JP2014177781A - 建設機械の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過大なトルクに対して動力伝達を遮断するトルクリミッタ機能を確保しながら、装置全体をコンパクトに構成する。
【解決手段】ブレーキ機構１９付きの減速機を備えたショベルの旋回駆動装置において、第１段減速部９のリングギヤＲ１にスリップ板２５をリングギヤＲ１と一体回転する状態で設けるとともに、このスリップ板２５の下方にブレーキピストン２１を配置し、スリップ板２５とブレーキピストン２１の間にブレーキバネ２０を設けることにより、バネ力をスリップ板２５に対して上向きの押し付け力として作用させてトルクリミッタを構成した。
【選択図】図１

Description

本発明はショベル等の建設機械において、駆動源としての油圧または電動のモータの回転力を遊星歯車式の減速機で減速して上部旋回体等の被駆動部に伝達する駆動装置に関するものである。

ショベルの旋回駆動装置を例にとって背景技術を説明する。

ショベルは、クローラ式の下部走行体上に上部旋回体が地面に対して鉛直となる軸のまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体に掘削等の作業を行うためのフロントアタッチメントが取付けられて構成される。

このショベルにおいて、上部旋回体を旋回させる旋回駆動装置は、図４に示すように、駆動源としての油圧または電動のモータ１と、このモータ１の回転力を歯車減速機構により減速して被駆動部である上部旋回体に伝達する減速機２とによって構成される。

モータ１及び減速機２はそれぞれモータケーシング３、減速機ケーシング４をそれぞれ備え、モータ１を上にして、互いの回転軸中心が一致する縦置き状態で、互いのケーシング３，４同士がボルト結合される。

減速機２の下端には、減速機２の出力軸である減速出力軸５を回転自在に支持する軸受を内部に備えたシャフト支持部６が設けられ、このシャフト支持部６が上部旋回体のアッパーフレーム７に複数の取付ボルト８…によって取付けられる。

減速機２は、減速機ケーシング４内で一乃至複数段の遊星歯車式の減速部(図例では三段、以下、この場合で説明する)９，１０，１１が同軸上に並設されて構成される。

第１〜第３段各減速部９〜１１は、それぞれサンギヤＳ１，Ｓ２，Ｓ３と、スパイダ１２，１３，１４を介してこのサンギヤＳ１，Ｓ２，Ｓ３の周りに設けられた複数(図では１つのみを示す)のプラネタリギヤＰ１，Ｐ２，Ｐ３と、リングギヤＲ１，Ｒ２，Ｒ３から成り、周知のようにプラネタリギヤＰ１，Ｐ２，Ｐ３が自転しながら公転運動を行うことによってモータ回転を減速し、その出力が、減速出力軸５の下端に設けられたピニオン１５及びこれと噛み合う旋回歯車(リングギヤ。図示省略)を介して被駆動部であるアッパーフレーム７(上部旋回体)に伝達される。

減速機ケーシング４は、第１〜第３の分割ケーシング４ａ，４ｂ，４ｃが減速機軸方向に順次ボルト結合されて構成され、第１分割ケーシング４ａの内周に第１段減速部９のリングギヤＲ１、第３分割ケーシング４ｃの内周に第２、第３両段減速部１０，１１のリングギヤＲ２，Ｒ３がそれぞれケーシング４ａ，４ｃと一体、すなわち、回転及び軸方向移動不能に設けられている。

なお、第１段減速部９のサンギヤＳ１はモータ１の回転軸(モータ軸)１６に、第２段減速部１０のサンギヤＳ２は減速機２を構成する第１回転軸１７に、第３段減速部１１のサンギヤＳ３は同、第２回転軸１８にそれぞれ取付けられている。

また、減速機ケーシング４内に、ディスク式でかつネガティブ方式のブレーキ機構１９が設けられている。

ブレーキ機構１９は、図５にも示すように、円周方向に間隔を置いて配置された複数のブレーキバネ２０と、このブレーキバネ２０によって下向きに押圧されるリング状のブレーキピストン２１と、モータ回転時に油圧が導入される圧力室２２と、ブレーキピストン２１の下方において上下に重なり合って配置されたリング状の回転側及び固定側両ブレーキ板２３，２４とによって構成される。

