JP3885618B2 - 車両の操舵装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータの回転力を用いて車輪を操舵するステヤバイワイヤ方式の車両の操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の装置は、例えば特開２００１−８０５３０号公報に示されているように、回転により車輪を操舵するための複数の電動モータと、同複数の電動モータの各回転角をそれぞれ検出する複数の回転角センサとを備え、各回転角センサによって検出された各回転角がそれぞれ目標回転角になるように、各電動モータを独立して制御して、車輪を目標操舵角に操舵制御するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の装置において、電動モータの回転角を目標回転角に制御する場合には、回転角センサによって検出された回転角と目標回転角との偏差が予め決められた閾値以下になるまで前記偏差に応じたフィードバック制御により電動モータの回転を制御し、同偏差が閾値未満になった時点で電動モータの回転制御を停止するようにしている。すなわち、電動モータの回転制御において、目標回転角の両側に所定幅の不感帯を設けておき、電動モータの回転角がこの不感帯に入ったことを電動モータの回転角が目標回転角になったとしている。
【０００４】
しかしながら、複数の回転角センサによって検出される回転角の間には多少の誤差が存在する。したがって、前記不感帯の幅を狭くすると、一つの電動モータは停止制御されたにもかかわらず、他の一つの電動モータは回転動作中であることがあり、この回転動作によって一つの電動モータの回転角が不感帯を超えてしまって、同一つの電動モータがふたたび回転動作を開始することがある。すなわち、複数の電動モータが互いに回転停止および回転再開を繰り返すという、いわゆるハンチングが発生するという問題がある。また、前記不感帯の幅を広くすることにより、この問題は解決されるが、この場合には、電動モータの回転角が目標回転角に精度よく制御されず、車輪の操舵制御が悪化するという問題がある。
【０００５】
【本発明の概要】
本発明は、上記課題に対処するためになされたものであり、その目的は、複数の電動モータを用いた車輪の操舵装置において、複数の電動モータの回転制御におけるハンチングを防止するとともに、車輪の操舵制御における精度を良好にすることにある。
【０００９】
この目的を達成するために、本発明の特徴は、第１および第２の電動モータと、第１および第２の電動モータの第１および第２の回転角をそれぞれ検出する第１および第２の回転角検出手段と、第１および第２の電動モータの回転を制御して同第１および第２の電動モータの回転角を目標回転角に一致させる回転制御手段とを備え、第１および第２の電動モータの回転により車輪を操舵する車両の操舵装置において、回転制御手段が、前記検出された第１の回転角と目標回転角の偏差が予め決めた第１閾値以下になるまで第１の電動モータを回転させるとともに、前記検出された第２の回転角と目標回転角の偏差が第１閾値よりも大きな予め決めた第２閾値以下になるまで第２の電動モータを回転させるようにしたことにある。
【００１０】
このように構成した本発明の特徴においては、第２閾値が第１閾値より大きいことは、第２電動モータの回転角を目標回転角に制御するための不感帯の幅が、第１の電動モータの回転角を目標回転角に制御するための不感帯の幅よりも大きいことを意味する。これにより、第１の電動モータの回転角が目標回転角両側の第１の不感帯領域に入った時点では、第１および第２の回転角センサによる両検出回転角の間に多少の誤差があっても、第２の電動モータの回転角が必ず目標回転角両側の第２の不感帯領域に納まっている。したがって、電動モータの回転制御にハンチングが発生しない。また、第１閾値を小さくすることにより、第１の電動モータに対する不感帯の幅を狭くできるので、車輪の操舵制御における精度を向上させることもできる。
【００１１】
