JP2013508158A - スピンドル駆動装置のためのスピンドルの作製方法、このようなスピンドルを備えるローラねじ駆動装置およびローラねじ駆動装置の使用方法 - Google Patents

スピンドル駆動装置のためのスピンドルの作製方法、このようなスピンドルを備えるローラねじ駆動装置およびローラねじ駆動装置の使用方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、ローラねじ駆動装置、例えば電気機械式ブレーキブースタまたは電気機械式パワーステアリングのためのスピンドル(1)に関する。本発明は、平坦な長方形の環状横断面を有する螺旋(2)を肉薄の管(8)に配置し、管(8)を高圧負荷によって内側から螺旋(2)の脚部に圧着成形することを提案する。

Description

本発明は、請求項1または請求項7の上位概念部に記載の特徴を有するスピンドル駆動装置のためのスピンドルの作製方法、請求項9の上位概念部に記載の特徴を有するこのようスピンドルを備えるローラねじ駆動装置ならびに請求項13および請求項14の上位概念部に記載の特徴を有する電気機械式ブレーキブースタおよび電気機械式サーボステアリングにおけるローラねじ駆動装置の使用法に関する。
スピンドル駆動装置は既知である。スピンドル駆動装置はウォームギアに属し、回転駆動運動を並進被駆動運動に変換し、場合によってはその逆に変換し、後者の場合、スピンドル駆動装置はセルフロック式に構成されている必要はない。スピンドルナットを回転駆動し、スピンドルを軸線方向に変位させることができるか、またはその逆である。この場合、スピンドルナットはその機能に基づき、スピンドルと共に回転運動を並進運動に変換するか、またはその逆に変換するかを規定することができる。スピンドルナットの外見は、必ずしもナットを想起させるものでなくてもよい。滑りねじ駆動装置とローラねじ駆動装置とは区別されるが、後者には、とりわけ、スピンドルナット内でボールを多様に循環させる、すなわち、ボールを戻すボールねじ駆動装置が挙げられる。本発明により作製されたスピンドルは、特にローラねじ駆動装置のために設けられているが、これは強制的ではなく、滑りねじ駆動装置で使用することもできる。
スピンドルの作製は、通常は旋回、ねじ切りまたは研磨による切削加工または圧延による成形によって行われる。耐摩耗性を高めるために、続いてねじ山を硬化し、かつ/または精度を高めるために研磨することができる。
請求項1に記載の特徴を有する本発明による方法では、管および1つ以上の螺旋からスピンドル駆動装置のためのスピンドルを作製する。螺旋は、後にスピンドルのねじピッチを形成し、ねじピッチ横断面を有する。螺旋は管に取り付けられるか、もしくは管が螺旋に挿入され、管は内部から加圧され、これにより、管は塑性変形され、螺旋の脚部に当て付けられるか、もしくは圧着成形される。加圧は、特に油圧式に行われ、この方法は「内部高圧成形(英語:ハイドロフォーミング)」と呼ぶことができる。螺旋の脚部、すなわち、螺旋から管への移行部で、管は螺旋の巻線の両面で、幾分外方に巻線に圧着成形されるか、または螺旋は幾分管に入り込むように成形することができ、これにより、螺旋と管との間に、螺旋を軸線方向に管に保持する形状接続が生じる。螺旋は、形状接続および/または摩擦接続によって管に保持されている。冷間溶接による材料接続を行ってもよい。
本発明による方法によって肉薄の中空スピンドルを作製することができ、本発明による方法は、少ない材料を使用した軽量のスピンドルを可能にする。本発明の別の利点は、螺旋が長方形横断面を有している場合には、スピンドル駆動装置においてスピンドルのねじピッチを形成する螺旋が直行方向に負荷されることである。さらに一定の傾斜の他に、本発明はスピンドルの長さにわたって変化する傾斜も可能とする。
従属請求項は、請求項1に記載した本発明の有利な構成および改良形態を対象としている。