回転側ブレーキ板２３はリング状に形成され、ブレーキピストン２１の下方において第１段減速部９のスパイダ１２の外周にスプライン結合され、スパイダ１２と一体回転可能でかつ上下移動可能となっている。

このスパイダ１２は、第１回転軸１７の外周にスプライン結合されることにより、第１回転軸１７と一体回転する状態で取付けられている。

一方、固定側ブレーキ板２４は、第２分割ケーシング４ｂの内周面にスプライン結合によって回転不能でかつ上下移動可能に取付けられている。

このブレーキ機構１９においては、運転時に、圧力室２２に油圧が導入されることによりブレーキピストン２１が上昇してブレーキ解除される。

一方、運転停止時に、上記油圧が解放されることによりブレーキピストン２１がバネ力で両側ブレーキ板２３，２４に押し付けられ、この押圧力により両側ブレーキ板２３，２４同士が圧接してブレーキ力を発揮し、このブレーキ力により第１回転軸１７、ひいては第２回転軸１８、減速出力軸５が回転不能に制動される。

ブレーキピストン２１は、下端面が固定側ブレーキ板２４に接触または近接する状態で上下方向にストローク作動可能に設けられている。

このような旋回駆動装置において、過大トルクが作用した場合に減速機を保護する構造として、特許文献１に記載されているようにモータ軸の一部に凹部(脆弱部)を設け、過大トルク作用時にこの凹部でモータ軸を破損させて他の部分を保護する構造が公知である。

特許第４６０８３８４号

上記公知技術によると、過大トルクにモータ軸の破損で対処する構成であるため、あくまでも破損は免れず、修理が必要となる。

この場合、破損による破片が各部にダメージを与えるため、多くの場合、狙いと違って全損となり、減速機全体の交換が必要となる可能性が高い。

しかも、ハイブリッドショベルや電動ショベル、すなわち電動機を旋回モータとして用いるショベルの場合、作業時の負荷変動が激しく、急負荷がかかり易くて過大トルクが作用する機会が多いため、上記公知技術では実用に適さない。

一方、各種機械の動力伝達装置において、過負荷時に動力伝達を遮断して機器のダメージを防止する安全クラッチとして使用されているトルクリミッタを旋回駆動装置の減速機内に組み込むことが考えられる。

しかし、ショベルの旋回駆動装置は下部走行体と上部旋回体に跨って設置され、高さ方向及び直径方向ともにスペースの厳しい制限を受けるため、トルクリミッタ一式を新たに追加することは困難となる。

そこで本発明は、過大なトルクに対して動力伝達を遮断するトルクリミッタ機能を確保しながら、装置全体をコンパクトに構成することができる建設機械の駆動装置を提供するものである。

上記課題を解決する手段として、本発明においては、駆動源としての油圧または電動のモータと、このモータの回転力を上部旋回体に減速して伝達する減速機と、上記減速機の回転軸に制動力を付与するブレーキ機構とを備え、上記減速機は、上記回転軸と一体に回転するサンギヤと、遊星軸まわりに自転しながら上記回転軸まわりに公転する複数のプラネタリギヤと、このプラネタリギヤと噛み合うリングギヤとから成る一乃至複数段の遊星歯車式の減速部によって構成し、上記ブレーキ機構は、回転側ブレーキ板と、上記減速機ケーシングに設けた固定側ブレーキ板と、ブレーキピストンと、このブレーキピストンに押し付け力を付与するブレーキバネとを備え、旋回停止時に、上記ブレーキバネによる上記ブレーキピストンの押し付け力により上記両ブレーキ板同士を圧接させてブレーキ作動状態とし、旋回作動時に上記両ブレーキ板同士を離間させてブレーキ解除状態とするように構成した建設機械の駆動装置において、上記減速部を構成するリングギヤを上記回転軸まわりに回転自在に設けるとともに、このリングギヤの外周に、リングギヤと一体回転するスリップ板を、上記ブレーキピストンと軸方向に並んで設け、このスリップ板を、上記ブレーキバネのバネ力により上記減速機または上記モータのケーシングに押し付けることにより、摩擦式のトルクリミッタを構成し、このトルクリミッタは、上記ブレーキ解除状態での摩擦力をＴｒ´、減速機部品の破損を防止するためのトルク限界値として予め設定された遮断トルクをＴｓ、ブレーキ解除状態での通常運転時に上記電動機からリングギヤに入力されるトルクをＴｅとして、
Ｔｅ＜Ｔｒ´＜Ｔｓ
に設定したものである。