また、本発明の他の特徴は、第２閾値を第１閾値よりも大きく設定した車両の操舵装置において、第１の電動モータの故障時には、回転制御手段が、前記検出された第２の回転角と目標回転角の偏差が第２閾値よりも小さな予め決めた第３閾値以下になるまで第２の電動モータを回転させるようにしたことにある。この場合、第３閾値を第１閾値と同じ値に設定するとよい。
【００１２】
このように構成した本発明の他の特徴においては、第１電動モータに故障が発生して、第２電動モータにより車輪が操舵制御される場合、第２の電動モータの回転角が目標回転角両側の第２の不感帯幅よりも狭い第３の不感帯領域に入った時点で、第２電動モータの回転制御が停止される。したがって、第１電動モータに故障が発生した場合でも、車輪を高精度で操舵制御できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明による車両の操舵装置の一実施形態について説明する。この操舵装置は、図１に示すように、ラックバー１１ａおよびピニオンギヤ１１ｂからなるラック・アンド・ピニオン機構１１を備えている。ラックバー１１ａの両端には、操舵輪としての左右輪（本実施形態の場合には左右前輪）ＦＷ，ＦＷが操舵可能に接続されている。そして、ピニオンギヤ１１ｂの軸線回りの回転により、ラックバー１１ａが軸線方向に変位して、左右輪ＦＷ，ＦＷが左右に操舵される。ピニオンギヤ１１ｂは、その一端に接続された操舵軸１２の軸線回りの回転により同操舵軸１２と一体回転する。
【００１４】
操舵軸１２は、回転駆動機構２０により軸線回りに回転駆動される。回転駆動機構２０は、第１電動モータ２１、第２電動モータ２２および減速機構２３を備えている。減速機構２３は、図２に示すように、ウォームギヤ２３ａと、ウォームギヤ２３ａに噛み合ったホイールギヤ２３ｂとから。ホイールギヤ２３ｂは、操舵軸１２の外周上に一体回転するように組み付けられている。
【００１５】
第１電動モータ２１と第２電動モータ２２はウォームギヤ２３ａの軸線と同軸的に配設され、第１電動モータ２１のロータは、第１回転軸２４を介してウォームギヤ２３ａの一端に一体回転するように接続されている。第２電動モータ２２のロータは、第２回転軸２５、カップリング機構３０および第３回転軸２６を介してウォームギヤ２３ａの他端に一体回転するように接続されている。これらの第１〜第３回転軸２４〜２６およびカップリング機構３０は、第１及び第２電動モータ２１，２２のロータと同軸的に配置されている。
【００１６】
カップリング機構３０は、弾性体を有する回転伝達機構を構成するもので、図３に示すように、円盤状の第１及び第２プレート３１，３２を備えている。第１及び第２プレート３１，３２は、径方向所定位置にて周方向に沿って所定間隔をもって設けた複数の貫通孔３１ａ，３２ａをそれぞれ貫通する複数のボルト３３および各ボルト３３の端部にそれぞれ螺着した複数のナット３４により一体回転するように連結されている。
【００１７】
貫通孔３１ａの内径は、ボルト３３の外径にほぼ等しく設定されており、ボルト３３の外周面は第１プレート３１の貫通孔３１ａの内周面に直接接している。貫通孔３２ａの内径は、ボルト３３の外径よりも大きく形成されている。ボルト３３の外周面上には、円筒状に形成された弾性部材としてゴムブッシュ３５が組み付けられて、同ゴムブッシュ３５は、第２プレート３２の貫通孔３２ａの内周面とボルト３３の外周面との間に介装されている。また、第１および第２プレート３１，３２の各中央部にも貫通孔３１ｂ，３２ｂがそれぞれ形成されている。これらの貫通孔３１ｂ、３２ｂには、第２および第３回転軸２５，２６の端部がそれぞれ一体回転するように勘合されている。
【００１８】
第１および第２電動モータ２１，２２には、第１及び第２ロータリエンコーダ２７，２８がそれぞれ組み付けられている。第１および第２ロータリエンコーダ２７，２８は、第１および第２電動モータ２１，２２の各回転角を検出する回転角センサとしてそれぞれ機能するもので、第１および第２電動モータ２１，２２のロータがステータに対して所定角度だけ回転するごとにローレベルおよびハイレベルを繰り返す２相のパルス列信号からなる回転信号をそれぞれ出力する。なお、この２相のパルス列信号の各位相は、第１および第２電動モータ２１，２２の回転方向を検出可能とするために、互いにπ／２だけずれている。
