JP2015007464A - トロイダル型無段変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】ディスク周辺のオイル撹拌抵抗を低減し、かつオイルの回収および再利用が容易なトロイダル型無段変速機を提供する。【解決手段】同心状に配置された少なくとも１対の入力ディスク（１５）および出力ディスク（１７）と、前記１対の入力ディスクと出力ディスクとの間に傾転可能に介在して、前記入力ディスクから前記出力ディスクへ駆動力を伝達する複数のパワーローラ（１９）とを備えるトロイダル型無段変速機（１）において、前記入力ディスクおよび出力ディスクをそれぞれ覆うディスクシュラウド（３３，３５）を設け、前記ディスクシュラウドの外周部に、このディスクシュラウドの内面から外面に貫通し、周方向に延びるオイル排出溝（３７，３９）を形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば航空機の発電装置に使用されるトロイダル型無段変速機の構造に関する。

航空機用の発電装置として、駆動源である航空機エンジンの回転数が変動しても発電装置の回転数（周波数）を一定に維持しながら動作する一定周波数発電装置（ＩＤＧ）を使用することが知られている。ＩＤＧにおいて、発電装置の回転数を一定に保つための変速機として、トロイダル型の無段変速機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。トロイダル型無段変速機では、同心に配置された入力側ディスクと出力側ディスクとに、パワーローラを強い圧力で接触させ、このパワーローラの傾斜角度を調整することにより、無段階（連続的）に変速比を変化させることができる。

特開２００８−０３８９０２号公報

しかし、トロイダル無段変速機で高い変速比を得ようとする場合、無段変速機のディスクの回転速度の増大に伴ってディスク外周部分の速度が大きくなり、オイルの撹拌抵抗が増大し、無段変速機が使用される航空機の燃費を低下させる要因となる。また、高速のオイルが装置内で分散すると、オイルを回収および排出して、このオイルを装置内で再利用することが困難になる。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、ディスク周辺のオイル撹拌抵抗を低減し、かつオイルの回収および再利用が容易なトロイダル型無段変速機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るトロイダル型無段変速機は、同心状に配置された少なくとも１対の入力ディスクおよび出力ディスクと、前記１対の入力ディスクと出力ディスクとの間に傾転可能に介在して、前記入力ディスクから前記出力ディスクへ駆動力を伝達する複数のパワーローラと、前記入力ディスクおよび出力ディスクをそれぞれ覆うディスクシュラウドとを備え、前記ディスクシュラウドの外周部に、このディスクシュラウドの内面から外面に貫通し、周方向に延びるオイル排出溝が形成されている。オイル排出溝は、前記ディスクシュラウドの内側壁の外周部に設けられていることが好ましく、また、前記ディスクシュラウドの外側壁の外周部に設けられていてもよい。

この構成によれば、入力ディスクおよび出力ディスクをディスクシュラウドで覆うことによって、両ディスクの周辺に存在する余分なオイルがディスクの表面に接触することを防止できる。しかも、ディスクシュラウドの外周部にオイルの排出溝を設けたことにより、遠心力を利用して、排出溝からのオイルの再進入を防止しつつ、ディスクシュラウド内のオイルをきわめて効率的に外部へ排出することができる。したがって、ディスク周辺のオイル撹拌抵抗が大幅に低減されるとともに、オイルの回収および再利用が容易となる。

本発明の一実施形態において、前記入力ディスクまたは出力ディスクの外周面を覆う前記ディスクシュラウドの外周壁の軸方向長さが、当該入力ディスクまたは出力ディスクの外周面の軸方向長さよりも短く設定されており、前記オイル排出溝が、前記内側壁と前記外周壁との間の隙間、または前記外側壁と前記外周壁との間の隙間として形成されていることが好ましい。この構成によれば、ディスクの周辺に大量のオイルが流入した場合にも、効果的にオイルを排出できる。

本発明の一実施形態において、前記ディスクシュラウドの内側壁に、該ディスクシュラウドの外部からの冷却用オイルをディスクシュラウド内に導入するための導入口が設けられており、前記オイル排出溝が、少なくとも前記ディスクの回転方向における前記導入口よりも下流側の周方向位置に配置されていることが好ましい。この構成によれば、導入口からディスクシュラウド内に侵入した冷却用オイルを、効率的に外部へ排出することができる。