この構成によれば、モータから減速機(リングギヤ)に遮断トルクＴｓ以上の過大トルクが作用した場合、Ｔｒ´＜Ｔｓの設定により、リングギヤと一体回転するスリップ板が滑って動力伝達を遮断するトルクリミッタ機能を発揮するため、減速機部品の破損を確実に防止することができる。従って、修理の必要がない。

また、入力トルクが遮断トルク以下に下がると自動的に動力伝達状態に復帰するため、余分な復旧作業も不要となる。

さらに、スリップ板の摩擦トルクＴｒ´が通常運転時の入力トルクＴｅを上回るように設定(Ｔｅ＜Ｔｒ´)しているため、通常運転時にはリングギヤが確実に固定されて本来の動力伝達作用を行う。すなわち、動力伝達機能が損なわれるおそれがない。

しかも、独立したトルクリミッタ一式を追加するのではなく、減速機のリングギヤにスリップ板を設けるとともに、ブレーキ機構のブレーキバネを摩擦式トルクリミッタのバネとして兼用する構成であるため、トルクリミッタ付き減速機をコンパクトに構成することができる。

このため、高さ方向及び直径方向のスペース制限が厳しいショベルの旋回駆動装置にあっても、大型化を抑えてスペース制限を容易にクリアすることができる。

本発明において、上記ブレーキ作動状態での上記トルクリミッタの摩擦トルクをＴｒ、ブレーキ機構のブレーキトルクをＴｂとして、
Ｔｒ＜Ｔｓ＋Ｔｂ
に設定するのが望ましい(請求項２)。

この構成によれば、出力軸からの過大なバックトルクに対してリングギヤがスリップし、減速機部品の破損を防止することができる。

また本発明において、上記スリップ板を上記ブレーキピストンに対し間隔を置いて対向配置し、このスリップ板とブレーキピストンの間に上記ブレーキバネを設けてもよいし(請求項３)、上記スリップ板を上記ブレーキピストンと軸方向に重ねてかつ軸方向に移動可能に配置するとともに、上記スリップ板と対向して上記減速機ケーシングにバネ受けを設け、上記スリップ板と上記バネ受けの間に上記ブレーキバネを設けてもよい(請求項４)。

こうすれば、ブレーキバネをスリップ板とブレーキピストンの間、またはスリップ板とケーシングの間に入れるだけでよいため、トルクリミッタの組み込みを含めた減速機の組立が簡単となる。

また、請求項３の構成によると、リングギヤが軸方向に移動する必要がないため、この移動代が不要となることにより歯車の加工が簡単となる。

一方、請求項４の構成によると、ブレーキバネをスリップ板とブレーキピストンの間に介装する場合と比較してブレーキバネが組み込み易くなり、組立性がさらに良くなる。

本発明によると、過大なトルクに対して動力伝達を遮断するトルクリミッタ機能を確保しながら、装置全体をコンパクトに構成することができる。

本発明の第１実施形態にかかるショベルの旋回駆動装置の部分断面図である。 同実施形態におけるブレーキピストンの動きと各トルクの関係を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかるショベルの旋回駆動装置の部分断面図である。 従来の旋回駆動装置の全体断面図である。 図４の一部拡大図である。

実施形態はショベルの旋回駆動装置を適用対象としている。

この旋回駆動装置の基本的な構成と作用は図４，５に示す従来装置と同じてあるため、第１及び第２両実施形態においては従来装置との相違点のみについて説明し、同一部分については従来装置についての図４，５及び説明を引用するものとする。

第１実施形態(図１，２参照)
図１は第１段減速部９及びブレーキ機構１９とその周辺部分の構成を示す、図５相当図である。

第１実施形態において、第１段減速部９を構成する円筒状のリングギヤＲ１は、プラネタリギヤＰ１と噛み合う状態でモータ軸１６を中心として回転自在に設けられている。

このリングギヤＲ１の上端部外周側に、リング状のスリップ板２５が、たとえばスプライン結合によりリングギヤＲ１と一体回転する状態で設けられている。

また、第１分割ケーシング４ａの内周に、スリップ板２５の上方まで水平に延びるスリップ板受け部２６が一体に延設されるとともに、スリップ板２５の上下両側にリング状の摩擦板２７，２８が設けられている。