【００１９】
また、操舵軸１２には、回転角センサ２９が組み付けられている。この回転角センサ２９は、操舵軸１２が中立回転位置（左右輪ＦＷ，ＦＷの中立位置に対応）にあるとき「０」を示し、かつ操舵軸１２の右方向および左方向への各回転角をそれぞれ正および負で示す絶対回転角を検出する。ただし、この絶対回転角は、操舵軸１２の中立回転位置から左右方向への回転角を−１８０度〜＋１８０度の範囲内で表す。
【００２０】
これらの第１および第２ロータリエンコーダ２７，２８および回転角センサ２９は、電気制御装置４０に接続されている。電気制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェースなどを有するマイクロコンピュータによって構成され、図４，５に示すプログラムを実行することにより、第１および第２電動モータ２１，２２の回転を制御する。
【００２１】
この電気制御装置４０には、変位量センサ４１も接続されている。変位量センサ４１は、操作レバー（ジョイスティック）５０の左右方向への変位量を検出して変位量Ｘを表す検出信号を出力する。操作レバー５０は、左右輪ＦＷ，ＦＷを左右に操舵するために中立位置から左右に操作されるもので、運転席近傍に左右に傾動可能に設けられている。なお、変位量Ｘは、操作レバー５０が垂直な中立位置にあるとき「０」を示し、操舵レバー１０の右方向および左方向の操作量を正及び負の値によりそれぞれ示している。
【００２２】
次に、上記のように構成した実施形態の動作を図４，５のフローチャートを参照しながら説明する。運転者がイグニッションスイッチ（図示しない）をオンすると、電気制御装置は、図４の操舵制御プログラムをそれぞれ所定の短時間ごとに繰返し実行し始める。
【００２３】
操舵制御プログラムの実行はステップ１００にて開始され、電気制御装置４０は、ステップ１０２にて変位量センサ４１から操作レバー５０の現在の変位量Ｘを入力する。そして、ステップ１０２にて変位量Ｘに応じて目標回転角θdを決定する。目標回転角θdは、左右輪ＦＷ，ＦＷの操舵角に対応するもので、この目標回転角θdの決定においては、ＲＯＭに設けた回転角テーブルが参照される。この回転角テーブルは、図６に示すように、変位量Ｘの増加に従って増加する目標回転角θdを記憶している。
【００２４】
前記目標回転角θdの決定後、ステップ１０６にて、第１および第２ロータリエンコーダ２７，２８からの各回転信号に基づいて、第１および第２電動モータ２１，２２の実回転角θ1，θ2を計算する。なお、この実回転角θ1，θ2は、左右輪ＦＷ，ＦＷが中立位置にあるときにおける第１および第２電動モータ２１，２２の回転角を「０」で表し、左右輪ＦＷ，ＦＷの右方向および左方向の操舵角に比例した第１および第２電動モータ２１，２２の回転角を正および負の値によってそれぞれ表す。また、これらの実回転角θ1，θ2は、図示しないプログラム処理によって回転角センサ２９によって検出される回転角を用いて零点補正されているので、第１および第２電動モータ２１，２２の各基準回転位置（左右輪ＦＷ，ＦＷの中立位置に対応）からの回転角を正確に表している。
【００２５】
この零点補正について簡単に説明しておくと、第１および第２ロータリエンコーダ２７，２８からの回転信号に基づいて計算される回転角は共に相対的なものである。しかし、左右輪ＦＷ，ＦＷがほぼ中立位置にある状態では、操舵軸１２の回転位置も中立位置近傍にあって、同中立位置からの回転角は−１８０度〜＋１８０度の範囲内にある絶対値の小さな値である。したがって、この操舵軸１２の回転位置が中立位置近傍にあるとき、第１および第２ロータリエンコーダ２７，２８からの回転信号をカウントして第１および第２電動モータ２１，２２の実回転角θ1，θ2を検出するカウント値を、回転角センサ２９によって検出された操舵軸１２の回転角に設定するようにする。なお、前記左右輪ＦＷ，ＦＷの中立位置については、車両の走行状態（例えば、高速直進状態）から検出するようにしてもよいし、左右輪ＦＷ，ＦＷの絶対操舵角を検出する操舵角センサを設けておいてもよい。
【００２６】