本発明の一実施形態において、前記オイル排出溝が、前記ディスクシュラウドの外周部の全周の１／８以上の周方向部分に設けられていることが好ましい。また、より好ましくは、前記オイル排出溝が、前記ディスクシュラウドの外周部の全周に渡って設けられている。少なくとも全周の１／８以上の周方向部分に排出溝を設けることにより、オイルをディスクシュラウド外へ円滑に排出して撹拌抵抗を確実に低下させることができる。オイル排出溝を全周に渡って設けた場合には、ディスクシュラウドの外周部に達したオイルを最短経路で外部へ排出することができるので、撹拌抵抗を大幅に低下させることができる。

本発明の一実施形態において、さらに、前記パワーローラを覆うローラシュラウドを有していることが好ましい。この構成によれば、パワーローラの支持部の潤滑に使用されたオイルがディスクに流入することが防止される。

本発明の一実施形態において、前記ディスクシュラウドの外周部に、前記ディスクの接線方向に開口するオイル排出口が設けられていてもよい。この構成によれば、ディスクの冷却のためにディスクに供給されたオイルを効率的に排出し、回収することが可能となる。

本発明に係るトロイダル型無段変速機によれば、ディスク周辺のオイル撹拌抵抗が低減され、かつオイルの回収および再利用が容易となる。

本発明の第１実施形態に係るトロイダル型無段変速機の概略構成を模式的に示す縦断面図である。 図１のトロイダル型無段変速機の要部を示す縦断面図である。 図１のトロイダル型無段変速機のディスクシュラウドおよびローラシュラウドを示す斜視図である。 図１のトロイダル型無段変速機を示す平面図である。 図２のトロイダル型無段変速機の変形例を示す模式図である。 図２のトロイダル型無段変速機の他の変形例を示す模式図である。 本発明の効果を説明するための図であり、（ａ）はディスクシュラウドを設けない場合のオイルの流れを示す部分的な横断面図、（ｂ）はディスクシュラウドを設けた場合のオイルの流れを示す部分的な横断面図である。 本発明の第２実施形態に係るトロイダル型無段変速機を示す斜視図である。

以下，本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るトロイダル型無段変速機（以下、単に「無段変速機」と呼ぶ。）１を模式的に示す縦断面図である。無段変速機１は、航空機エンジンＥと、この航空機エンジンＥによって駆動される一定周波数発電装置Ｇとの間に介在して、発電装置Ｅの回転数を一定に保ちながら航空機エンジンＥの駆動力を一定周波数発電装置Ｇへ伝達する。

航空機エンジンＥは、動力伝達機構Ｔ、変速機構Ｒを介して、無段変速機１の変速機入力軸３に接続されている。変速機入力軸３に入力された動力は、無段変速機１を介して、変速機入力軸３の中空部に同心に配置された変速機出力軸５から、発電装置Ｇへ出力される。

同図に示すように、無段変速機１は、ダブルキャビティ型トロイダルトラクションドライブとして構成されており、変速機入力軸３に沿って第１キャビティ１１および第２キャビティ１３を所定の間隔を設けて配設してなる。第１キャビティ１１と第２キャビティ１３の間に、変速機構Ｒの主要部であるギヤや軸受などが配置されている。

第１キャビティ１１，第２キャビティ１３は、変速機入力軸３と連動して回転する入力ディスク１５と、変速機出力軸５と連動して回転する出力ディスク１７と、入力ディスク１５および出力ディスク１７の間に介在する複数（例えば２つ）のパワーローラ１９によって構成されている。両キャビティ１１，１３の軸方向内側に入力ディスク１５が配設され、両キャビティ１１，１３の軸方向外側に出力ディスク１７が配設されている。

第１キャビティ１１を形成する１対の入力ディスク１５と出力ディスク１７とは、同心状に対向して配置されている。同様に、第２キャビティ１３を形成する他の１対の入力ディスク１５と出力ディスク１７とは、同心状に対向して配置されている。２つの入力ディスク１５，１５は、変速機入力軸３を介して連結されている。本実施形態では、第１キャビティ１１と第２キャビティ１３とは同様の構造を有しているので、以下、代表として第１キャビティ１１の構造について説明する。

