JP2009190519A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ウォーム軸と電動モータの出力軸のカップリング部に用いる弾性部材が、変曲点がなく連続的に変化する弾性特性を有すると共に、そのへたりを防止することができる電動パワーステアリング装置を提供すること。
【解決手段】電動モータの出力軸と、ウォームを有するウォーム軸とを連結するカップリング部は、一方の軸に中心部が固定され、軸周りに放射状且つ等間隔に配置した複数の突起部を一体的に形成したプレート面部から成る第1トルク伝達部材と、他方の軸に中心部が固定され、第1トルク伝達部材に組み付けた際に前記複数の突起部間に位置するように周方向に等間隔に配置した複数の突起部を一体的に形成したプレート面部から成る第2トルク伝達部材と、この突起部間に介在する複数の樽形状の弾性部材と、から構成されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、自動車の電動パワーステアリング装置に関し、特に、その補助力を得るモータの出力軸と、減速機構の入力軸とを接続するカップリング部に関するものである。
電動パワーステアリング装置においては、電動モータにより操舵補助力を得ているが、この電動モータの振動が操舵軸を介して車室内に伝わり、騒音の原因となる。特に、車室内がもともと静かであるハイブリッド車や電気自動車では、そのような騒音が目立ってしまう。
一般的に、電動モータの出力軸は、セレーション結合等によりウォーム軸と一体回転可能に剛性連結され、このウォーム軸及びウォームホイールを介して操舵軸にトルク伝達可能に連結されている。
一方、路面から車輪を介して操舵軸に与えられるキックバックに起因して電動モータの操舵補助力が不必要に変動することを防止するため、電動モータの出力軸とウォーム軸の一端との間にトルク伝達用の弾性部材を介在させる電動パワーステアリング装置も種々提案されている。
例えば、特許文献1においては、電動モータの出力軸と減速機構のウォーム軸を連結するジョイントが、出力軸と一体的に回転する第1の部材と、ウォーム軸と一体的に回転する第2の部材と、この両部材をトルク伝達可能に連結する弾性部材とから構成された電動パワーステアリング装置が開示されている。
この両部材と弾性部材は、弾性部材に設けた突起部の部分的な接触から、突起部が潰れた全面的な接触に移ることで弾性抵抗が変化するようになっている。即ち、この弾性部材は、両部材間の捩じれ角度に略比例して変化する弾性係数を有している。
また、電動パワーステアリング装置に係る発明ではないが、特許文献2においては、歯車の芯部に設けた内包部と、その回転軸に外嵌した中間部材との間に、複数の弾性部材を介在させた構成の電動工具が開示されている。
特許第4007159号公報 特開2005−297125号公報
しかしながら、従来の上記特許文献1に係る電動パワーステアリング装置においては、低弾性率から高弾性率に変わる際に明らかな変曲点が生じることになり、微操舵時のフィーリング改善を図っていながら、違和感を与える要因を内包している。また、突起部のみでの圧縮で低弾性率を得た後、突起部をさらに圧縮し続けたまま接触面積が広がることで高弾性率に移行するため、突起部の潰し率が高くなり、突起部がへたり易くなるということも懸念される。
また、特許文献2における電動工具の構成をウォーム軸とモータの出力軸のカップリング部に応用することも考えられる。
そこで、本発明は、上述した従来の不具合を解消して、ウォーム軸とモータ軸のカップリング部に用いる弾性部材が、変曲点がなく連続的に変化する弾性特性を有すると共に、そのへたりを防止することができる電動パワーステアリング装置を提供することを課題としている。
上記課題を達成するために、本発明に係る電動パワーステアリング装置は、電動モータの出力軸と、ウォームを有するウォーム軸とが、それぞれの対抗する側の端部間に配置されたカップリング部で連結され、前記電動モータから発生させる補助操舵トルクを前記ウォームと噛み合うウォームホイールを介してステアリングシャフトに伝達する電動パワーステアリング装置において、
前記カップリング部は、