請求項2によれば、管および螺旋は工具に挿入され、工具は閉じられ、次いで管が内部から加圧され、これにより内側から螺旋の脚部に圧着成形される。管が螺旋内に到達し、螺旋が工具に到達し、管が工具に到達する順序には重要ではない。管がねじピッチのように管を取り囲む螺旋と共に工具内に位置することが重要である。工具は、射出成形工具または押出成形工具を想起させる。工具のキャビティは、作製したいスピンドルのネガティブ形状を有し、工具は螺旋を管に位置決めするか、または螺旋を管に位置決めされた状態で保持し、内側からの管の加圧に対して、螺旋および/または管を外側から支持する。工具の閉鎖後、管は内側から加圧され、これにより、塑性変形し、螺旋の脚部に当て付けられるか、もしくは圧着成形される。螺旋の脚部、すなわち、螺旋から管への移行部に、キャビティは管を入りこませ変形する面取り部または丸みを備え、これにより、螺旋を軸線方向に管で保持する、螺旋のように環状の隆起部が螺旋の脚部で管に形成される。螺旋は、形状接続および/または摩擦接続によって管に保持される。冷間溶接による材料接続が生じる場合もある。
請求項3では、複数の螺旋が管に配置される。本発明のこの構成により、螺旋を取り付けられた管が、工具から取り出された後に複数のスピンドルに分離されることにより複数のスピンドルを作製することが可能となる。軸線方向に相互に係合して管に取り付けられた複数の螺旋により、複数のピッチを有するねじを備えるスピンドルを作製することが可能となる。
耐摩耗性を高めるために、請求項5では硬化された鋼からなる螺旋を設けている。形状精度を高めるために、スピンドルの作製後に螺旋を研磨することができ、ねじ側面を形成する螺旋表面の研磨を行えば十分である。
請求項7に記載の本発明による方法の変化態様によって、雌ねじ山を有するスピンドルを作製することが可能である。このために、螺旋が高圧成形時に内側から支持されるコアに配置され、管が螺旋の外側に配置されるが、この順序は逆であってもよい。これにより、管は外側から加圧され、上述のように外側から螺旋に圧着成形され、螺旋は回動不能および軸線方向に不動に管内に保持される。
請求項9は、上記方法にしたがって作製されたスピンドルを有するローラねじ駆動装置を対象としている。螺旋が長方形横断面を有し、その結果、スピンドルが長方形のねじ山横断面を有する場合、駆動ローラは特に円筒状であり、スピンドルに対して半径方向の軸を有している。螺旋横断面が錐台状であり、その結果、ねじピッチが錐台状である場合、円錐ローラの形の駆動ローラおよび/またはその軸は、スピンドルに対する半径方向に対して角度をなして配置されていてもよい。スピンドルのねじピッチを形成する螺旋で転動する駆動ローラは、いわばスピンドルナットを形成しているか、またはスピンドルナットの一部である。スピンドルの旋回により、駆動ローラはスピンドルに対して軸平行な方向に変位させられる。有利には、2つ、3つ、またはそれよりも多い駆動ローラがスピンドルの周囲に分配して配置されており、駆動ローラは、同時にスピンドルのねじ山の傾斜でもある螺旋の傾斜に対応して相互にずらして配置されているか、または螺旋は複数のピッチを有している。駆動ローラは、スピンドルを包囲するリングまたはスリーブ内で回動可能に支承されていてもよい。2つ以上の駆動ローラは支承能力を高め、相互に向かい合って配置された2つの駆動ローラまたは3つ以上の駆動ローラは、傾動トルクを防止し、3つの駆動ローラは静的に特定の支持を可能にする。駆動ローラは、周囲にわたって均等または不均等に分配して配置してもよい。
請求項11では、並進駆動のために働く上記駆動ローラに加えて、少なくとも3つのセンタリングローラを設け、これらのセンタリングローラは、周囲にわたって均等または不均等に分配して配置されており、管または螺旋の外周で転動する。センタリングローラは、スピンドルナットをスピンドルで同軸的にガイドするか、もしくはスピンドルをスピンドルナット内で同軸的にガイドする。
本発明の一構成では、ローラねじ駆動装置の軸線方向ばねおよび回転防止装置としての役割を果たす金属ベローズを設けている。軸線方向の弾性により、金属ベローズは軸線方向ばね、特に引っ張りばねおよび/または圧縮ばねとして適している。さらに金属ベローズは、回転防止装置としての役割を果たすために十分にねじれ剛性を有する。金属ベローズの一端は定置および回動不動に保持され、金属ベローズの他端は軸線方向に不動および回動不能にスピンドル駆動装置の異なる部分、すなわち、スピンドルまたはスピンドルナットに取り付けられている。
