JP2024000173A - 等速自在継手及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】等速自在継手の保持器と外側継手部材及び内側継手部材との摺接部における滑り抵抗を下げて、耐久性を高める。【解決手段】保持器２４の外周面２４ｂ及び内側継手部材２２の外周面２２ｂに、多数の研削筋Ｐを有する研削面を設ける。研削面は、研削筋Ｐの境界に設けられる凸部Ｑの先端を除去してなる除去部Ｒを有する。【選択図】図９

Description

本発明は、等速自在継手及びその製造方法に関する。
一般に、自動車のドライブシャフトは、車輪に取り付けられるアウトボード側の等速自在継手と、デファレンシャルギヤに取り付けられるインボード側の等速自在継手と、両等速自在継手を連結する中間シャフトとで構成される。通常、アウトボード側の等速自在継手には、大きな作動角を取れるが軸方向に変位しない固定式等速自在継手が使用される。一方、インボード側の等速自在継手には、最大作動角は比較的小さいが、作動角を取りつつ軸方向変位が可能な摺動式等速自在継手が使用される。
近年、自動車の低燃費化に伴い、ドライブシャフトの小型・軽量化が求められ、これに設けられる等速自在継手にも小型・軽量化が求められている。例えば、下記の特許文献１及び２には、ボール数を８個として小型・軽量化を図った等速自在継手が示されている。
特開平１０－１０３３６５号公報 特開平１０－７３１２９号公報
上記のように等速自在継手は小型化されている一方で、等速自在継手に入力される作動角やトルク及び回転数には変更がないため、各部品が小型化された分だけ各部品に加わる荷重は大きくなっている。この場合、部品同士の接触部における発熱量が大きくなるため、耐久性の低下を招く。耐久性を高めるためには、互いに接触する部品の相対移動時の抵抗を低減する必要がある。例えば、等速自在継手の転動部（例えば、ボールとトラック溝との接触部）における転がり抵抗は、ボール個数増加による負荷分散や、転がり率増加、高機能潤滑剤の使用などにより軽減することができる。一方、保持器と外側継手部材及び内側継手部材との摺接部は、転がり部分がない滑り接触であるため、滑り抵抗を下げるための手段が少ない。
そこで、本発明は、等速自在継手の保持器と外側継手部材及び内側継手部材との摺接部における滑り抵抗を下げて、耐久性を高めることを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は、内周面に複数のトラック溝が形成された外側継手部材と、外周面に複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、前記外側継手部材のトラック溝と前記内側継手部材のトラック溝とで形成されるボールトラックに配された複数のボールと、前記複数のボールを保持する複数のポケットを有し、前記外側継手部材の内周面及び前記内側継手部材の外周面と摺接する保持器とを備えた等速自在継手において、
前記保持器の外周面及び前記内側継手部材の外周面に、多数の加工筋を有する加工面が設けられ、
前記加工面が、前記加工筋の境界に設けられる凸部の先端を除去してなる除去部を有する等速自在継手を提供する。
上記の固定式等速自在継手は、前記保持器の外周面及び前記内側継手部材の外周面に機械加工を施す工程と、前記保持器の外周面及び前記内側継手部材の外周面にバレル加工を施すことにより、前記機械加工で形成された加工筋の境界の凸部の先端を除去する工程とを経て製造することができる。
保持器の外周面及び内側継手部材の外周面に機械加工を施すと、図６に示すような多数の加工筋Ｐを有する加工面が形成される。この加工面にバレル加工を施すことにより、図９に示すように、隣接する加工筋Ｐの境界に設けられた凸部Ｑの先端が除去され、加工面の表面性状が滑らかになる。このような滑らかな加工面を、保持器の外周面及び内側継手部材の外周面に設けることで、これらの面と外側継手部材の内周面及び保持器の内周面との接触部における滑り抵抗を低減することができる。また、バレル加工後の加工面には、凹状の加工筋が残っているため、この加工筋（凹部）が油溜りとして機能することで、上記の接触部における滑り抵抗がさらに低減される。