前記出力軸の前記ウォーム軸側の端部と前記ウォーム軸の前記出力軸側の端部との一方に中心部が固定され、軸周りに放射状且つ周方向に等間隔に配置した複数の突起部を一体的に形成したプレート面部から成る第1トルク伝達部材と、
前記出力軸の前記ウォーム軸側の端部と前記ウォーム軸の前記出力軸側の端部との他方に中心部が固定され、前記第1トルク伝達部材と連結した際に、前記第1トルク伝達部材の周方向に隣り合う突起部間に交互に位置するように周方向に等間隔に配置した複数の突起部を一体的に形成したプレート面部から成る第2トルク伝達部材と、
前記第1トルク伝達部材の突起部と前記第2トルク伝達部材の突起部間に介在する弾性部材と、
から構成されていることを特徴としている。
また、前記第1および第2トルク伝達部材の各突起部の周方向で両側の面は、内側に湾曲した曲面に形成されていることを特徴としている。
また、前記弾性部材は、軸方向で中央が最大径で、該中央から軸方向で両端に向かって縮径した略樽形状であることを特徴としている。
また、前記弾性部材は、円柱形状であることを特徴としている。
また、前記弾性部材の軸方向の長さは、前記第1および第2トルク伝達部材を組み付けた際に、当該弾性部材の両端面が前記第1および第2トルク伝達部材の前記両プレート面部間で圧縮される大きさに設定されていることを特徴としている。
本発明によれば、従来のように弾性特性に変曲点があるために操舵フィーリングに違和感が生じるといった不具合がなく、操舵フィーリングを良好なものにすることができる。
また、弾性部材の弾性特性は、衝撃緩和に寄与するだけでなく、各部品の寸法誤差や組み付け誤差等による特性の急激な変化を抑えることにも寄与し、弾性部材のへたりを防止することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の電動パワーステアリング装置を含む操舵系の構成を示す斜視図、図2は、本発明の電動パワーステアリング装置を示す図1のA−A断面図である。
図1において、後端部にステアリングホイール1が取り付けられたステアリングシャフト2が、ステアリングコラム14に回転自在に内嵌されている。ステアリングシャフト2の前端部は、ユニバーサルジョイント15aを介して中間シャフト18に連結され、この中間シャフト18は、ユニバーサルジョイント15bを介して、ラック&ピニオン機構等から成るステアリングギヤユニット19に連結されている。
ステアリングシャフト2の、ユニバーサルジョイント15aに近い前方側の位置には、ハウジング3に一体的に取り付けられた電動モータ7等から成る電動パワーステアリング装置16が組み付けられている。
この電動パワーステアリング装置16は、図2に示すように、ステアリングシャフト2に外嵌・固定され、ハウジング3に収納されたウォームホイール4、ハウジング3側に転がり軸受9a,9bで軸支されたウォーム軸6、このウォーム軸6と一体的に形成され、ウォーム歯5でウォームホイール4と噛み合うウォーム8、ウォーム8に駆動力を与える電動モータ7、この電動モータ7の出力軸10とウォーム軸6とを接続するカップリング部17とから成っている。
図3は、カップリング部の構成を示す分解斜視図、図4は、図3のカップリング部を軸方向から見た断面図である。
このカップリング部17は、図3及び図4にも示すように、ウォーム軸6側に取り付けた円盤状の第1トルク伝達部材11と、出力軸10側に取り付けた円筒状の第2トルク伝達部材12と、これらの第1及び第2トルク伝達部材11,12間に介在させる弾性部材13とから成っている。
第1トルク伝達部材11は、金属部品であって、円盤状のプレート面部11aと、円筒状の中央筒部11bとを軸芯部で一体化して形成されている。中央筒部11bの内周にウォーム軸6のモータ軸10側の端部が内嵌されて、ウォーム軸6と第1トルク伝達部材とは一体に回転する。この中央筒部11bの外周面には、放射状に等間隔で3つの突起部20が形成されている。これらの突起部20は、プレート面部11aと一体的に形成され、その周方向両側には内側に湾曲した2つの突起部曲面20aを各々有している。突起部曲面20aは断面が円弧状であり、軸方向にわたって同じ断面になっている。
このプレート面部11aは、出力軸10と同芯で、弾性部材13の軸方向の移動を規制できるように、その外径は突起部20の外径と一致させている。