請求項13の対象は、上述の形式のローラねじ駆動装置を有する電気機械式ブレーキブースタであり、請求項14の対象は、上述の形式のスピンドル駆動装置を有する電気機械式パワーステアリングのためのステアリングギアである。ステアリングギアでは、例えばラック伝動装置を介した回転防止装置が設けられており、軸線方向ばねは邪魔にならないにしても、不可欠ではないので、本発明のこの用途では、金属ベローズは、基本的には除外されていないにしても、設けられていない。電気機械式ブレーキブースタは、ローラねじ駆動装置を駆動するための電動モータを備えている。ここでは、回転防止装置が必要であり、したがって、金属ベローズは軸線方向ばねおよび回転防止装置として有利である。金属ベローズは、付加的に、車両ブレーキ装置の解除時にエネルギーを吸収し(金属ベローズは締め付けられる)、このエネルギーをブレーキ操作時に放出するエネルギー蓄積器として機能する。
本発明により作製されたスピンドルの半製品を示す軸線方向断面図である。 本発明によりスピンドルを作製するための2部分からなる工具の半部を示す図である。 本発明によりスピンドルを作製するための図2Aに対して変更した2部分からなる工具の半部を示す図である。 本発明により作製したスピンドルを示す図である。 本発明による電気機械式ブレーキブースタのギアにおける図3に示したスピンドルの使用法を示す図である。 本発明による電気機械式パワーステアリングのステアリングギアにおける図3に示したスピンドルの使用法を示す図である。
次に、図面に示した実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
図面は、本発明を理解し、説明するための簡略化した概略図である。本発明の他の特徴は、請求項、上記説明および図面に関連した以下の本発明の実施形態の説明から明らかである。個々の特徴は、それ自体または複数の特徴を任意に組み合わせて本発明の実施形態で実施してもよい。
本発明によりスピンドル1を作製するためには、丸いワイヤ横断面を有するばねワイヤが長方形のワイヤ横断面を有する平角ワイヤに圧延され、ワイヤ横断面の長い方の側面が半径方向に延在するように螺旋2の形に湾曲される。ばねワイヤは圧延により補強されており、硬化することができる。図2Aに示すように、複数のこのような螺旋が工具4の半部3の内部に同軸的に連続して挿入される。工具4は、射出成形または押出成形工具を想起させる。工具4は、螺旋2を収容するための螺旋状の溝6を有する円筒状のキャビティ5を備える。キャビティ5の円筒部分の直径は螺旋2の内径に相当する。工具4は、軸線方向平面で分割されている。工具4は図示のように2部分または(3部分よりも多い)複数部分からなっていてもよい。キャビティ5は両端が開いている。
外径が螺旋2の内径に相当し、ひいてはキャビティ5の円筒部分の直径に相当する管8は、軸線方向にキャビティ5、および工具4に挿入された螺旋2に押し込まれる。工具4は、工具4の図示されている半部3の溝に接続する、図示されていない第2の工具半部によって閉じられる。工具4から突出していない管8は、両端で閉鎖部材7によって耐圧性に、気密に閉じられ、内側から加圧油により負荷される。加圧は、油圧ポンプ9および圧力計10によって記号で示されている。管8は、内側から加圧可能となるように耐圧性に閉じておく必要がある。管8を外側から加圧し、管8の変形を防止するか、または少なくとも抑制する工具4の内部に圧力が形成されてはならない。内側からの加圧により、管8は塑性変形され、内側から螺旋2に当て付けられ、螺旋2は外側から工具4によって支持される。キャビティ5の円筒部分に設けられた溝6の移行部の面取り部に工具4は丸みを付けられた横断面を有する凹部11を備え、凹部11は溝6に対してもキャビティ5の円筒部分に対しても開かれている。管8は内側からの加圧により工具4の凹部11の内部に向けて変形され、螺旋2の両側の脚部に、すなわち、図3に示すように螺旋2から管8への移行部に隆起部12が形成される。螺旋2は管8に固定され、隆起部12による軸線方向の形状接続に加えて、摩擦接続のために螺旋2と管8とを加圧により冷間溶接してもよい。管8は螺旋2とともにスピンドル1を形成し、スピンドル1のねじピッチ13は螺旋2を形成する。管8の変形および内側からの螺旋2への圧着成形は、内部高圧成形またはハイドロフォーミングと呼ぶこともできる。圧力の高さは、とりわけ管8の材料および肉厚ならびに成形度合に関係している。管8は螺旋2の間で分離され、多数のスピンドル1が生じる。管8は肉薄であり、同様に(中空)スピンドル1も肉薄である。