この両側摩擦板２７，２８は第１分割ケーシング４ａの内周にたとえばスプライン結合によって回転不能に取付けられている。

一方、ブレーキ機構１９のブレーキピストン２１は、第２分割ケーシング４ｂ内でスリップ板２５の下方に間隔を置いて対向配置され、このブレーキピストン２１とスリップ板２５の間に周方向複数のブレーキバネ２０が設けられている。２９はバネ受けである。

また、ブレーキピストン２１の下方において、第２段減速部１０のサンギヤＳ２にブレーキハブ３０がスプライン結合によってサンギヤＳ２と一体回転する状態で取付けられ、このブレーキハブ３０に回転側ブレーキ板２３、第２分割ケーシング４ｂの内周に固定側ブレーキ板２４がそれぞれ設けられている。

こうして、ブレーキバネ２０のバネ力がブレーキピストン２１に対しては下向きの押圧力(回転側ブレーキ板２３を固定するブレーキ力)として、スリップ板２５に対しては上向きの押圧力(スリップ板２５を上側摩擦板２７を介してスリップ板受け部２６に押し付ける力)としてそれぞれ作用し、前者によってブレーキトルク、後者によってスリップ板摩擦トルクがそれぞれ発生する。

図２はブレーキピストン２１の動きと各トルクの関係を示す。

すなわち、ブレーキピストン２１の下降状態(ブレーキ作動状態)でスリップ板摩擦トルクＴｒとブレーキトルクＴｂが同時に発生し、同ピストン上昇状態(ブレーキ解除状態)でスリップ板摩擦トルクＴｒ´のみが発生する。

また、ブレーキ解除状態で行われる通常運転時に、リングギヤＲ１に入力トルクＴｅが作用する。

ここで、減速機部品の破損を防止するためのトルク限界値として予め遮断トルクＴｓが設定され、各トルクＴｅ、Ｔｒ´、Ｔｓの関係が、
Ｔｅ＜Ｔｒ´＜Ｔｓ
に設定されている。

また、ブレーキ作動状態でのスリップ板摩擦トルクをＴｒ、ブレーキ機構のブレーキトルクをＴｂとして、
Ｔｒ＜Ｔｓ＋Ｔｂ
に設定されている。

なお、ブレーキ解除状態(ブレーキピストン上昇状態)ではブレーキバネ２０が圧縮されるため、この状態でのスリップ板摩擦トルクＴｒ´は、ブレーキ解除状態(ブレーキピストン下降状態)での同トルクＴｒよりも大きくなる((Ｔｒ´＞Ｔｒ)。

このようなトルク設定は、ブレーキバネ２０のバネ定数、摩擦面の面積、摩擦係数、軸中心からの距離等の選定によって容易に可能である。

この構成により次の作用が得られる。

Ａ. 通常運転時
この場合、Ｔｅ＜Ｔｒ´となるため、スリップ板２５が固定され、リングギヤＲ１は従来同様、回転不能となってプラネタリギヤＰ１を自転＆公転させる。すなわち、スリップ板２５がスリップして動力伝達ロスが生じることなく通常の動力伝達作用が行われる。

Ｂ. 過大な入力トルクが作用したとき
入力トルクＴｅが遮断トルクＴｓ以上となると、上記Ｔｒ´＜Ｔｓの設定により、スリップ板２５がスリップ板受け部２６(第１分割ケーシング４ａ)に対してスリップしながらリングギヤＲ１と一体に回転する。

すなわち、第１段プラネタリギヤＰ１が自転回転のみを行う空回転状態となり、第２段減速部１０への動力伝達が遮断されるため、減速機部品の破損が防止される。

Ｃ. 過大なバックトルクが作用したとき
たとえばブレーキ作動状態でのショベル走行時に、路面の傾き等によってブレーキトルクＴｂ以上の過大な旋回トルクが発生し、これがバックトルクとして減速機に作用する場合がある。