第2トルク伝達部材12は、金属部品であって、円板状のプレート面部12aと、リング状の外部リング12bを一体化した円筒形状に形成されている。この円筒形状の内面側には、外部リング12bの周方向に等間隔で3つの突起部21が、軸心方向へ延びるように形成されている。これらの突起部21は、プレート面部12a及び外部リング12bと一体的に形成され、その周方向両側には内側に湾曲した突起部曲面21aを各々有している。突起部曲面21aは断面が円弧状であり、軸方向にわたって同じ断面になっている。プレート面部12aの中央部には孔12a−1が形成されており、この孔12a−1の内周に出力軸10のウォーム軸6側の端部が内嵌されて、出力軸10と第2トルク伝達部材12とは一体に回転する。
上記第1トルク伝達部材11の突起部20の外周は、第2トルク伝達部材12の外部リング12b内に収容可能なように、外部リング12bの内周面に対して微小な隙間が配されるように設定されている。言い換えると、外部リング12bの内径は、第1トルク伝達部材11が収容可能な大きさに設定されている。
また、第2トルク伝達部材12の突起部21の軸方向長さは、第1トルク伝達部材11の中央筒部11bの軸方向長さと同じ長さを有している。第2トルク伝達部材12の突起部21の突起部曲面21aは、第1トルク伝達部材11の突起部20の突起部曲面20aと同じ曲率半径を有している。したがって、組み付け状態において周方向に対向する突起部20の突起部曲面20aと突起部21の突起部曲面21aとは、弾性部材13を挟んで対称をなしている。
突起部曲面20aの曲率半径と突起部曲面21aの曲率半径とは、後述する弾性部材13の最大径部分の曲率半径よりも大きく設定されている。
図5は、弾性部材13を示す側面図である。
上記弾性部材13は、図5に示すように、樽形状のゴム部品であって、軸方向中央の径φDが最も大きく、ここからテーパ角αで両端に向かって直線的に縮径した、徐々に細くなる形状である。この弾性部材13を、図3及び図4に示したように、周方向に対向する第1トルク伝達部材11の突起部曲面20aと第2トルク伝達部材12の突起部曲面21aとの間に6個介在させている。
この弾性部材13の径φDは、両トルク伝達部材11,12の周方向に対向する突起部20,21から成る収容空間に隙間無く収まる寸法を基本とし、この基本寸法より大きい場合は、弾性部材13を予圧縮した状態で前記収容空間に装着することになり、前記収容空間の隙間をかなり除くことができる。逆に、径φDが前記基本寸法より小さい場合は、突起部20,21の寸法誤差や出力軸10とウォーム軸6の芯ずれを許容する隙間を前記収容空間に設けることになる。
弾性部材13の軸方向の長さは、第1トルク伝達部材11の突起部21の軸方向の長さと一致させている。
上記構成の電動パワーステアリング装置において、電動モータ7の出力軸10が回転すると、その駆動力が第2トルク伝達部材12から、弾性部材13を介して第1トルク伝達部材11に伝達されてウォーム8が回転し、ウォームホイール4を介してステアリングシャフト2が回転する。さらに、ユニバーサルジョイント15a、中間シャフト18、ユニバーサルジョイント15bを介して、ステアリングギヤユニット19に駆動力が伝達されて、ステアリングギヤユニット19の両端にナックルアーム(図示略)を介して連結された前輪(図示略)の操舵が行われる。
この時、カップリング部17においては、図4に示すように、第2トルク伝達部材12の各突起部21の一方側の突起部曲面21aが、これに対向する第1トルク伝達部材11の各突起部20の突起部曲面20aとに挟まれた弾性部材13を側面から押圧していく。この過程で、後述する弾性部材13の効果的な弾性特性が発揮されながら、回転トルクが第1トルク伝達部材11を介してウォーム8側に伝達されていく。
このように、カップリング部17において弾性部材13を介在させて、金属同士が接触しない弾性的なトルク伝達になっているため、モータ7の駆動時や回転方向の反転時に生じる衝撃を緩和することができ、異音や振動の発生を低減することができる。
トルク伝達の際の弾性部材13の弾性特性は、弾性部材13の変形状態による3段階からなっている。