以上のように、本発明によれば、等速自在継手の保持器と外側継手部材及び内側継手部材との摺接部における滑り抵抗を下げることができるため、摺接部における発熱を抑えて耐久性を高めることができる。
ドライブシャフトの断面図である。 摺動式等速自在継手の断面図である。 固定式等速自在継手の断面図である。 外側継手部材の製造工程を示すフロー図である。 バレル加工を施していない研削面を拡大して示す図（写真）である。 バレル加工を施していない研削面の断面図である。 内側継手部材の製造工程を示すフロー図である。 バレル加工を施した研削面を拡大して示す図（写真）である。 バレル加工を施した研削面の断面図である。 保持器の製造工程を示すフロー図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［ドライブシャフトの基本的構成］
図１に示すドライブシャフト１は、インボード側（図中右側）に設けられた摺動式等速自在継手２と、アウトボード側（図中左側）に設けられた固定式等速自在継手３と、両等速自在継手２，３を連結する中間シャフト４とを備える。摺動式等速自在継手２は、軸方向変位および角度変位の両方を許容し、固定式等速自在継手３は、角度変位のみを許容するものである。インボード側の摺動式等速自在継手２はデファレンシャルギヤに連結され、アウトボード側の固定式等速自在継手３は車輪に連結される。エンジンから出力された回転駆動力が、トランスミッション及びプロペラシャフトを介してデファレンシャルギヤに伝達され、そこから左右のドライブシャフト１を介して左右の車輪に伝達される。本実施形態のドライブシャフト１は、自動車の後輪に取り付けられる後輪用ドライブシャフトである。
摺動式等速自在継手２は、外側継手部材２１と、内側継手部材２２と、外側継手部材２１と内側継手部材２２との間でトルクを伝達する複数（本実施形態では８個）のボール２３と、複数のボール２３を保持する保持器２４とを備える。外側継手部材２１はデファレンシャルギヤに取り付けられ、内側継手部材２２は中間シャフト４のインボード側端部に取り付けられる。
図２に示すように、外側継手部材２１は、アウトボード側が開口したカップ状のマウス部２１ａと、マウス部２１ａの底部からインボード側に延びるステム部２１ｂとを一体に有する。マウス部２１ａの円筒状の内周面２１ｃには、軸方向に延びる複数（本実施形態では８本）の直線状のトラック溝２１ｄが設けられる。ステム部２１ｂのインボード側端部の外周面には、デファレンシャルギヤのスプライン穴に挿入されるスプライン２１ｅが設けられる。
内側継手部材２２の軸心には、中間シャフト４が挿入されるスプライン穴２２ａが設けられる。内側継手部材２２の球面状の外周面２２ｂには、軸方向に延びる複数（本実施形態では８本）の直線状のトラック溝２２ｃが設けられる。
外側継手部材２１のトラック溝２１ｄと内側継手部材２２のトラック溝２２ｃとが半径方向で対向して複数（本実施形態では８本）のボールトラックが形成される。各ボールトラックにはボール２３が一個ずつ配される。
保持器２４は、ボール２３を保持する複数（本実施形態では８個）のポケット２４ａを有する。ポケット２４ａは、全て同形状をなし、円周方向等間隔に配されている。保持器２４の外周面には、外側継手部材２１の円筒状の内周面２１ｃと摺接する球面部２４ｂと、球面部２４ｂの軸方向両端部から接線方向に延びる円すい部２４ｃとが設けられる。円すい部２４ｃは、摺動式等速自在継手２が最大作動角を取ったときに、外側継手部材２１の内周面２１ｃと線接触して、それ以上作動角が大きくなることを規制するストッパとして機能する。保持器２４の軸心に対する円すい部２４ｃの傾斜角度θは、摺動式等速自在継手２の最大作動角の１／２の値に設定される。保持器２４の内周面には、内側継手部材２２の球面状の外周面２２ｂと摺接する球面部２４ｄが設けられる。保持器２４の外周面の球面部２４ｂと外側継手部材２１の円筒状の内周面２１ｃとが軸方向に摺動することで、外側継手部材２１と内側継手部材２２との間の軸方向変位が許容される。