図2Bは変更を加えた工具4を示す。この工具4は、溝6からキャビティ5の円筒部分への移行部に凹部11を有しておらず、溝6は螺旋2の螺旋横断面の半径方向の幅よりも低い。すなわち、工具4の溝6に挿入された螺旋2の巻線はキャビティ5の円筒部分内に突出している。螺旋2の巻線がキャビティ5の円筒部分内に突出していることを示すために、図2Bの右側に螺旋2が工具4の溝6に挿入された状態が示されている。螺旋2は軸線方向に断面して示されており、螺旋2の巻線における内方に突出した横断面が斜線を施した横断面として見ることができる。工具4の内部で螺旋2の巻線が内方に突出していることにより、内部からの加圧によって管8を変形した場合に、管8は内側から螺旋2に圧着成形されるだけでなく、螺旋2を側方でわずかに環状係合する。これにより、図2Aの工具4による場合のように、軸線方向に管8における螺旋2の形状接続が得られる。
精度および/または表面品質を高めるために、ねじピッチ13を形成する螺旋2の平坦面は、例えば研磨によって加工してもよい。ねじピッチ13の1つの平坦面のみが加圧される場合、この1つの平坦面を加工するだけで十分である。
図示の実施形態とは異なり、螺旋2は長さにわたって変化する傾斜を備えていてもよい。これにより、変化するねじ山傾斜を有するスピンドル1が作製可能である。2つのピッチを有するねじ山付スピンドルを作製するためには、それぞれ2つの螺旋2が軸線方向に、有利には半分の傾斜だけ相互にずらして配置される。対応して、スピンドル1に3つ以上のねじピッチを形成してもよい。螺旋2に凹部、すなわち、波を形成することも可能であり、これにより、さらに説明するスピンドルナットの安定した位置が得られる。
図4は、図1〜図3に基づき上述した方法にしたがって作製したスピンドル1を、その他の点では図示しない電気機械式ブレーキブースタのローラねじ駆動装置14で使用する使用法を示している。短縮したスピンドル1の管8は一端が半径方向内方に突出するように変形されており、ペダルロッド15を貫通させるための中央孔が残されている。内方に変形された管8の端部は、ペダルロッド15の円筒状の加圧ディスク16に接触している。ペダルロッド15は、図示しないフットブレーキペダルを、油圧式車両ブレーキ装置の同様に図示しないマスタブレーキシリンダのプライマリピストンに枢着的に結合する。スピンドルナット17はスピンドル1に同軸的に環状係合する。スピンドルナット17は円筒状であり、スピンドル1よりも短い。スピンドルナット17は内方に突出した螺旋状に周回するウェブ18を備え、ウェブ18は、スピンドル1のねじピッチ13を形成する螺旋2と同じ傾斜を有する。ウェブ18は約360°にわたって延在し、ねじピッチ13の巻線の間に係合する。
ウェブ18は、駆動ローラ19およびセンタリングローラ20の軸21,22を形成しているシリンダピンに回動可能に支承された駆動ローラ19およびセンタリングローラ20のための切欠きを有している。3つの駆動ローラ19は周囲にわたって等間隔で分配して配置されており、駆動ローラ19は半径方向軸21を備え、ねじピッチ13を形成する螺旋2の平坦面で転動する。周囲にわたって分配して配置された3つの駆動ローラ19によってスピンドル1におけるスピンドルナット17の、および反対にスピンドルナット17におけるスピンドル1の静的な所定の支持が得られる。
他の3つのセンタリングローラ20が上述の駆動ローラ19の間に配置されており、螺旋1に対して直行する軸22を備える。センタリングローラ20は、スピンドル1の管8で、ねじピッチ13の間に設けられた中間スペースにおいて転動する。これら3つのセンタリングローラ20はスピンドル1でスピンドルナット17をセンタリングし、反対にスピンドルナット17でスピンドル1をセンタリグする。