各パワーローラ１９は、スラスト軸受２１と、公知の支持部材であるトラニオン２３とによって、ローラ軸２５回りの回転を許容し、かつローラ軸２５および変速機入力軸３を含む平面内で傾転自在に支持されている。このように支持されたパワーローラ１９が、入力ディスク１５の凹曲面状の内側壁１５ａおよび出力ディスク１７の凹曲面状の内側面１７ａに、パワーローラ１９の押付力を発生させる押圧力付加機構（図示せず）の動力により高圧で押し付けられている。

すなわち、この押圧力付加機構は、入力ディスク１５と出力ディスク１７に互いに接近するように軸方向押圧力を付加するディスク軸力付加部と、パワーローラ１９を両ディスク１５，１７に押し当てるローラ押圧力付加部とを含み、キャビティ１１において、入力ディスク１５、出力ディスク１７およびパワーローラ１９という３つの転動体を、高圧で互いに押し付けている。両ディスク１５，１７とパワーローラ１９との接触部に生じる高粘度潤滑油膜の剪断抵抗、つまり流体摩擦によって、３つの部材入力ディスク１５、出力ディスク１７およびパワーローラ１９間で駆動力が伝達される。無段変速機１１の加速比および減速比、すなわち変速比の変更は、パワーローラ１９の傾きである傾転角を制御することにより行われる。

無段変速機１には、入力ディスク１５を覆う入力側ディスクシュラウド３１と、出力ディスク１７を覆う出力側ディスクシュラウド３３が設けられている。また、各パワーローラ１９は、ローラシュラウド３５によって覆われている。以下、代表して、主に出力側ディスクシュラウド３３の構成について説明するが、入力側ディスクシュラウド３１も出力側ディスクシュラウド１７と同様に構成されている。

図２に示すように、出力ディスク１７は、前記内側面１７ａ、外周面１７ｂ、および内側面１７ａの軸方向反対側を向くほぼ平坦な外側面１７ｃを有している。出力側ディスクシュラウド３３は、出力ディスク１７の内側面１７ａ、外周面１７ｂおよび外側面１７ｃのそれぞれを隙間を介して覆う、内側壁３３ａ、外周壁３３ｂおよび外側壁３３ｃを有している。出力側ディスクシュラウド３３の内側壁３３ａは、出力ディスク１７の内側面１７ａの形状に沿った凹曲面状に形成され、外周壁３３ｂは、出力ディスク１７の外周面１７ｂの形状に沿った円筒状に形成され、外側壁３３ｃは、出力ディスク１７の径方向に沿った円盤状に形成されている。

出力側ディスクシュラウド３３には、このディスクシュラウド３３の内面から外面に貫通し、周方向に延びるオイル排出溝が形成されている。具体的には、本実施形態では、出力側ディスクシュラウド３３の内側壁３３ａと外周壁３３ｂとの間の隙間が、出力側ディスクシュラウド３３の内面から外面に貫通し、全周に渡って延びる内側オイル排出溝３７を形成している。また、出力側ディスクシュラウド３３の外側壁３３ｃと外周壁３３ｂとの間の隙間が、ディスクシュラウドの内面から外面に貫通し、全周に渡って延びる外側オイル排出溝３９を形成している。換言すれば、内側オイル排出溝３７は、出力側ディスクシュラウド３３の内側壁３３ａの外周部に、外周部の全周に渡って設けられており、外側オイル排出溝３９は、ディスクシュラウドの外側壁３３ｃの外周部に、外周部の全周に渡って設けられている。

なお、本明細書において、出力側ディスクシュラウド３３の「外周部」とは、出力ディスク１７の外周面１７ｂを覆う外周壁３３ｂ、または内側壁３３ａもしくは外側壁３３ｃの外周壁３３ｂに隣接する部分を指す。