前記ステップ１０６の処理後、ステップ１０８にて、前記ステップ１０４の処理により決定した目標回転角θdから前記計算した実回転角θ1，θ2をそれぞれ減算して、第１および第２電動モータ２１，２２の目標回転角θdと実回転角θ1，θ2との各偏差Δθ1，Δθ2をそれぞれ計算する。そして、ステップ１１０のモータ制御ルーチンを実行して、ステップ１１２にてこの操舵制御プログラムの実行を終了する。
【００２７】
モータ制御ルーチンは、図５に詳細に示されており、ステップ２００にてその実行が開始される。この実行開始後、電気制御装置４０は、ステップ２０２，２０４にて第１および第２電動モータ２１，２２が正常であるかをそれぞれ判定する。このステップ２０２，２０４の判定においては、第１および第２電動モータ２１，２２の正常または異常を表すフラグの値がチェックされる。実際の異常判定は、図示しない他のプログラムの実行によって行われて、同他のプログラムの実行によって前記フラグがセットされる。例えば、この異常判定においては、第１および第２電動モータ２１，２２の断線、短絡を含む、正常および異常動作のいくつかの項目がチェックされる。
【００２８】
前記ステップ２０２，２０４にて共に「Ｙｅｓ」すなわち第１および第２電動モータ２１，２２が正常であると判定されると、ステップ２０６〜２１６の処理を実行して、ステップ２３８にてこのモータ制御ルーチンの実行を一旦終了する。ステップ２０６においては、前記計算した第１電動モータ２１に関する偏差Δθ1の絶対値｜Δθ1｜が予め決められた正の小さな第１閾値θa以上であるかを判定する。そして、前記絶対値｜Δθ1｜が第１閾値θa以上であれば、ステップ２０６にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ２０８に進む。ステップ２０８においては、前記偏差Δθ1を表す駆動制御信号を第１電動モータ２１に出力して、第１電動モータ２１を回転制御する。すなわち、前記偏差Δθ1を表す制御信号を用いたフィードバック制御により、第１電動モータ２１の実回転角θ1が目標回転角θdに近づくように、第１電動モータ２１を回転させる。
【００２９】
また、ステップ２１２においては、前記計算した第２電動モータ２２に関する偏差Δθ2の絶対値｜Δθ2｜が予め決められた正の小さな第２閾値θb以上であるかを判定する。なお、この第２閾値θbは、第１閾値θaよりもかなり大きい（θb＞θa）。そして、前記絶対値｜Δθ2｜が第２閾値θb以上であれば、ステップ２１２にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ２１４に進む。ステップ２１４においては、前記偏差Δθ2を表す制御信号を第２電動モータ２２に出力して、第２電動モータ２２を回転制御する。すなわち、前記偏差Δθ2を表す駆動制御信号を用いたフィードバック制御により、第２電動モータ２１の実回転角θ2が目標回転角θdに近づくように、第２電動モータ２２を回転させる。
【００３０】
これにより、第１〜第３回転軸２４〜２６およびカップリング機構３０は、第１および第２電動モータ２１，２２の回転力により、目標回転角θdに向かって軸線回りに回転し、ウォームギヤ２３ａも目標回転角θdに向かって軸線回りに回転する。このウォームギヤ２３ａの回転は、減速されてホイールギヤ２３ｂに伝達され、操舵軸１２も軸線回りに回転する。この操舵軸１２の回転はラック・アンド・ピニオン機構１１によりラックバー１１ａの軸線方向の変位に変換される。そして、このラックバー１１ａの軸線方向の変位により、左右輪ＦＷ，ＦＷが操舵される。
【００３１】
このような第１および第２電動モータ２１，２２の回転制御中、目標回転角θdと第２電動モータ２２の実回転角θ2との偏差Δθ2の絶対値｜Δθ2｜が第２閾値θb未満になると、ステップ２１２にて「Ｎｏ」と判定して、ステップ２１６に進む。ステップ２１６においては、第２電動モータ２２に対する駆動制御信号の出力を停止して、第２電動モータ２２の回転制御を停止する。このとき、第２閾値θbは第１閾値θaよりも大きく設定されているので、目標回転角θdと第１電動モータ２１の実回転角θ1との偏差Δθ1の絶対値｜Δθ1｜が第１閾値θa未満になることはない。したがって、この状態では、第１電動モータ２１は、前記ステップ２０８の処理により目標回転角θdに向かって回転し続け、左右輪ＦＷ．ＦＷは操舵され続ける。