この場合、スリップ板２５にＴｓ＋Ｔｂ以上のトルクが加わると、上記Ｔｒ＜Ｔｓ＋Ｔｂの設定により、スリップ板２５がスリップしてリングギヤＲ１と一体回転するため、トルク伝達作用が遮断され、減速機部品の破損が防止される。

このように、この旋回駆動装置によると、過大な入力トルクまたはバックトルクが作用した場合に、リングギヤＲ１と一体回転するスリップ板２５が滑って動力伝達を遮断するトルクリミッタ機能を発揮するため、減速機部品の破損を確実に防止することができる。従って、修理の必要がない。

また、加えられるトルクが遮断トルク以下に下がると自動的に動力伝達状態に復帰するため、余分な復旧作業も不要となる。

さらに、スリップ板の摩擦トルクＴｒ´が通常運転時の入力トルクＴｅを上回るように設定(Ｔｅ＜Ｔｒ´)しているため、通常運転時にはリングギヤＲ１が確実に固定されて本来の動力伝達作用を行う。すなわち、動力伝達機能が損なわれるおそれがない。

しかも、独立したトルクリミッタ一式を追加するのではなく、減速機の第１段減速部９を構成するリングギヤＲ１にスリップ板２５を設けるとともに、ブレーキ機構１９のブレーキバネ２０を摩擦式トルクリミッタのバネとして兼用する構成であるため、トルクリミッタ付き減速機をコンパクトに構成することができる。

このため、高さ方向及び直径方向のスペース制限が厳しいショベルの旋回駆動装置にあっても、大型化を抑えてスペース制限を容易にクリアすることができる。

また、スリップ板２５をブレーキピストン２１に対し間隔を置いて対向配置し、このスリップ板２５とブレーキピストン２１の間にブレーキバネ２０を設けた構成であって、ブレーキバネ２０をスリップ板２５とブレーキピストン２１の間入れるだけでよいため、トルクリミッタの組み込みを含めた減速機の組立が簡単となる。

加えて、第１実施形態によると、リングギヤＲ１が軸方向に移動する必要がないため、この移動代が不要となることにより歯車の加工が簡単となる。

第２実施形態(図３参照)
第１実施形態との相違点のみを説明する。

第２実施形態においては、スリップ板２５が、第１段リングギヤＲ１と一体物として同ギヤ外周側に鍔状に突出して設けられ、このスリップ板２５がブレーキピストン２１の上方に重なる状態で、かつ、リングギヤＲ１と一体に軸方向に移動可能な状態で配置されている。

一方、第１分割ケーシング４ａの内周であってリングギヤＲ１よりも上方の位置にバネ受け部３１が内向き水平に一体に延設され、スリップ板２５とこのバネ受け部３１の間にブレーキバネ２０が設けられている。

なお、スリップ板２５の上下両側に、第１実施形態と同様、リング状の摩擦板２７，２８が第１分割ケーシング４ａの内周にスプライン結合された状態で設けられている。

ブレーキピストン２１の下方にブレーキ機構１９の回転側及び固定側両ブレーキ板２３，２４が設けられる点、及びＴｅ＜Ｔｒ´＜Ｔｓで、かつ、Ｔｒ＜Ｔｓ＋Ｔｂ、さらに(Ｔｒ´＞Ｔｒに設定される点は第１実施形態と同じである。

この第２実施形態の構成によっても、第１実施形態と基本的に同じ作用、すなわち、過大な入力トルク及びバックトルクの作用時にスリップ板２５がスリップして動力伝達を遮断することにより、減速機部品の破損を防止し、しかも通常運転時はスリップ板２５を固定して通常の動力伝達作用を確保するという作用、及びトルクリミッタ付き減速機をコンパクトに構成することができるという効果を得ることができる。

加えて、ブレーキバネ２０を、リングギヤＲ１とバネ受け部３１の間という内周側が開かれて空間に挿入するため、第１実施形態のようにブレーキバネ２０を、第１分割ケーシング４ａとリングギヤＲ１で閉じられた空間に挿入する場合と比べてブレーキバネ２０が組み込み易くなり、組立性がさらに良くなる。

