JP2013213513A - 旋回駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 減速機の潤滑油とメカニカルブレーキの潤滑油とが両方とも高温とならないような旋回駆動装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 ショベルの旋回体３を駆動する旋回駆動装置４０は、駆動源２１の出力を減速して伝達する減速機２４と、減速機２４の出力軸４６にブレーキを掛ける湿式ブレーキ２３とを有する。湿式ブレーキ２３に供給した潤滑油により減速機２４を冷却する。
【選択図】 図４

Description

本発明はショベルの旋回機構を駆動する旋回駆動装置に関する。

一般的に、掘削作業等を行なうショベルには旋回体が設けられ、掘削作業を行なうためのブーム、アーム及びバケットが旋回体に設けられる。旋回体を旋回させることで、バケットをショベルの周囲の任意の位置に移動する。旋回体を旋回させるための旋回駆動装置の駆動源として電動モータを用いることがある。旋回用電動モータで旋回体を旋回駆動することを電動旋回と称する。

旋回用電動モータの出力軸は、旋回減速機を介して旋回機構の入力軸に接続される。旋回用電動モータとしては、小型で高出力とするために高回転数の電動モータが用いられるので、旋回減速機としては大きな減速比を有する遊星歯車機構が用いられることが多い。

また、旋回用電動モータを駆動しないときには旋回用電動モータは自由に回転できる状態にあるので、旋回体に機械的にブレーキをかけて固定しておく必要がある。このため、旋回減速機の出力軸に機械的にブレーキをかけるブレーキ装置（メカニカルブレーキと称する）が旋回減速機の近傍に設けられる場合が多い。

特開２００８−２３２２７０号公報

例えば、特許文献１に開示された旋回減速機とメカニカルブレーキとが組み込まれた旋回駆動装置では、旋回減速機の潤滑油とメカニカルブレーキの潤滑油として同じ潤滑油が共通に用いられる。ここで、旋回用電動モータの回転数が大きいと、旋回減速機の歯車も高速回転することとなり、旋回減速機での発熱量が多くなる。これにより、旋回減速機が高温となり、潤滑油も高温となる。

上述のように旋回減速機とメカニカルブレーキとに共通の潤滑油を用いると、旋回減速機の潤滑油が高温となるとメカニカルブレーキの潤滑油も高温となり、メカニカルブレーキを十分に冷却できなくなるおそれがある。メカニカルブレーキのブレーキ性能は温度に依存し、メカニカルブレーキ自体が高温となるとブレーキ性能が低下してしまう。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、旋回減速機用の潤滑油とメカニカルブレーキの潤滑油とが両方とも高温とならないような旋回駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、ショベルの旋回体を駆動する旋回駆動装置であって、駆動源の出力を減速して伝達する減速機と、該減速機の出力軸にブレーキを掛ける湿式ブレーキとを有し、前記湿式ブレーキに供給した潤滑油により前記減速機を冷却する旋回駆動装置が提供される。

上述の旋回駆動装置において、エンジンによって回転駆動するメインポンプから吐出される作動油を前記潤滑油として用いることが好ましい。前記湿式ブレーキのブレーキ部品が収容されている湿式ブレーキ空間と、前記減速機の歯車が収容されている歯車空間とは分離されていることが好ましい。前記減速機は、前記駆動源を構成する電動モータと前記湿式ブレーキとの間に配置されていることとしてもよい。前記湿式ブレーキはブレーキ板を有し、該ブレーキ板は前記減速機の出力軸にスプライン係合していることとしてもよい。前記湿式ブレーキのブレーキ板を押圧するためのスプリングとして皿バネを用いることとしてもよい。

上述の発明によれば、減速機の潤滑油は減速機に閉じこめたままとし、冷却された潤滑油を湿式ブレーキに供給して、減速機及び湿式ブレーキを効率的に冷却することができる。

本発明の一実施形態による旋回駆動装置が組み込まれるショベルの側面図である。 図１に示すショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による旋回駆動装置の構成を示すブロック図である。 旋回減速機及びメカニカルブレーキを構成する部分の断面図である。 旋回減速機及びメカニカルブレーキを構成する部分の断面図である。 旋回減速機及びメカニカルブレーキを構成する部分の断面図である。 ２段目の旋回減速機が設けられた旋回駆動装置の構成を示すブロック図である。 冷却用ポンプが設けられたショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