保持器２４の外周面の球面部２４ｂの曲率中心Ｏ２４ｂと、保持器２４の内周面の球面部２４ｄの曲率中心Ｏ２４ｄ（すなわち、内側継手部材２２の球面状外周面２２ｂの曲率中心）は、継手中心Ｏ（ｓ）に対して軸方向反対側に等距離だけオフセットしている。図示例では、保持器２４の外周面の球面部２４ｂの曲率中心Ｏ２４ｂが継手中心Ｏ（ｓ）に対してインボード側（継手奥側）にオフセットし、保持器２４の内周面の球面部２４ｄの曲率中心Ｏ２４ｄが継手中心Ｏ（ｓ）に対してアウトボード側（継手開口側）にオフセットしている。これにより、任意の作動角において、保持器２４で保持されたボール２３が常に作動角の二等分面内に配置され、外側継手部材２１と内側継手部材２２との間での等速性が確保される。
本実施形態の摺動式等速自在継手２は、後輪用ドライブシャフト専用とすることで、小型・軽量化が図られている。具体的に、従来品では最大作動角が２５°以上であったところ、本実施形態では、後輪用ドライブシャフト専用とすることで最大作動角を２０°以下に制限している。
図１に示すように、固定式等速自在継手３は、車輪に取り付けられる外側継手部材３１と、中間シャフト４のアウトボード側端部に取り付けられる内側継手部材３２と、外側継手部材３１と内側継手部材３２との間でトルクを伝達する複数（本実施形態では８個）のボール３３と、複数のボール３３を保持する保持器３４とを備える。
図３に示すように、外側継手部材３１は、インボード側が開口したカップ状のマウス部３１ａと、マウス部３１ａの底部からアウトボード側に延びるステム部３１ｂとを一体に有する。マウス部３１ａの球面状の内周面３１ｃには、軸方向に延びる複数（本実施形態では８本）の円弧状のトラック溝３１ｄが形成されている。ステム部３１ｂの外周面には、車輪側のスプライン穴に挿入されるスプライン３１ｅが設けられる。
内側継手部材３２の軸心には、中間シャフト４が挿入されるスプライン穴３２ａが設けられる。内側継手部材３２の球面状の外周面３２ｂには、軸方向に延びる複数（本実施形態では８本）の円弧状のトラック溝３２ｃが設けられる。
外側継手部材３１のトラック溝３１ｄと内側継手部材３２のトラック溝３２ｃとが半径方向で対向して複数（本実施形態では８本）のボールトラックが形成される。各ボールトラックにはボール３３が一個ずつ配される。
外側継手部材３１のトラック溝３１ｄの曲率中心Ｏ３１ｄと、内側継手部材３２のトラック溝３２ｃの曲率中心Ｏ３２ｃは、継手中心Ｏ（ｆ）に対して軸方向反対側に等距離だけオフセットしている。図示例では、外側継手部材３１のトラック溝３１ｄの曲率中心Ｏ３１ｄが、継手中心Ｏ（ｆ）に対してインボード側（継手開口側）にオフセットし、内側継手部材３２のトラック溝３２ｃの曲率中心Ｏ３２ｃが、継手中心Ｏ（ｆ）に対してアウトボード側（継手奥側）にオフセットしている。これにより、任意の作動角において、保持器３４で保持されたボール３３が常に作動角の二等分面内に配置され、外側継手部材３１と内側継手部材３２との間での等速性が確保される。
保持器３４は、ボール３３を保持する複数（本実施形態では８個）のポケット３４ａを有する。ポケット３４ａは、全て同形状をなし、円周方向等間隔に配されている。保持器３４の球面状の外周面３４ｂは、外側継手部材３１の球面状の内周面３１ｃと摺接する。保持器３４の球面状の内周面３４ｃは、内側継手部材３２の球面状の外周面３２ｂと摺接する。保持器３４の外周面３４ｂの曲率中心（すなわち、外側継手部材３１の球面状の内周面３１ｃの曲率中心）及び内周面３４ｃの曲率中心（すなわち、内側継手部材３２の球面状の外周面３２ｂの曲率中心）は、それぞれ継手中心Ｏ（ｆ）と一致している。
本実施形態の固定式等速自在継手３は、後輪用ドライブシャフト専用とすることで、小型・軽量化が図られている。具体的に、従来品では最大作動角が４５°以上であったところ、本実施形態では、後輪用ドライブシャフト専用とすることで最大作動角を２０°以下に制限している。