回転駆動のために、歯付きベルトディスク23がスピンドルナット17に押し嵌められている。スピンドルナット17は、ラジアル軸受24およびアキシャル軸受25によって回動可能に支承されている。2つの軸受24,25は、この実施例では玉軸受である。アキシャル軸受25はスピンドルナット17を軸線方向に支持する。歯付ベルトディスク23の図示しない歯付きベルトによってスピンドルナット17を回転駆動した場合、駆動ローラ19は、スピンドル1のねじピッチ13を形成する螺旋2で転動する。スピンドル1は軸線方向に変位され、加圧ディスク16を介してペダルロッド15に軸線方向力を加える。このようにして、図示しないフットブレーキペダルによって図示しないマスタブレーキシリンダを操作するためにペダルロッド15に加えられる人力を増幅することができる。
ペダルロッド15を包囲する金属ベローズ26がスピンドル1の管8の内部に同軸的に配置されている。金属ベローズ26は一端で、ハウジング27の内部に回動不能かつ軸線方向に不動に支持されており、他端は内方に変形された管8の端部に回動不能かつ軸線方向に不動に結合されている。金属ベローズ26は回動防止装置を形成しており、スピンドル1を回動不能に保持する。さらに金属ベローズ26は、スピンドル8が変位された場合に締め付けられ、エネルギーを蓄積するか、または弛緩され、エネルギーを放出する軸線方向ばねを形成している。金属ベローズ26は、ローラねじ駆動装置14によってスピンドル1の変位に変換されるスピンドルナット17の回転駆動によって図示しないマスタブレーキシリンダが解除された場合に弛緩させることができ、この場合に、蓄積されたエネルギーをブレーキ操作時に再び放出することができる。この場合、両方の軸線方向にスピンドルナット17を支持することが不可欠である。電気機械式ブレーキブースタの図示しない電動モータの最大回転トルクおよび最大出力はこれにより低減される。
ハウジング27は、例えば薄板からの深絞りによって作製され、直径段部を有する円筒管状に形成されている。スピンドルナット17の軸受24,25はハウジング27の直径段部に収容されている。
図5は、図4に基づき既に説明した本発明によるローラねじ駆動装置14を電気機械式パワーステアリングのステアリングギアで使用する使用法を示す。図5のローラねじ駆動装置14は、実質的に図4のローラねじ駆動装置14と等しく構成されており、スピンドル1は図1〜図3について説明したようにして作製されるので、上述の対応した実施形態を参照されたい。スピンドル1の管8の端部にはラック28が挿入されており、溶接されており、このラック28には、図示しないステアリングホイールによって回転駆動可能な歯車29が噛み合う。歯車29の向かい側には、ラック28を支持し、歯車29と係合した状態に保持する押圧部材30が配置されている。ラック28は長手方向に中空円形押圧部材によって変位可能に案内されており、歯車29がラック28に係合し、ラック28を回動不能に保持する。ラック28はスピンドル1の管8への圧入によりスピンドル1と堅固に結合されているので、スピンドル1は固有の回動防止装置を必要とせず、したがって、図5では金属ベローズは不要である。スピンドル1に向いていない方のラック28の端部には、ラック28およびスピンドル1をステアリングのタイロッドに結合するボールジョイントが取り付けられている(図示しない)。図5では、図4と同様に形成され、同様に機能するスピンドルナット17は、2つのアキシャル軸受25によって回動可能に支承されており、両方の軸線方向に支持されている。すなわち、スピンドルナット17は、これにより、双方向に力を伝達することができる。半径方向の軸21を有する駆動ローラ19は、スピンドルナット17の回転方向およびスピンドル1の変位方向に依存して、スピンドル1のねじピッチ13を形成する螺旋2の両方の平坦面で転動する。螺旋2の巻線の間にはいずれにせよ極めてわずかな遊びしかなく、したがって、いずれにせよスピンドルナット18に対して極めてわずかなスピンドル1の軸線方向遊びしか設けられていない。ローラねじ駆動装置14は、歯車29からラック28に加えられる操舵力を増幅する。