まず、本発明の一実施形態による旋回駆動装置が組み込まれたショベルの全体構成及び駆動系の構成について説明する。図１は本発明の一実施形態による旋回駆動装置が組み込まれたショベルを示す側面図である。

図１に示すショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４，アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

なお、図１に示すショベルは、旋回駆動装置に供給する電力を蓄積する蓄電装置を有するショベルであるが、電動旋回を採用したショベルであれば、例えば外部電源から充電電力が供給される電気駆動式ショベルにも本発明を適用することができる。

図２は図１に示すショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続されている。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続される。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、及び旋回減速機２４が接続される。旋回減速機２４の出力軸２４Ａにはメカニカルブレーキ２３が接続される。旋回用電動機２１と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回減速機２４とにより、負荷駆動系として旋回駆動装置４０が構成される。ここで、旋回用電動機２１が上部旋回体３を旋回駆動するための旋回用電動モータに相当し、メカニカルブレーキ２３が上部旋回体３に機械的にブレーキをかけておくブレーキ装置に相当する。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、蓄電系１２０の昇降圧コンバータを駆動制御することによりキャパシタの充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタの充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、蓄電系１２０の昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタの充放電制御を行う。また、コントローラ３０は、後述のようにキャパシタに充電する量（充電電流又は充電電力）の制御も行なう。

旋回用電動機２１の回転速度（角速度ω）はレゾルバ２２により検出される。また、ブーム４の角度（ブーム角度θＢ）はブーム４の支持軸に設けられたロータリエンコーダ等のブーム角度センサ７Ｂにより検出される。コントローラ３０は、旋回用電動機２１の角速度ωに基づいて推定旋回回生電力（エネルギ）を演算で求める。そして、コントローラ３０は、演算で求めた推定旋回回生電力に基づいて、ＳＯＣの回生見込み目標値を演算により求める。コントローラ３０は、キャパシタ１９のＳＯＣを、求めた回生見込み目標値に近づけるようにハイブリッド式ショベルの各部を制御する。

上述のような構成のハイブリッド式ショベルによる作業では、上部旋回体３を旋回駆動するために、インバータ２０を介して供給される電力により旋回用電動機２１が駆動される。旋回用電動機２１の出力軸２１Ａの回転力は、旋回減速機２４とメカニカルブレーキ２３を介して旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａに伝達される。

図３は本発明の一実施形態による旋回駆動装置４０の構成を示すブロック図である。上述のように、旋回駆動装置４０は、駆動源としての電動モータである旋回用電動機２１を含む。旋回用電動機２１の出力軸側に旋回減速機２４として遊星減速機が接続される。旋回減速機２４（遊星減速機）の出力軸には、メカニカルブレーキ２３としてのディスクブレーキが設けられる。旋回減速機２４（遊星減速機）の出力軸は、旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａとなる。なお、図示はしないが、旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａは旋回機構２に接続され、出力軸４０Ａの回転力により旋回機構２が駆動される。

図４は旋回駆動装置４０のうち、旋回減速機２４及びメカニカルブレーキ２３を構成する部分の断面図である。本実施形態では、旋回減速機２４を構成する遊星減速機の太陽歯車４２が、旋回用電動機２１の出力軸２１Ａに固定されている。太陽歯車４２は複数の遊星歯車４４に係合している。遊星歯車４４の各々は、旋回減速機（遊星減速機）の出力軸を構成するキャリア４６に回転可能に支持されている。そして、各遊星歯車４４は、ギヤケース５０の内面に形成された内歯歯車４８に噛合している。

内歯歯車４８が形成されたギヤケース５０は、旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａに固定されており、自ら回転することはできない。一方、出力軸を構成するキャリア４６は、ブレーキケース５２を挟んでギヤケース５０に固定されたエンドケース５４に対して、ベアリング５６を介して回転可能に支えられている。