他の実施形態
(１) 上記両実施形態ではスリップ板２５を、最終的には減速機ケーシング４(第１実施形態ではスリップ板受け部２６を介して第１分割ケーシング４ａ、第２実施形態ではブレーキピストン２１を介して第２分割ケーシング４ｂ)に押し付けてスリップ板摩擦トルクを発生させる構成をとったが、スリップ板２５をモータケーシング３に押し付ける構成をとってもよい。

(２) 上記実施形態では、三段の減速部９〜１１を備えた減速機２において最もブレーキ効率の良い第１段減速部９にブレーキ機構１９を配置した場合を示したが、第２段減速部１０または第３段減速部にブレーキ機構１９を設けてもよく、このブレーキ機構１９の位置に応じてトルクリミッタを配置すればよい。

(３) 本発明は減速部が二段または四段以上の減速機、あるいは減速部が一段のみの減速機を備えた旋回駆動装置にも、また旋回駆動装置以外の建設機械の各種駆動装置にも上記同様に適用することができる。

１ モータ
２ 減速機
３ モータケーシング
４ 減速機ケーシング
４ａ，４ｂ，４ｃ 減速機ケーシングを構成する分割ケーシング
５ 減速出力軸
９，１０，１１ 減速部
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 減速部を構成するプラネタリギヤ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 同、リングギヤ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 同、サンギヤ
１６ モータ軸
１７，１８ 回転軸
１９ ブレーキ機構
２０ ブレーキバネ
２１ ブレーキピストン
２２ 圧力室
２３ 回転側ブレーキ板
２４ 固定側ブレーキ板
２５ スリップ板
２６ スリップ板受け部

Claims (4)

1. 駆動源としての油圧または電動のモータと、このモータの回転力を上部旋回体に減速して伝達する減速機と、上記減速機の回転軸に制動力を付与するブレーキ機構とを備え、上記減速機は、上記回転軸と一体に回転するサンギヤと、遊星軸まわりに自転しながら上記回転軸まわりに公転する複数のプラネタリギヤと、このプラネタリギヤと噛み合うリングギヤとから成る一乃至複数段の遊星歯車式の減速部によって構成し、上記ブレーキ機構は、回転側ブレーキ板と、上記減速機ケーシングに設けた固定側ブレーキ板と、ブレーキピストンと、このブレーキピストンに押し付け力を付与するブレーキバネとを備え、旋回停止時に、上記ブレーキバネによる上記ブレーキピストンの押し付け力により上記両ブレーキ板同士を圧接させてブレーキ作動状態とし、旋回作動時に上記両ブレーキ板同士を離間させてブレーキ解除状態とするように構成した建設機械の駆動装置において、上記減速部を構成するリングギヤを上記回転軸まわりに回転自在に設けるとともに、このリングギヤの外周に、リングギヤと一体回転するスリップ板を、上記ブレーキピストンと軸方向に並んで設け、このスリップ板を、上記ブレーキバネのバネ力により上記減速機または上記モータのケーシングに押し付けることにより、摩擦式のトルクリミッタを構成し、このトルクリミッタは、上記ブレーキ解除状態での摩擦トルクをＴｒ´、減速機部品の破損を防止するためのトルク限界値として予め設定された遮断トルクをＴｓ、ブレーキ解除状態での通常運転時に上記電動機からリングギヤに入力されるトルクをＴｅとして、
   Ｔｅ＜Ｔｒ´＜Ｔｓ
   に設定したことを特徴とする建設機械の駆動装置。
2. 上記ブレーキ作動状態での上記トルクリミッタの摩擦トルクをＴｒ、ブレーキ機構のブレーキトルクをＴｂとして、
   Ｔｒ＜Ｔｓ＋Ｔｂ
   に設定したことを特徴とする請求項１記載の建設機械の駆動装置。
3. 上記スリップ板を上記ブレーキピストンに対し間隔を置いて対向配置し、このスリップ板とブレーキピストンの間に上記ブレーキバネを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の建設機械の駆動装置。
4. 上記スリップ板を上記ブレーキピストンと軸方向に重ねてかつ軸方向に移動可能に配置するとともに、上記スリップ板と対向して上記減速機ケーシングにバネ受けを設け、上記スリップ板と上記バネ受けの間に上記ブレーキバネを設けた請求項１または２に記載の建設機械の駆動装置。

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