1次弾性特性は、弾性部材13の外周面と突起部曲面20a、21aとの接触初期における、弾性部材13の最大径部分と突起部曲面20a、21aとの点接触から弾性部材13の側面の膨らみが潰れるまでの弾性特性である。つまり、弾性部材13の側面の膨らみが潰れて、弾性部材13の突起部曲面20a、21a側の外周面が、その軸方向の長さにわたって突起部曲面20a、21aと接触するまでの弾性特性である。
2次弾性特性は、弾性部材13の突起部曲面20a、21a側の外周面がその軸方向の長さにわたって突起部曲面20a、21aと接触してから、弾性部材13の外周面と突起部曲面20a、21aとの間の隙間が全部無くなるまでの弾性特性である。
3次弾性特性は、弾性部材13の外周面と突起部曲面20a、21aとの間の隙間が全部無くなり、弾性部材13が周方向の突起部曲面20a、21aと軸方向のプレート面部11a,12aとに押し付けられ、変形する逃げ場を失ってから圧縮抵抗が増加して高い弾性率が得られる弾性特性である。
本実施形態によれば、これら1,2,3次弾性特性が連続して得られる。すなわち、弾性部材13と突起部曲面20a、21aとの接触初期における点接触から、トルクが増大するにしたがって弾性部材13と突起部曲面20a、21aとの接触面積が徐々に増加し、弾性部材13の全面が突起部曲面20a、21aに接触し、更に高い弾性率が得られるに至るまでの、弾性部材13の突起部曲面20a、21aとの接触面積が点から全面に徐々に増加する過程において、弾性部材13の弾性特性は上記1次,2次,更に3次弾性特性と連続して変化する。
このように、本実施形態によれば、弾性部材13は初めの突起部曲面20a、21aとの点接触の弱い弾性抵抗から、弾性部材13と突起部曲面20a、21aとの隙間が詰まった状態の高い弾性抵抗まで連続的に変化する弾性特性を得ることができるので、従来のように、弾性部材の突起部の部分的な接触から突起部が潰れた全面的な接触に移るために弾性特性に変曲点があり、そのため操舵フィーリングに違和感が生じるといった不具合がなく、操舵フィーリングを良好なものにすることができる。
また、弾性部材13の小さい弾性抵抗である上記1次弾性特性は、上述したような衝撃緩和に寄与するだけでなく、各部品の寸法誤差や組み付け誤差等による特性の急激な変化を抑えることにも寄与することができる。
一方、弾性部材13の大きい弾性抵抗である上記3次弾性特性は、弾性部材13と突起部曲面20a、21aとの間の隙間が詰まった後に得る特性であるために、弾性材料自体は軟質でもかまわないことを意味し、上記1次や2次弾性特性の設計自由度が広がることにつながる。加えて、隙間が詰まった後は、弾性部材13は大幅な変形ができず、潰し率に上限があることになるため、弾性部材13のへたりを低減する効果も得ることができる。
尚、弾性部材13の樽状の輪郭形状によって、低弾性率域での変化、即ち第1次弾性特性を調整することができる。上記実施形態では、弾性部材13の中央の最大径からテーパ角αで両端に向かって直線的に縮径した形状を示したが、例えば、曲線的に縮径した形状であっても良い。この場合、圧縮変形による接触面積の変化をより細かく設定することができる。
弾性部材13の上記テーパ角αは、出力軸10による捩じりに伴う弾性部材13の弾性特性の変化に影響を与える。角度αが小さい時は、弾性部材13の側面の膨らみが潰れて弾性部材13の外周面がその軸方向の長さにわたって突起部曲面20a、21aと接触するまでの、弾性部材13の側面の膨らみの潰し量が少ない。そのため、弾性率の増加が早く、弾性部材13はへたり難くなる。逆に、角度αが大きい時は、弾性部材13の外周面がその軸方向の長さにわたって突起部曲面20a、21aと接触するまでの弾性部材13の側面の膨らみの潰し量が多い。そのため、弾性率の増加が遅く、弾性部材13はへたり易くなる。
上記実施形態では、弾性部材13の軸方向の長さは、第1トルク伝達部材11の突起部21の軸方向の長さと一致させたが、この構成に限らず、弾性部材13の軸方向の長さを、第1トルク伝達部材11の突起部21の軸方向の長さより若干長く設定すると、組み付けた際に、前記プレート面部11a,12aとの隙間が無くなり、若干圧縮されるので、各部品の軸方向の寸法誤差を吸収することができる。