以上のような構成の遊星減速機において、旋回用電動機２１の出力軸２１Ａが回転して太陽歯車４２が回転すると、遊星歯車４４が回転（自転）する。遊星歯車４４はギヤケース５０の内面に形成された内歯歯車４８に噛合しており、遊星歯車４４の回転力で内歯歯車４８が形成されたギヤケース５０が回転しようとする。ところが、ギヤケース５は旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａに固定されているので、回転することはできない。その結果、遊星歯車４４を支持しながら自ら回転可能に支持されているキャリア４６のほうが回転することとなる。以上のような歯車作用により、旋回用電動機２１の出力軸２１Ａの回転が減速されてキャリア４６から出力される。

次に、メカニカルブレーキ２３を構成するディスクブレーキの構造について説明する。ディスクブレーキは固定部であるブレーキケース５２と出力軸であるキャリア４６との間に形成される。キャリア４６の外周にから外側に向けてブレーキディスク６０が延在する。ブレーキディスク６０は、キャリア４６に対して回転はできないが、キャリア４６の回転軸方向には移動可能な状態で、例えばスプライン接続のような接続構造を介してキャリア４６に接続されている。

ブレーキディスク６０の上下両側には、ブレーキパッド６２が配置されている。ブレーキパッド６２は、固定部であるブレーキケース５２に対して回転はできないが、キャリア４６の回転軸方向には移動可能な状態で、例えばスプライン接続のような接続構造を介してブレーキケース５０の内面側に接続されている。上側のブレーキパッド６２の上には、ピストン６４が、キャリア４６の回転軸方向に移動可能な状態で配置されている。ピストン６４はスプリング６６により押圧されて常に上側のブレーキパッド６２に押し付けられている。本実施形態では、スプリング６６としてコイルスプリングを用いているが、小さな変位で高出力を得ることのできる多段重ねの皿バネを用いることもできる。

ブレーキパッド６２とブレーキディスク６０とは、キャリア４６の回転軸方向に移動可能であるので、上側のブレーキパッド６２がピストン６４により押圧されると、ブレーキディスク６０は上下のブレーキパッド６０により挟まれて押圧される。ブレーキパッド６２とディスクブレーキ６０の表面は摩擦係数の大きな被膜に覆われており、ディスクブレーキ６０がブレーキパッド６２により挟まれて押圧されることで、ディスクブレーキ６０の回転を阻止しようとするブレーキ力がディスクブレーキ６０に作用する。ディスクブレーキ６０はキャリア４６対して回転できないように接続されているので、ディスクブレーキ６０に作用するブレーキ力がキャリア４６に加わるブレーキ力となる。

ピストン６４とブレーキケース５２との間には、作動油が供給可能な油圧空間６８が形成され、油圧空間６８にブレーキ解除ポート７０が接続されている。コントロールバルブ１７からブレーキ解除ポート７０を介して油圧空間６８に油圧を供給すると、ピストン６４が油圧により押し上げられて、ブレーキパッド６２を押圧する力が無くなり、ブレーキは解除される。

上述のディスクブレーキは、いわゆる湿式ディスクブレーキであり、ブレーキディスク６０及びブレーキパッド６２が収容される空間（湿式ブレーキ空間と称する）には、作動油が充填される。

一方、遊星減速機において、太陽歯車４２と遊星歯車４４と内歯歯車４８との噛合部分を収容する空間（歯車空間と称する）には、歯車の噛合いを滑らかにするために潤滑油が満たされている。

上述の歯車空間の潤滑油は、歯車作動時の熱を吸収して高温となる。一方、湿式ブレーキ空間の作動油は、ブレーキ作動時のみ摩擦熱を吸収する程度であり、歯車空間の潤滑油ほどは高温とならない。しかし、歯車空間の潤滑油と湿式ブレーキ空間の作動油とが混ざり合うと、湿式ブレーキ空間の作動油の温度も高温となってしまう。

そこで、本実施形態では、図４に示すようにオ、ギヤケース５０の内歯歯車４８の下側の部分とキャリア４６の外周面との間にオイルシール７２を配置することで、歯車空間と湿式ブレーキ空間とを互いに分離し、歯車空間内の潤滑油が湿式ブレーキ空間内に流れ込まないようにしている。