中間シャフト４は、図１に示すように、軸方向の貫通孔を有する中空シャフトを使用することができる。中間シャフト４のインボード側端部のスプライン４１は、摺動式等速自在継手２の内側継手部材２２のスプライン穴２２ａに挿入される。これにより、中間シャフト４と内側継手部材２２とがスプライン嵌合によりトルク伝達可能に連結される。摺動式等速自在継手２の外側継手部材２１の外周面と中間シャフト４の外周面との間には、蛇腹状ブーツ２５がブーツバンドにより取り付け固定されている。継手内部（外側継手部材２１とブーツ２５とで密封された空間）には、潤滑剤としてのグリースが封入されている。
中間シャフト４のアウトボード側端部のスプライン４２は、固定式等速自在継手３の内側継手部材３２のスプライン穴３２ａに挿入される。これにより、中間シャフト４と内側継手部材３２とがスプライン嵌合によりトルク伝達可能に連結される。固定式等速自在継手３の外側継手部材３１の外周面と中間シャフト４の外周面との間には、蛇腹状ブーツ３５がブーツバンドにより取り付け固定されている。継手内部（外側継手部材３１とブーツ３５とで密封された空間）には、潤滑剤としてのグリースが封入されている。
以下、摺動式等速自在継手２の各部品の製造方法を説明する。
［外側継手部材の製造方法］
外側継手部材２１は、図４に示すように、鍛造工程、旋削工程、スプライン加工工程、熱処理工程、及び機械加工工程（本実施形態では研削工程）を経て製造される。
鍛造工程では、軸状素材に鍛造加工を施して、外側継手部材２１と概ね同形状の素形材を成形する。本実施形態では、マウス部２１ａ及びステム部２１ｂを一体に有する素形材を成形する。
旋削工程では、素形材に旋削加工を施して、マウス部２１ａの外周面及びステム部２１ｂの外周面の寸法精度を高めると共に、マウス部２１ａの外周面にブーツ装着溝を形成する。
スプライン加工工程では、ステム部２１ｂの外周面に転造加工を施してスプライン２１ｅを形成する。
熱処理工程では、素形材の必要部位に熱処理を施す。本実施形態では、マウス部２１ａの内周面２１ｃ、トラック溝２１ｄ、及びステム部２１ｂのスプライン２１ｅに熱処理を施す。熱処理としては、例えば、高周波焼き入れ焼き戻しや、浸炭焼き入れ焼き戻しを適用できる。
研削工程では、素形材の必要部位に研削加工を施す。本実施形態では、ステム部２１ｂに研削加工が施される。
［内側継手部材の製造方法］
内側継手部材２２は、図７に示すように、鍛造工程、旋削工程、スプライン加工工程、熱処理工程、機械加工工程（本実施形態では研削工程）、及びバレル加工工程を経て製造される。
鍛造工程では、筒状素材に鍛造加工を施して、内側継手部材２２と概ね同形状の素形材を成形する。
旋削工程では、素形材の外周面及び軸方向両端面に旋削加工を施して、これらの寸法精度を高める。
スプライン加工工程では、素形材の内周面にブローチ加工等を施してスプライン穴２２ａを形成する。
熱処理工程では、素形材の必要部位に熱処理を施す。本実施形態では、素形材の外周面２２ｂ、トラック溝２２ｃ、及びスプライン穴２２ａに熱処理を施す。熱処理としては、例えば、浸炭焼き入れ焼き戻しが施される。
研削工程では、素形材の必要部位に研削加工を施す。本実施形態では、素形材の球面状外周面２２ｂ及びトラック溝２２ｃに研削加工が施される。これにより、外周面２２ｂ及びトラック溝２２ｃに、図５に示すような研削面が形成される。この研削面には、図６に示すように、多数の研削筋Ｐが形成されている。隣接する研削筋Ｐの境界には、先端が尖った凸部Ｑが形成されている。研削筋Ｐ及び凸部Ｑは加工方向に沿って延びている。
バレル加工工程では、素形材にバレル加工を施す。バレル加工とは、容器（バレル）の中にワーク（素形材）とメディアを投入し、容器を運動させることにより、ワークとメディアとの相互摩擦によりワークを加工する方法である。バレル加工としては、回転バレル加工、振動バレル加工、遠心バレル加工、流動バレル加工などが知られている。何れのバレル加工も採用可能であるが、特に振動バレル加工及び流動バレル加工が好ましい。具体的に、保持器に対しては振動バレル加工が最も好ましく、内輪継手部材に対しては流動バレル加工が最も好ましい。