本実施形態では、上述のように、内側オイル排出溝３７および外側オイル排出溝３９を出力側ディスクシュラウド３３の全周に渡って設けているので、出力側ディスクシュラウド３３の内側壁３３ａ、外周壁３３ｂおよび外側壁３３ｃは、それぞれ別体に形成されている。内側壁３３ａは無段変速機１が設置されるハウジング（図示せず）の天井面に固定された支柱４１に支持され、外周壁３３ｂは無段変速機１が設置されるハウジング（図示せず）の天井面に固定された他の支柱４３に支持され、外側壁３３ｃは、変速機出力軸５を支持する軸受４４の軸受ハウジング４５に支持されている。もっとも、内側壁３３ａ，外周壁３３ｂ，外側壁３３ｃの支持構造はこれらに限定されない。

出力側ディスクシュラウド３３の内側壁３３ａには、図３に示すように、出力側ディスクシュラウド３３と、ローラシュラウド３５およびパワーローラ１９との干渉を避けるためのローラ用切欠き４７が形成されている。さらに、出力側ディスクシュラウド３３の内側壁３３ａには、ディスクシュラウドの外部に設けられたオイル噴射器６０（図５（ｂ））から供給される冷却用オイルをディスクシュラウド３３内に導入するための導入口５１が形成されている。

ローラシュラウド３５は、図１のパワーローラ１９の主としてスラスト軸受２１の潤滑および冷却に用いられたオイルが出力ディスク１７の周辺へ流入することを防止するために設けられる。より具体的には、パワーローラ１９に供給されたオイルは、その大部分がスラスト軸受２１の軸受空間から排出される。したがって、本実施形態では、スラスト軸受２１の軸受空間を覆うようにローラシュラウド３５が配置されている。また、より高速となる側のディスク、すなわち本実施形態では入力ディスク１５側の方が、オイル撹拌抵抗を低減する必要性が高いので、ローラシュラウド３５は、図４に示すように、パワーローラ１９の少なくとも入力ディスク１５側を覆っていることが好ましい。

入力ディスク１５におけるパワーローラ１９と当接する部分の近傍においては、パワーローラ１９およびローラシュラウド３５によって、オイルが入力ディスク１５の周囲に侵入することを防止する。したがって、図３の出力側ディスクシュラウド３３に形成するローラ用切欠き４７とローラシュラウド３５との隙間からオイルがディスクシュラウド内に侵入することを防止するために、ローラシュラウド３５とローラ用切欠き４７との隙間は、パワーローラ１９の傾転を妨げない限度で、できるだけ小さく設定することが好ましい。特には、ディスクによるオイルの撹拌損失が大きくなる高速回転時において、ローラ用切欠き４７とローラシュラウド３５との隙間を小さく設定することが好ましい。そのため、パワーローラ１９が最も高速側に位置する場合のローラシュラウド３５とローラ用切欠き４７の外縁との隙間Ｇが、２ｍｍ以下となるように設定されている。なお、パワーローラ１９をローラシュラウド３５で覆わない場合は、パワーローラ１９とローラ用切欠き４７の外縁との隙間を上記のように設定する。

なお、本実施形態では、ディスクシュラウド３３の外周部に、内側オイル排出溝３７と外側オイル排出溝３９を設けたが、いずれか一方のオイル排出溝を省略してもよい。また、ディスクシュラウド３３内のオイルを効率的に排出するために、両オイル排出溝３７，３９は、本実施形態のように、ディスクシュラウド３３の外周部の全周に渡って設けることが最も好ましい。これにより、ディスクシュラウド３３の外周部に達したディスクシュラウド内のオイルを最短経路で外部へ排出することができる。

もっとも、図５の変形例に示すように、オイル排出溝３７，３９の一方または両方（図示の例では内側オイル排出溝３７）は、少なくとも全周の１／８以上の周方向範囲、すなわちディスクの中心Ｏに対する開角度θが４５°以上の範囲に設けられていれば、オイル撹拌抵抗を十分に低下させることができる。オイル排出溝を設ける周方向範囲を全周未満とした場合は、ディスクシュラウド３３を構成する内側壁３３ａ、外周壁３３ｂおよび外側壁３３ｃを一体的に形成することが可能となり、ディスクシュラウド３３の支持機構の一部を省略することができる。