また、突起部曲面20a,21aの曲面形状によって、弾性部材13と突起部曲面20a、21aとの間の隙間が詰まるまでの第2次弾性特性を調整することができる。
この曲面20a,21aが弾性部材13の表面形状に近い断面形状で、曲面20a,21aと弾性部材13との隙間が少なければ、最初の接触状態から圧縮による弾性抵抗が増加するまでの間隔が短くなり、弾性部材13の潰し率を低く抑えることができるので、弾性部材13のへたりを抑えることができる。しかし、隙間が少ないために寸法誤差が性能に影響し易く、高い寸法精度が求められる。
逆に、突起部曲面20a,21aと弾性部材13の隙間が大きければ、最初の接触状態から圧縮による弾性抵抗が増加するまでの間隔が長くなり、弾性部材13潰し率が高くなりがちなので、弾性部材13はへたり易くなるが、寸法誤差や各軸の組み付け誤差を緩和し易くなる。
図6は、図1のA−A断面図において両トルク伝達部材11、12の位置を上記実施形態におけるそれぞれの位置と入れ替えた図である。
上記実施形態では、第1トルク伝達部材11をウォーム8側、第2トルク伝達部材12をモータ7側に取り付けていたが、図6に示すように、第2トルク伝達部材12がウォーム8側、第1トルク伝達部材11をモータ7側に取り付けても良い。
また、構造上、カップ状になっている第2トルク伝達部材12に弾性部材13を装着する方が組み立て易いが、モータ7を組み付けてカップリングを形成する際の方向によって、第2トルク伝達部材12がモータ7側にある方が組み立て易い場合と、ウォーム8側にある場合が組み立て易い場合があるが、その取り付け方向は限定しない。
次に、上記弾性部材の他の実施形態について図7〜図11を参照して説明する。
図7は、円筒状の弾性部材を用いたカップリング部を示す分解斜視図、図8は、連結した弾性部材を用いたカップリング部を示す分解斜視図、図9は、連結した弾性部材を示す斜視図(A)、軸方向から見た図(B)、側面図(C)、図10は、カップ状のトルク伝達部材に連結した弾性部材を組み付けた状態を示す斜視図,図11は、連結して一体化した弾性部材の他の実施形態を示す斜視図(A)、軸方向から見た図(B)、側面図(C)である。
図7に示すように、円筒状の弾性部材23を用いてカップリング部17を構成することもできる。この場合のカップリング部17の構成は、上記実施形態のカップリング部17と同様であるので、重複する説明は省略する。また、図7における第1トルク伝達部材11および第2トルク伝達部材12の構成は、図3に示す上記実施形態におけるものと同様なので、図7においては図3に示す破線は省略する。
このような円筒状の弾性部材23を使用する場合は、弾性部材23と突起部曲面20a、21aとの接触は、トルク伝達開始時は、上記樽形状の弾性部材13の場合における点接触から線接触に変わっているため、上記一次弾性特性は若干大きい弾性抵抗を有する。しかし、逆に、点接触よりも部分的な潰し率の増加を抑えることができるため、耐久性に優れている。
また、弾性部材23の軸方向の長さを、突起部20の軸方向の長さよりも若干長く設定することにより軸方向に予圧をかけることもできる。これにより、出力軸10やウォーム軸6の設置誤差等から軸周りの軸受9bに内部隙間があった場合でも、これを詰めることができる。
また、図8及び図9に示すように、6つの弾性部材13を連結部24で連結し、一体化した構成とすることもできる。図8において、他の各部分の構成は図3と同様であり、重複する説明は省略する。
各弾性部材13は小片であり、それを例えば第2トルク伝達部材12に6個均等に配置し、その状態で、他方の第1トルク伝達部材11を組み付ける必要があるが、この組み付け時に、弾性部材13が位置ずれや転がってしまう等の問題が発生する可能性があるため、これを防止するための構成である。
第1及び第2トルク伝達部材11,12の突起部20,21は、交互に互い違いに配置されるため、連結部24は、弾性部材13の軸方向で中央ではなく両端で交互に設けている。
このため、第1及び第2トルク伝達部材11,12の突起部20,21の軸方向の長さを連結部24の厚さの分だけ短くする必要があるが、組み付け時に干渉することはない。