バレル加工は、ワークの外周面にメディアが衝突しやすいため、主に、素形材の外周面２２ｂ及びトラック溝２２ｃにバレル加工が施される。このバレル加工により、研削面が図８に示すように滑らかになる。詳しくは、図９に示すように、研削筋Ｐの境界に設けられた凸部Ｑにメディアが衝突することで凸部Ｑの先端が除去され、除去部Ｒが形成される。このように、凸部Ｑの先端を除去して滑らかな除去部Ｒを形成することで、研削面全体を滑らかに仕上げることができる。また、バレル加工により凸部Ｑは完全に除去されず、研削面には凹状の研削筋Ｐが残っている。
［保持器の製造方法］
保持器２４は、図１０に示すように、プレス成形工程、旋削工程、ポケット打ち抜き工程、熱処理工程、機械加工工程（本実施形態では研削工程）、及びバレル加工工程を経て製造される。
プレス成形工程では、円筒状素材にプレス成形を施して、保持器２４と概ね同形状の樽形の素形材を成形する。
旋削工程では、素形材の外周面及び内周面に旋削加工を施して、これらの寸法精度を高める。
ポケット打ち抜き工程では、樽形の素形材を金型で半径方向に打ち抜くことにより、複数のポケット２４ａを形成する。
熱処理工程では、素形材の必要部位に熱処理を施す。本実施形態では、素形材のポケット２４ａの内面に熱処理を施す。熱処理としては、例えば、浸炭焼き入れ焼き戻しが施される。
研削工程では、素形材の必要部位に研削加工を施す。本実施形態では、素形材のポケット２４ａの内面、外周面の球面部２４ｂ、及び内周面の球面部２４ｄに研削加工が施される。これにより、ポケット２４ａの内面、外周面の球面部２４ｂ及び内周面の球面部２４ｄに、図５に示すような研削面が形成される。この研削面には、図６に示すように、多数の研削筋Ｐが形成されている。隣接する研削筋Ｐの境界には、先端が尖った凸部Ｑが形成されている。研削筋Ｐ及び凸部Ｑは加工方向に沿って延びている。
バレル加工工程では、素形材にバレル加工を施す。バレル加工の詳細は、上記の内側継手部材２２のバレル加工と同様であるため、説明を省略する。バレル加工により、保持器２４の素形材の表面（主に外周面）に、図８、９に示すような滑らかな研削面が形成される。
以上のように、摺動式等速自在継手２の外側継手部材２１の内周面２１ｃには、先端が尖った凸部Ｑを有する研削面（図６参照）が形成されている。一方、保持器２４の外周面の球面部２４ｂには、研削筋Ｐの境界の凸部Ｑの先端が除去された滑らかな除去部Ｒを有する研削面（図９参照）が形成されている。このように、保持器２４の外周面の球面部２４ｂを滑らかな研削面とすることで、外側継手部材２１の内周面２１ｃとの摺接部における滑り抵抗が低減される。また、保持器２４の外周面の球面部２４ｂには、凹状の研削筋Ｐが残っているため、この研削筋Ｐが油溜りとして機能することで、外側継手部材２１の内周面２１ｃとの摺接部における滑り抵抗がさらに低減される。
また、摺動式等速自在継手２の保持器２４の内周面の球面部２４ｄには、バレル加工の後でも先端が尖った凸部Ｑを有する研削面（図６参照）が形成されている。一方、内側継手部材２２の外周面２２ｂには、研削筋Ｐの境界の凸部Ｑの先端が除去された滑らかな除去部Ｒを有する研削面（図９参照）が形成されている。このように、内側継手部材２２の外周面２２ｂを滑らかな研削面とすることで、保持器２４の内周面の球面部２４ｄとの摺接部における滑り抵抗が低減される。また、内側継手部材２２の外周面２２ｂには、凹状の研削筋Ｐが残っているため、この研削筋Ｐが油溜りとして機能することで、保持器２４の内周面の球面部２４ｄとの摺接部における滑り抵抗がさらに低減される。
以上のように、摺動式等速自在継手２において、部品同士の摺接部における滑り抵抗を低減することにより、ドライブシャフト１の回転時における摺動式等速自在継手２の発熱を抑えて、耐久性を高めることができる。