また、オイル排出溝３７，３９を設ける周方向範囲を全周未満とする場合は、オイル排出溝３７，３９が、少なくともディスクの回転方向Ｒにおける導入口５１よりも下流側の周方向位置に設けられていることが好ましい。オイル排出溝３７，３９をこのように配置することにより、冷却用のオイル噴射器６０から導入口５１を介してディスクシュラウド３３内に噴射された冷却用オイルを、効率的に外部へ排出することができる。

さらに、図２に示す例では、出力側ディスクシュラウド３３の外周壁３３ｂの軸方向長さＬ１は、出力ディスク１７の外周面１７ｂの軸方向長さＬ２とほぼ同一であり、かつ外周壁３３ｂの軸方向位置が外周面１７ｂの軸方向位置にほぼ一致するように構成されている。しかし、図６の変形例に示すように、出力側ディスクシュラウド３３の外周壁３３ｂの軸方向長さＬ１を出力ディスク１７の外周面１７ｂの軸方向長さＬ２よりも短く設定してもよい。このように構成することにより、図６の例における内側オイル排出溝３７および外側オイル排出溝３９の少なくとも一方の軸方向の開口面積を、図２の例に比べて大きく設定することができる。

好ましくは、図６に示すように、出力側ディスクシュラウド３３の外周壁３３ｂの、内側面１７ａ側の部分を軸方向に短く設定することが好ましい。その場合の外周壁３３ｂの軸方向長さＬ１は、出力ディスク１７の外周面１７ｂの軸方向長さＬ２に対して１／３〜２／３の範囲にあることが好ましく、外周面１７ｂの軸方向長さＬ２の１／２であることがより好ましい。このように構成することにより、内側オイル排出溝３７の軸方向の開口面積を大きくすることができる。したがって、出力側ディスクシュラウド３３の内側壁３３ａの内側に大量のオイルが流入した場合でも、そのオイルを極めて効果的に外部へ排出することができる。

このように、本実施形態に係る無段変速機１によれば、図１の入力ディスク１５および出力ディスク１７をディスクシュラウド３１，３３で覆うことによって、両ディスク１５，１７の周辺に存在する余分なオイルがディスク１５，１７の表面に接触することを防止できる。しかも、ディスクシュラウド３１，３３の外周部にオイルの排出溝３７，３９を設けたことにより、遠心力を利用して、排出溝３７，３９からのオイルの再進入を防止しつつ、ディスクシュラウド内のオイルをきわめて効率的に外部へ排出することができる。したがって、ディスク１５，１７周辺のオイル撹拌抵抗が大幅に低減されるとともに、オイルの回収および再利用が容易となる。

上記ディスクシュラウド３１，３３の効果を、図６（ａ），（ｂ）を参照しながら、出力側ディスクシュラウド３３を代表として、より詳しく説明する。出力側ディスクシュラウド３３を設けない場合、図６（ａ）に示すように、周辺の余分なオイル６２が出力ディスク１７の内側面１７ａに接触するのに加えて、インピンジ冷却効果を高めるためにオイル噴射器６０から出力ディスク１７の内側面１７ａに向けて内側面１７ａと直交する方向に噴射されたオイル６４は、出力ディスク１７の内側面１７ａに当たってはね返り、出力ディスク１７の回転方向Ｒの上流側にも一部６４ａが流れ込むことで、オイル６４の流れに乱れを発生させる。これにより、撹拌抵抗が増大する。これに対し、図６（ｂ）に示すように、出力側ディスクシュラウド３３を設けた場合、周辺の余分なオイル６２が出力ディスク１７に接触するのが防止される一方で、出力ディスク１７の内側面１７ａと出力側ディスクシュラウド３３との間に、回転方向Ｒと同一方向の強い空気流れＡが形成される。この空気流れＡがオイル６４を回転方向Ｒに押し流すことによって、オイル６４の一部６４ａ（図６（ａ））の形成を防ぐ。これにより、オイル６４の流れの乱れを抑制して撹拌抵抗を低減させる。

次に、図８に示す本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る無段変速機１では、第１実施形態の構成に追加して、入力側および出力側ディスクシュラウド３１，３３の外周部に、入力および出力ディスク１５，１７の接線方向Ｔに開口するオイル排出口６１を設けている。