そして、本実施形態では、湿式ブレーキ空間に冷却された作動油を供給しながら湿式ブレーキ空間から作動油を排出することで、湿式ブレーキ空間で作動油の流れをつくり、常に湿式ブレーキ空間内の作動油の温度が低い温度に維持されるようにしている。湿式ブレーキ空間は、ギヤケース５０とオイルシール７２とにより歯車空間から分離されているため、湿式ブレーキ空間内の作動油をギヤケース５０とオイルシール７２に接触させながら流すことで、歯車空間内の潤滑油を冷却することができる。

上述のような作動油の流れを形成するために、本実施形態では、湿式ブレーキ空間のうち、スプリング６６が配置される部分に連通する上部作動油流通口７４をギヤケース５０の上部に設けている。また、ディスクブレーキ６０が配置される部分の下側の空間に連通する下部作動油流通口７６をエンドケース５４に設けている。さらに、下部作動用供給口７６の反対側のエンドケース５４に、ディスクブレーキ６０が配置される部分の下側の空間に連通する下部作動油流通７８が設けられている。

ここで、湿式ブレーキ空間での作動油の流れについて説明する。湿式ブレーキ空間に供給される作動油は、ディスクブレーキの動作を補助しディスクブレーキを冷却する機能を有していればよい。この作動油として、例えば、ショベルの油圧回路で用いられる作動油を用いることができる。例えば、パイロットポンプ１５から吐出する作動油を湿式ブレーキ空間に供給することができる。パイロットポンプ１５が吸引するタンク内の作動油は、タンクに戻される前にオイルクーラ等で冷却された低温の作動油である。この場合は、タンク内の低温の作動油をそのまま湿式ブレーキ空間に供給すればよい。あるいは、タンクと湿式ブレーキ空間との間にオイルクーラを設けて、湿式ブレーキ空間に供給される作動油を冷却してもよい。いずれにしろ、湿式ブレーキ空間に供給される作動油は冷却された低温の作動油であることが望ましい。

図４に示す例では、ギヤケース５０の上部に設けられた上部作動油流通口７４を介して作動油が湿式ブレーキ空間に供給される。上部作動油流通口７４から供給された作動油はスプリング６６が収容された空間を通って、ブレーキディスク６０が収容された空間に流れ、エンドケース５４に設けられた下部作動油流通口７８から排出される。

ここで、スプリング６６が収容された空間を形成するギヤケース５０の外壁面は、内歯歯車４８が形成された部分の反対側の面となり、歯車空間に沿った壁面である。この壁面を、パイロットポンプ１５から吐出した低温の作動油が通過する際に、作動油は歯車空間からギヤケース５０に伝達された熱を吸収する。これにより、歯車空間内の歯車及び潤滑油が冷却される。このように、低温の作動油を湿式ブレーキ空間に供給することにより、遊星減速機が冷却されて歯車による伝達ロスを低減することができ、旋回駆動装置の過熱を防止することができる。

図５に示す例では、作動油は、エンドケース５４に設けられた下部作動油流通口７６から供給され、ブレーキディスク６０が収容された空間を通り、スプリング６６が収容された空間に流れる。この作動油により遊星減速機が冷却され、作動油は最終的にエンドケース５４に設けられた下部作動油流通口７８から排出される。

図６に示す例では、作動油は、エンドケース５４に設けられた下部作動油流通口７８から供給され、ブレーキディスク６０が収容された空間を通り、スプリング６６が収容された空間に流れる。この作動油により遊星減速機が冷却され、作動油は最終的にギヤケース５０に設けられた上部作動油流通口７４から排出される。

なお、図３示す旋回駆動装置４０の構成では、旋回減速機２４（遊星減速機）の出力軸となるキャリア４６が、旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａに相当するが、旋回減速機２４（この例では、旋回減速機２４−１と称する）の後段にさらに２段目の旋回減速機２４−２を設けることとしてもよい。図７は２段目の旋回減速機が設けられた旋回駆動装置４０−１の構成を示すブロック図である。２段目の遊星減速機２４−２はメカニカルブレーキ２３（ディスクブレーキ）を間に挟んで１段目の旋回減速機２４−１に組み付けられる。２段目の遊星減速機２４−２出力軸が旋回駆動装置４０−１の出力軸４０Ａとなる。