この連結した弾性部材13を第2トルク伝達部材12に組み付けると、図10に示すように、隣り合う2つの弾性部材13で突起部21を挟むような形になるので、脱落し難くなり、相互の位置決めが可能となる。
さらに、図11に示すように、弾性部材13の連結部24に凸形状の予圧部24aを設けた構成とすることもできる。この一体化した弾性部材13を第1及び第2トルク伝達部材11,12に組み付けた際に、予圧部24aは、突起部20,21の軸方向の端面20b,21bとプレート面部11a,12aに挟まれて弾性的に押圧されるが(図8参照)、その反力から予圧力を得ることができる。これにより、出力軸10やウォーム軸6の設置誤差等から軸周りの軸受9bに内部隙間があった場合でも、これを詰めることができる。
本発明の電動パワーステアリング装置を含む操舵系の構成を示す斜視図である。 本発明の電動パワーステアリング装置を示す図1のA−A断面図である。 カップリング部の構成を示す分解斜視図である。 図3のカップリング部を軸方向から見た断面図である。 弾性部材を示す側面図である。 図1のA−A断面図において両トルク伝達部材の位置を入れ替えた図である。 円筒状の弾性部材を用いたカップリング部を示す分解斜視図である。 連結した弾性部材を用いたカップリング部を示す分解斜視図である。 連結した弾性部材を示す斜視図(A)、軸方向から見た図(B)、側面図(C)である。 カップ状のトルク伝達部材に連結した弾性部材を組み付けた状態を示す斜視図である。 連結した弾性部材の他の実施形態を示す斜視図(A)、軸方向から見た図(B)、側面図(C)である。
符号の説明
2 ステアリングシャフト
3 ハウジング
4 ウォームホイール
5 ウォーム歯
6 ウォーム軸
7 電動モータ
8 ウォーム
10 出力軸
11 第1トルク伝達部材
11a プレート面部
11b 中央筒部
12 第2トルク伝達部材
12a プレート面部
12b 外部リング
13 弾性部材
17 カップリング部
20,21 突起部
20a,21a 突起部曲面
20b,21b 突起部端面
24 連結部
24a 予圧部

Claims (5)

  1. 電動モータの出力軸と、ウォームを有するウォーム軸とが、それぞれの対抗する側の端部間に配置されたカップリング部で連結され、前記電動モータから発生させる補助操舵トルクを前記ウォームと噛み合うウォームホイールを介してステアリングシャフトに伝達する電動パワーステアリング装置において、
    前記カップリング部は、
    前記出力軸の前記ウォーム軸側の端部と前記ウォーム軸の前記出力軸側の端部との一方に中心部が固定され、軸周りに放射状且つ周方向に等間隔に配置した複数の突起部を一体的に形成したプレート面部から成る第1トルク伝達部材と、
    前記出力軸の前記ウォーム軸側の端部と前記ウォーム軸の前記出力軸側の端部との他方に中心部が固定され、前記第1トルク伝達部材と連結した際に、前記第1トルク伝達部材の周方向に隣り合う突起部間に交互に位置するように周方向に等間隔に配置した複数の突起部を一体的に形成したプレート面部から成る第2トルク伝達部材と、
    前記第1トルク伝達部材の突起部と前記第2トルク伝達部材の突起部間に介在する弾性部材と、
    から構成されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
  2. 前記第1および第2トルク伝達部材の各突起部の周方向で両側の面は、内側に湾曲した曲面に形成されていることを特徴とする請求項1記載の電動パワーステアリング装置。
  3. 前記弾性部材は、軸方向で中央が最大径で、該中央から軸方向で両端に向かって縮径した略樽形状であることを特徴とする請求項1又は2記載の電動パワーステアリング装置。
  4. 前記弾性部材は、円柱形状であることを特徴とする請求項1又は2記載の電動パワーステアリング装置。
  5. 前記弾性部材の軸方向の長さは、前記第1および第2トルク伝達部材を組み付けた際に、当該弾性部材の両端面が前記第1および第2トルク伝達部材の前記両プレート面部間で圧縮される大きさに設定されていることを特徴とする請求項1、2、3、又は4記載の電動パワーステアリング装置。
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