本発明による方法の変化態様により、雌ねじ山を有するスピンドルの作製も可能である。このために、高圧成形時に螺旋を支持するコアに螺旋が配置され、管が螺旋の外側に配置されるが、この順序は逆であってもよい。次いで、管は外側から加圧され、上述のように外側から螺旋に圧着成形され、螺旋は回動不能および軸線方向に不動に管内に保持される(図示しない)。

Claims (14)

  1. 少なくとも1つの螺旋(2)が配置された管(8)を内側から加圧し、これにより、前記管(8)を塑性変形させ、前記少なくとも1つの螺旋(2)の脚部に当て付けることを特徴とする、スピンドル駆動装置(14)のためのスピンドル(1)を作製するための方法。
  2. 前記管(8)および前記少なくとも1つの螺旋(2)を工具(4)に挿入し、該工具(4)を閉鎖し、前記管(8)を内側から加圧し、これにより、該管(8)を塑性変形させ、少なくとも1つの前記螺旋(2)の脚部に当て付ける、請求項1に記載の方法。
  3. 複数の前記螺旋(2)を管(8)に配置する、請求項1に記載の方法。
  4. 前記螺旋(2)に、該螺旋の長さにわたって変化する傾斜を設ける、請求項1に記載の方法。
  5. 硬化された鋼から前記螺旋(2)を形成する、請求項1に記載の方法。
  6. 前記螺旋(2)に凹部を設ける、請求項1に記載の方法。
  7. 螺旋(2)を管(8)の内部に配置し、該管(8)を外側から加圧し、これにより、前記管(8)を塑性変形させ、外側から前記螺旋(2)に当て付けることを特徴とする、スピンドル(1)の作製方法。
  8. 前記管(8)を外側から加圧する場合に、前記螺旋(2)をコアで支持する、請求項7に記載の方法。
  9. スピンドルを備えるローラねじ駆動装置において、
    スピンドル(1)が少なくとも1つの螺旋(2)および管(8)を備え、該管(8)が、内部高圧成形によって内側から少なくとも1つの螺旋(2)の脚部に圧着成形されており、ローラねじ駆動装置(14)が、前記螺旋(2)で転動する少なくとも1つの駆動ローラ(19)を備えることを特徴とする、スピンドルを備えるローラねじ駆動装置。
  10. 前記ローラねじ駆動装置(14)が、3つの前記駆動ローラ(19)を備える、請求項9に記載のローラねじ駆動装置。
  11. 少なくとも1つの前記駆動ローラ(19)が、前記スピンドル(1)を同軸的に包囲するリング(17)に回動可能に支承されており、該リング(17)が少なくとも3つのセンタリングローラ(20)を備え、該センタリングローラ(20)が、周囲にわたって分配して配置されており、前記スピンドル(1)の周囲で転動する、請求項9に記載のローラねじ駆動装置。
  12. 前記ローラねじ駆動装置(14)が、軸線方向ばねおよび回転防止装置として金属ベローズ(26)を備える、請求項9に記載のローラねじ駆動装置。
  13. 電動モータと、該電動モータによって駆動可能であり、スピンドル(1)を備えるローラねじ駆動装置(14)とを有する電気機械式ブレーキブースタにおいて、
    前記スピンドル(1)が、少なくとも1つの螺旋(2)および管(8)を備え、該管(8)が、内部高圧成形によって内側から前記少なくとも1つの螺旋(2)の脚部に圧着成形されており、前記ローラねじ駆動装置(14)が、前記少なくとも1つの螺旋(2)で転動する少なくとも1つの駆動ローラ(19)を備えることを特徴とする、電気機械式ブレーキブースタ。
  14. 電気機械式パワーステアリングのためのステアリングギアであって、前記電気機械式パワーステアリングが、前記ステアリングギアを駆動するための電動モータを備え、前記ステアリングギアが、電動モータによって駆動可能な、スピンドル(1)を有するローラねじ駆動装置(14)を備えるステアリングギアにおいて、
    前記スピンドル(1)が、少なくとも1つの螺旋(2)および管(8)を備え、該管(8)が、内部高圧成形によって内側から前記少なくとも1つの螺旋(2)の脚部に圧着成形されており、前記ローラねじ駆動装置(14)が、前記少なくとも1つの螺旋(2)で転動する少なくとも1つの駆動ローラ(19)を備えることを特徴とする、電気機械式パワーステアリングのためのステアリングギア。
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