具体的には、例えば、図４に一部が示されるように、キャリア４６の軸の先端に太陽歯車８０を取り付け、太陽歯車８０と内歯歯車８２との間で遊星歯車８４を駆動するというように、２段目の旋回減速機（遊星減速機）２４−２を構成し、大きな減速比を得るようにしてもよい。

上述の実施形態ではパイロットポンプ１５から吐出される作動油を旋回減速機２４に供給しているが、旋回減速機２４に作動油を供給するためのポンプとして冷却用ポンプ９０を設けてもよい。図８は冷却用ポンプ９０が設けられたショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

図８に示すように、冷却用ポンプ９０は、メインポンプ１４とパイロットポンプ１５との間に配置され、メインポンプ１４が回転すると冷却用ポンプ９０も回転するようになっている。冷却用ポンプ９０の吐出口に接続された冷却用作動油供給ライン９２は、旋回減速機２４の上部作動油流通口７４又は下部作動油流通口７６，７８に接続される。したがって、冷却用ポンプ９０から吐出される作動油は冷却用作動油供給ライン９２を通じて旋回減速機２４のギヤケース５０とブレーキケース５２の間に形成された湿式ブレーキ空間に供給される。この作動油によりギヤケース５０は冷却され、また湿式ブレーキ空間内のブレーキも潤滑且つ冷却される。旋回減速機２４に供給された作動油は、冷却用作動油排出ライン９４から排出され、オイルクーラ（図示せず）で冷却されてからタンクに戻る。

冷却用ポンプ９０を設けることで、作動油が流入し難い狭い空間にも確実に作動油を供給することができる。これにより、旋回減速機２４が高温になることを防止することができる。

なお、メカニカルブレーキ２３（ディスクブレーキ）のＯＮ・ＯＦＦ用の作動油は、パイロットポンプ１５から供給される。

１ 下部走行体
１Ａ，１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
７Ａ 油圧配管
７Ｂ ブーム角度センサ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ エンジン
１２ 電動発電機
１３ 変速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８，１８Ａ，１８Ｂ，２０ インバータ
１９ キャパシタ
２１ 旋回用電動機
２１Ａ 出力軸
２１ａ エンドプレート
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４，２４−１，２４−２ 旋回減速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ，２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２６Ｄ ボタンスイッチ
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
４０，４０−１ 旋回駆動装置
４２，８０ 太陽歯車
４４，８４ 遊星歯車
４６ キャリア
４８，８２ 内歯歯車
５０ ギヤケース
５２ ブレーキケース
５４ エンドケース
５６ ベアリング
６０ ブレーキディスク
６２ ブレーキパッド
６４ ピストン
６６ スプリング
６８ 油圧空間
７０ ブレーキ解除ポート
７２ オイルシール
７４ 上部作動油流通口
７６，７８ 下部作動油流通口
９０ 冷却用ポンプ
９２ 冷却用作動油供給ライン
９４ 冷却用作動油排出ライン
１２０ 蓄電系

Claims (6)

1. ショベルの旋回体を駆動する旋回駆動装置であって、
   駆動源の出力を減速して伝達する減速機と、
   該減速機の出力軸にブレーキを掛ける湿式ブレーキとを有し、
   前記湿式ブレーキに供給した潤滑油により前記減速機を冷却する旋回駆動装置。
2. 請求項１記載の旋回駆動装置であって、
   エンジンによって回転駆動するメインポンプから吐出される作動油を前記潤滑油として用いる旋回駆動装置。
3. 請求項１又は２記載の旋回駆動装置であって、
   前記湿式ブレーキのブレーキ部品が収容されている湿式ブレーキ空間と、前記減速機の歯車が収容されている歯車空間とは分離されている旋回駆動装置。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の旋回駆動装置であって、
   前記減速機は、前記駆動源を構成する電動モータと前記湿式ブレーキとの間に配置されている旋回駆動装置。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の旋回駆動装置であって、
   前記湿式ブレーキはブレーキ板を有し、
   該ブレーキ板は前記減速機の出力軸にスプライン係合している旋回駆動装置。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の旋回駆動装置であって、
   前記湿式ブレーキのブレーキ板を押圧するためのスプリングとして皿バネを用いた旋回駆動装置。

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