本実施形態では、入力側ディスクシュラウド３１と出力側ディスクシュラウド３３のいずれにもオイル排出口６１を設けたが、いずれか一方にのみオイル排出口６１を設けてもよい。また、各ディスクシュラウド３１，３３において、それぞれ周方向にほぼ１８０°離間した２箇所にオイル排出口６１を設けたが、各ディスクシュラウド３１，３３におけるオイル排出口６１の数および位置は、図示の例に限らず、適宜設定してよい。

このように、ディスクシュラウド３１，３３の外周部に、ディスクの接線方向Ｔに開口するオイル排出口６１を設けた場合には、ディスクの冷却のためにディスクに供給されたオイルを一層効率的に排出し、回収することが可能となる。

なお、上記の各実施形態の説明においては、航空機用のＩＤＧに使用するトロイダル型無段変速機を例として示したが、本発明が適用されるトロイダル型無段変速機の用途は航空機に限られず、例えば、自動車用であってもよい。また、本発明は、ダブルキャビティ型に限らず、入力ディスクおよび出力ディスクを１対のみ設けたシングルキャビティ型のトロイダル型無段変速機にも適用することができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ タービン動翼（タービン翼）
５ 第１冷却媒体通路（冷却媒体通路）
１５ 入力ディスク
１７ 出力ディスク
１９ パワーローラ
３１ 入力側ディスクシュラウド
３３ 出力側ディスクシュラウド
３３ａ 出力側ディスクシュラウドの内側壁
３３ｂ 出力側ディスクシュラウドの外周壁
３３ｃ 出力側ディスクシュラウドの外側壁
３７，３９ オイル排出溝
６１ オイル排出口

Claims (9)

1. 同心状に配置された少なくとも１対の入力ディスクおよび出力ディスクと、
   前記１対の入力ディスクと出力ディスクとの間に傾転可能に介在して、前記入力ディスクから前記出力ディスクへ駆動力を伝達する複数のパワーローラと、
   前記入力ディスクおよび出力ディスクをそれぞれ覆うディスクシュラウドと、
   を備え、
   前記ディスクシュラウドの外周部に、このディスクシュラウドの内面から外面に貫通し、周方向に延びるオイル排出溝が形成されているトロイダル型無段変速機。
2. 請求項１に記載のトロイダル型無段変速機において、前記オイル排出溝は、前記ディスクシュラウドの内側壁の外周部に設けられているトロイダル型無段変速機。
3. 請求項１または２に記載のトロイダル型無段変速機において、前記オイル排出溝は、前記ディスクシュラウドの外側壁の外周部に設けられているトロイダル型無段変速機。
4. 請求項２または３において、前記入力ディスクまたは出力ディスクの外周面を覆う前記ディスクシュラウドの外周壁の軸方向長さが、当該入力ディスクまたは出力ディスクの外周面の軸方向長さよりも短く設定されており、前記オイル排出溝が、前記内側壁と前記外周壁との間の隙間、または前記外側壁と前記外周壁との間の隙間として形成されているトロイダル型無段変速機。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のトロイダル型無段変速機において、前記ディスクシュラウドの内側壁に、該ディスクシュラウドの外部からの冷却用オイルをディスクシュラウド内に導入するための導入口が設けられており、前記オイル排出溝が、少なくとも前記ディスクの回転方向における前記導入口よりも下流側の周方向位置に配置されているトロイダル型無段変速機。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のトロイダル型無段変速機において、前記オイル排出溝が、前記ディスクシュラウドの外周部の全周の１／８以上の周方向部分に設けられているトロイダル型無段変速機。
7. 請求項６に記載のトロイダル型無段変速機において、前記オイル排出溝が、前記ディスクシュラウドの外周部の全周に渡って設けられているトロイダル型無段変速機。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のトロイダル型無段変速機において、さらに、前記パワーローラを覆うローラシュラウドを有するトロイダル型無段変速機。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のトロイダル型無段変速機において、前記ディスクシュラウドの外周部に、前記ディスクの接線方向に開口するオイル排出口が設けられているトロイダル型無段変速機。

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