【００３２】
そして、目標回転角θdと第１電動モータ２２の実回転角θ1との偏差Δθ1の絶対値｜偏差Δθ1｜が第１閾値θa未満になると、ステップ２０６にて「Ｎｏ」と判定して、ステップ２１０に進む。ステップ２１０においては、第１電動モータ２１に対する駆動制御信号の出力を停止して、第１電動モータ２１の回転制御を停止する。この状態では、第１閾値θaは正の小さな値に設定されているので、左右輪ＦＷ，ＦＷは目標操舵角に精度よく操舵される。
【００３３】
そして、第２閾値θbが第１閾値θaより大きいことは、第２電動モータ２２の実回転角θ2を目標回転角θdに制御するための不感帯の幅が、第１電動モータ２１の実回転角θ1を目標回転角θdに制御するための不感帯の幅よりも大きいことを意味する。これにより、第１電動モータ２１の実回転角θ1が目標回転角θd両側の第１不感帯領域に入った時点では、第１および第２ロータリエンコーダによる両検出回転角の間に多少の誤差があっても、第２電動モータ２２の実回転角θ2が必ず目標回転角θd両側の第２不感帯領域に納まっている。したがって、第１および第２電動モータ２１，２２の回転制御にハンチングが発生しない。また、第１閾値θaを小さくすることにより、第１電動モータ２１に対する不感帯の幅を狭くできるので、左右輪ＦＷ，ＦＷの操舵制御における精度を向上させることもできる。
【００３４】
また、第２回転軸２５と第３回転軸２６との間には、ゴムブッシュ３５を備えたカップリング機構３０が介装されている。このカップリング機構３０は、ゴムブッシュ（弾性部材）の作用により、第１及び第２電動モータ２１，２２の間の実回転角θ1，θ2のずれが吸収される。したがって、第１および第２閾値θa，θbを共に小さくして第１および第２の電動モータを目標回転角に回転制御するための不感帯の幅を狭くするとともに、第１および第２閾値θa，θbの差を小さくしても、第1および第２電動モータ２１，２２の回転制御にハンチングが発生しない。
【００３５】
一方、第１電動モータ２１は正常であるが、第２電動モータ２２に異常が発生すると、電気制御装置４０は、ステップ２０２，２０４にてそれぞれ「Ｙｅｓ」、「Ｎｏ」と判定して、ステップ２１８以降の処理を実行する。ステップ２１８においては、第２電動モータ２２の回転制御を停止する。そして、前述したステップ２０６〜２１０と同じステップ２２０〜２２４の処理の実行により、第１電動モータ２１の回転を制御する。したがって、この場合には、第１電動モータ２１の回転力のみにより操舵軸１２が目標回転位置まで回転制御されて、左右輪ＦＷ，ＦＷは前記場合と同様に高精度で目標回転角に操舵制御される。なお、この場合は、第１電動モータ２１のみ回転制御されるので、前記ハンチングの問題はない。
【００３６】
次に、第２電動モータ２２は正常であるが、第１電動モータ２１に異常が発生した場合について説明する。この場合、電気制御装置４０は、ステップ２０２にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ２２６にて「Ｙｅｓ」と判定して、ステップ２２８以降の処理を実行する。ステップ２２８においては、第１電動モータ２２の回転制御を停止する。そして、ステップ２３０〜２３４の処理の実行により、第２電動モータ２１の回転を制御する。これらのステップ２３０〜２３４の処理のうち、ステップ２３２，２３４の処理は、前記ステップ２１４，２１６の処理と同じである。しかし、ステップ２３０の判定処理においては、前記計算した第２電動モータ２２に関する偏差Δθ2の絶対値｜Δθ2｜が予め決められた正の小さな第３閾値θc以上であるかを判定する。この第３閾値θcは第２閾値θbよりも小さく（θc＜θb）、例えば第１閾値θaにほぼ等しい。
【００３７】
