子２６ａの係止爪部２８、２８との係合により、上記金型２０ａがこの小さい方の補強素子２６ａの凹部２３から抜け出る事を防止している。又、この小さい方の補強素子２６ａの係止凹部２７ａ、２７ａと大きい方の補強素子２６ｂの係止爪部２８ａ、２８ａとの係合により、上記小さい方の補強素子２６ａがこの大きい方の補強素子２６ｂの凹部２３ａから抜け出る事を防止している。この為、上記金型２０ａと上記小さい方の補強素子２６ａとが、この小さい方の補強素子２６ａと上記大きい方の補強素子２６ｂとが、不用意に分離する事を防止できる。その他の構造及び作用は、上述の第４例と同様である。
尚、金型側に係止爪部を、補強部材側に係止凹部をそれぞれ設けても良い。例えば、金型の幅方向両側面の上下方向中間部に係止爪部を、補強部材の凹部の両側面の上下方向中間部に係止凹部を、それぞれ設ける。この構造の場合も、上述した構造と同様に、係止爪部の突出量を補強部材の熱膨張量との関係で定める。

上述の実施の形態の各例は、それぞれ適宜組み合わせて実施できる。又、本発明の金型装置は、ステアリングギヤユニットのラックに限らず、各種機械装置に組み込むラックや、その他の長物の鍛造部品の製造にも適する。更には、長物以外でも、金型の溝内に設置して鍛造を行う事により得られる部品であれば、その製造にも使用可能である。又、冷間鍛造以外にも、温間鍛造等に使用しても良い。

本発明の実施の形態の第１例を示す正面図。 図１の上側から見た図。 本発明の実施の形態の第２例を示す正面図。 図３の上側から見た図。 本発明の実施の形態の第３例を示す正面図。 図５の上側から見た図。 本発明の実施の形態の第４例を示す正面図。 図７の上側から見た図。 本発明の実施の形態の第５例を示す、図７のＡ部に相当する拡大図。 ステアリングギヤユニットを備えた自動車用操舵装置の１例を示す部分切断側面図。 ステアリングギアユニットに組み込むラックの１例を示す斜視図。 金型装置の従来構造の第１例を示す正面図。 同じく第２例を示す断面図。 同第２例により加工する素材と加工品とを示す斜視図。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
３ 自在継手
４ 中間シャフト
５ ステアリングギヤユニット
６ 入力軸
７ タイロッド
８ ラック
９ ロット部
１０ ラック歯
１１、１１ａ 金型
１２ 溝
１３、１３ａ 素材
１４ パンチ
１５ 亀裂
１６ 加工品
１７ 補強部材
１８ 切り込み
１９ 金型装置
２０、２０ａ 金型
２１、２１ａ 補強部材
２２ 溝
２３、２３ａ 凹部
２４、２４ａ 側面
２５ 分割面
２６ａ、２６ｂ 補強素子
２７、２７ａ 係止凹部
２８、２８ａ 係止爪部

Claims (4)

1. パンチの押圧方向に直交する断面形状が非円形である金型の一面に設けた溝内に設置した素材を、上記パンチにより押圧して、この素材を塑性変形させる金型装置であって、上記金型が、補強部材に設けた凹部内に、上記パンチによる押圧時に上記素材から上記金型に作用する応力のうち、互いに離れる方向に作用する応力の作用方向と反対方向に押圧される様に、締り嵌めにより組み込まれている金型装置。
2. 金型が、パンチによる押圧時に素材から作用する応力のうち、互いに離れる方向に作用する応力の作用方向に分割可能である、請求項１に記載した金型装置。
3. 補強部材が、一面に凹部を有し、それぞれ大きさが異なる略直方体の複数の補強素子から成り、これら各補強素子のうちの最も小さい補強素子の凹部内に金型を締り嵌めにより組み込んだ状態で、これら各補強素子同士を、小さい方の補強素子を大きい方の補強素子の凹部内に、上記最も小さい補強素子の凹部により上記金型を押圧する方向と同方向に上記小さい方の補強素子が押圧される様に、それぞれ締り嵌めで組み込む事により互いに組み合わせている、請求項１又は請求項２に記載した金型装置。
4. 金型の一部と補強部材の一部との何れか一方に係止爪部を、他方にこの係止爪部と係合する係止凹部を、それぞれ設けており、これら係止爪部と係止凹部との係合により、上記金型が上記補強部材の凹部から抜け出る事を防止している、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した金型装置。

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