固定式等速自在継手３の製造方法は、摺動式等速自在継手と同様であるため、詳細な説明は省略する。固定式等速自在継手３においては、外側継手部材３１の内周面３１ｃには先端が尖った凸部Ｑを有する研削面（図６参照）が形成されている一方で、保持器３４の外周面３４ｂには、研削筋Ｐの境界に、凸部Ｑの先端が除去された滑らかな除去部Ｒを有する研削面（図９参照）が形成されている。また、保持器３４の内周面３４ｃには、バレル加工の後でも先端が尖った凸部Ｑを有する研削面（図６参照）が形成されている一方で、内側継手部材３２の外周面３２ｂには、研削筋Ｐの境界に、凸部Ｑの先端が除去された滑らかな除去部Ｒを有する研削面（図９参照）が形成されている。これにより、各摺接部における滑り抵抗を低減することができるため、ドライブシャフト１の回転時における固定式等速自在継手３の発熱を抑えて、耐久性を高めることができる。
本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、等速自在継手２、３のボール２３、３３の数が８個である場合を示したが、ボールの数はこれに限らず、例えば６個としてもよい。
また、上記の実施形態では、バレル加工前の機械加工として研削加工を示したが、これに限らず、バレル加工前の機械加工を切削加工としてもよい。この場合、切削加工後の断面は図６と同様の形態を示し、バレル加工後の断面は図９と同様の形態を示す。
また、上記の実施形態では、後輪用ドライブシャフト専用の等速自在継手２、３を示したが、これに限らず、前輪用ドライブシャフトとしても使用できる従来の等速自在継手に本発明を適用してもよい。
また、本発明を適用できる等速自在継手の種類は上記に限らず、例えば、クロスグルーブ型の等速自在継手に本発明を適用してもよい。
１ ドライブシャフト
２ 摺動式等速自在継手
３ 固定式等速自在継手
４ 中間シャフト
２１ 外側継手部材
２２ 内側継手部材
２３ ボール
２４ 保持器
２５ ブーツ
３１ 外側継手部材
３２ 内側継手部材
３３ ボール
３４ 保持器
３５ ブーツ
Ｐ 研削筋（加工筋）
Ｑ 凸部
Ｒ 除去部

Claims (4)

  1. 内周面に複数のトラック溝が形成された外側継手部材と、外周面に複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、前記外側継手部材のトラック溝と前記内側継手部材のトラック溝とで形成されるボールトラックに配された複数のボールと、前記複数のボールを保持する複数のポケットを有し、前記外側継手部材の内周面及び前記内側継手部材の外周面と摺接する保持器とを備えた等速自在継手において、
    前記保持器の外周面及び前記内側継手部材の外周面に、多数の加工筋を有する加工面が設けられ、
    前記加工面が、前記加工筋の境界に設けられる凸部の先端を除去してなる除去部を有する等速自在継手。
  2. 前記外側継手部材と前記内側継手部材との間の軸方向変位および角度変位の両方を許容する摺動式の等速自在継手であって、
    前記ボールの数が８個である請求項１に記載の等速自在継手。
  3. 請求項１又は２に記載の等速自在継手を有するドライブシャフト。
  4. 内周面に複数のトラック溝が形成された外側継手部材と、外周面に複数のトラック溝が形成された内側継手部材と、前記外側継手部材のトラック溝と前記内側継手部材のトラック溝とで形成されるボールトラックに配された複数のボールと、前記複数のボールを保持する複数のポケットを有し、前記外側継手部材の内周面及び前記内側継手部材の外周面と摺接する保持器とを備えた等速自在継手の製造方法において、
    前記保持器の外周面及び前記内側継手部材の外周面に機械加工を施す工程と、
    前記保持器の外周面及び前記内側継手部材の外周面にバレル加工を施すことにより、前前記機械加工で形成された加工筋の境界の凸部の先端を除去する工程とを有する等速自在継手の製造方法。
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