したがって、この場合には、第２電動モータ２２の回転制御は、偏差Δθ2の絶対値｜Δθ2｜が第３閾値θc以上である限り続行される。そして、第２電動モータ２２の回転力のみにより操舵軸１２が回転制御され、左右輪ＦＷ，ＦＷは操舵制御される。このように、第１電動モータ２１に故障が発生して、第２電動モータ２２のみにより左右輪ＦＷ，ＦＷが操舵制御される場合、第２電動モータ２２の実回転角θ2が目標回転角θd両側の第２閾値θbによる不感帯幅よりも狭い第３閾値θcによる不感帯領域に入った時点で、第２電動モータ２２の回転制御が停止される。したがって、第１電動モータ２１に故障が発生した場合でも、左右輪ＦＷ，ＦＷを高精度で操舵制御できる。なお、この場合も、第２電動モータ２２のみ回転制御されるので、前記ハンチングの問題はない。
【００３８】
さらに、第１および第２電動モータ２１，２２の両方に異常が同時に発生した場合には、電気制御装置４０は、ステップ２０２，２２６にて共に「Ｎｏ」と判定し、ステップ２３６の処理を実行する。ステップ２３６においては、第１および第２電動モータ２１，２２の回転制御を共に停止する。その結果、この場合には、第１および第２電動モータ２１，２２によって左右輪ＦＷ，ＦＷが操舵されることはない。しかし、このような場合に備えて、油圧機構などにより、操作レバー５０の操作に応じて左右輪ＦＷ、ＦＷの操舵は可能となっている。
【００３９】
なお、上記実施形態においては、操作レバー５０の左右への操作に応じて左右輪ＦＷ，ＦＷを左右に操舵するようにしたが、本発明は運転者の操舵操作のための操作部と左右輪ＦＷ，ＦＷとが機械的に繋がれていなければよく、操舵レバー１０に代えて回転式のステアリングホイールを操作部として用いてもよい。この場合、ステアリングホイールの中立位置からの回転角を検出して、この検出回転角を上記実施形態の変位量Ｘに代えて利用するようにすればよい。
【００４０】
さらに、本発明は上記実施形態および変形例に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る車両の操舵装置の概略図である。
【図２】 図１の回転駆動機構部を拡大して示す概略図である。
【図３】 (Ａ)は図１，２のカップリング機構の縦断面であり、(Ｂ)は同カップリング機構の側面図である。
【図４】 図１の電気制御装置によって実行される操舵制御プログラムを示すフローチャートである。
【図５】 図４のモータ制御ルーチンの詳細を示すフローチャートである。
【図６】 操作レバーの変位量に対する電動モータの目標回転角の特性を示すグラフである。
【符号の説明】
ＦＷ，ＦＷ…左右輪、１１…ラック・アンド・ピニオン機構、１２…操舵軸、２０…回転駆動機構、２１、２２…電動モータ、２３…減速機構、２４〜２６…回転軸、２７，２８…ロータエンコーダ、３０…カップリング機構、３１，３２…プレート、３５…ゴムブッシュ、４０……電気制御装置（マイクロコンピュータ）、４１…変位量センサ、５０…操作レバー。

Claims (2)

1. 第１および第２の電動モータと、
   前記第１および第２の電動モータの第１および第２の回転角をそれぞれ検出する第１および第２の回転角検出手段と、
   前記第１および第２の電動モータの回転を制御して同第１および第２の電動モータの回転角を目標回転角に一致させる回転制御手段とを備え、前記第１および第２の電動モータの回転により車輪を操舵する車両の操舵装置において、
   前記回転制御手段が、前記検出された第１の回転角と前記目標回転角の偏差が予め決めた第１閾値以下になるまで前記第１の電動モータを回転させるとともに、前記検出された第２の回転角と前記目標回転角の偏差が前記第１閾値よりも大きな予め決めた第２閾値以下になるまで前記第２の電動モータを回転させるようにしたことを特徴とする車両の操舵装置。
2. 前記第１の電動モータの故障時には、前記回転制御手段が、前記検出された第２の回転角と前記目標回転角の偏差が前記第２閾値よりも小さな予め決めた第３閾値以下になるまで前記第２の電動モータを回転させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載した車両の操舵装置。

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