JP4843968B2 - 歯車群を備えた装置、歯車装置、及び歯車装置の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両のフロントワイパを駆動する駆動装置や歯車ポンプなどに使用される歯車装置、及びその歯車装置を含む駆動装置などの装置に係り、歯車の噛合部で発生する振動・騒音を低減可能な装置及びその設計方法に関する。

少なくとも２つの歯車が噛合してなる歯車群を備えた装置としては、例えば特許文献１に記載した歯車ポンプがある。この歯車ポンプでは、互いに噛み合う一対の歯車の共振により発生する騒音・振動を低減するために、当該噛合する一対の歯車の固有振動数を互いに異なる値となるように、一対の歯車の仕様を決定することが開示されている。
ここで、一般には、上記固有振動数は停止状態における固有振動数である。また、上記一対の歯車からなる歯車対（歯車群）は、モータによって駆動されて回転する。
特開２００１−１８２６７０号公報

発明者らが歯車装置について検討した結果、噛合部を構成する歯車群の固有振動数と、歯車を駆動するモータの振動周波数とが一致したときに、歯車が共振して大振幅で振動する現象を確認し、その現象が、歯車の噛合部で発生する騒音・振動に大きな影響を与えることを見出した。
すなわち、歯車群を構成する各歯車の固有振動数を互いに異なる値となるように設計しても、噛合部を構成する歯車群の固有振動数とモータの振動周波数とが一致すると、歯車の噛合部で発生する振動・騒音に悪影響が発生するという課題がある。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、歯車の噛合部における振動・騒音をより低減可能にすることを課題としている。

上述のように、発明者らは、歯車装置について検討した結果、噛合部を構成する歯車群の固有振動数と、歯車を駆動する原動機の振動周波数とが一致したときに、歯車が共振して大振幅で振動する現象を確認した。
さらに、噛合部を構成する歯車群の固有振動数は、歯車作動状態において、（１）歯車の回転に伴い変動すること、（２）歯車に加わる駆動トルクの大きさにより変動すること、を確認し、歯車と原動機の相互の固有振動数を所定の離間周波数幅だけずらして歯車と原動機の相互の固有振動数が一致しないように設定する際に、この２つの変動を考慮しなければならないことを見出した。

そして、本発明は、少なくとも２つの歯車が噛合してなる歯車群と、その歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び前記歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品とを備え、上記歯車群の固有振動数と、前記第一の連結部品及び前記第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数とを異なる値とする歯車群を備えた装置であって、
上記歯車群の固有振動数として、想定される使用条件での歯車作動状態によって変動する歯車群の固有振動数と、前記第一の連結部品及び前記第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数とを一致させないようにしたものである。
なお、上記歯車群の噛合部は、一対の歯車で構成される場合もあるし、３個以上の歯車が噛合することで構成される場合もある。
また、一つの歯車装置内に複数の歯車群が有る場合もある。

本発明によれば、歯車群の固有振動数と、歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数とを異ならせ、その際に、作動による歯車群の固有振動数の変動を考慮することで、歯車の噛合部からの振動・騒音をより有効に低減することが可能となる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本実施形態では、少なくとも２つの歯車が噛合してなる歯車群を備えた装置として、車両のフロントガラス用のワイパを駆動する駆動装置を例示する。
この駆動装置を備えたワイパシステム例は、図１に示すように、駆動装置であるモータユニット３がワイパフレーム４に搭載され、該ワイパフレーム４が複数個のゴムマウントを介して車体に支持される。そして、モータユニット３からのトルクがワイパアーム５に伝達されることで当該ワイパアーム５が往復運動をしてフロントガラスを拭く。

上記モータユニット３は、図２に示すように、モータ１と、減速機を構成する歯車列２とから構成される。本実施形態の歯車列２は、２段減速の歯車列であって、モータ１の駆動軸に同軸に連結してトルクが伝達されるウォーム歯車６と、ウォーム歯車６を挟んで配置され大径側の歯車７ｂをウォーム歯車６に噛合する２つの段つき歯車７（以下カウンタ歯車）と、該２つのカウンタ歯車７の小径側の歯車７ａに噛合する出力歯車８とを備えて構成され、モータ１が駆動することで、上記２つのカウンタ歯車７を並列回転させ、これ２つのカウンタ歯車７が１つの出力歯車８を同期して回転させ、その出力歯車８の回転を上記ワイパアーム５に伝達してワイパアーム５が作動する。図３に、２つの歯車の噛合部の拡大図を示す。

ここで、上記歯車列２は歯車群を構成する。なお、本実施形態では、歯車列２全体を歯車群とした場合を例示して説明する。ただし、ウォーム歯車６とカウンタ歯車７とで一つの歯車群とし、カウンタ歯車７と出力歯車８とで１つの歯車群として、それぞれの歯車群毎に固有振動数を別々に調整しても良い。
また、上記歯車は、ウォーム歯車６を除いて樹脂製として、金属製歯車を採用した場合に比べて噛み合い時の衝撃荷重を低減して低騒音化を図っている。なお、この２段減速の歯車列２は、モータユニット３の小型化を主目的とする一方、音振的観点からは、異音の発生要因となるウォーム歯車６のスラスト方向変位を相殺する効果もある。

上記構成では、歯車群である歯車列２に連結する連結部品としては、モータ１及びワイパアーム５（歯車列２とワイパアーム５とを連結するリンク部材を含む）があるが、本実施形態では、連結部品として振動・騒音への影響が大きなモータ１に着目して歯車列２の諸元を設定する場合を例示する。ここで、モータ１が第一の連結部品に対応し、ワイパアーム５（歯車列２とワイパアーム５とを連結するリンク部材を含む）が第二の連結部品に対応する。
ここで、一般的に歯の撓みによって歯の剛性は変化し、特に変形量が大きい樹脂製歯車では剛性変化が顕著である。その結果、歯車列２で構成される歯車群の固有振動数（以下、単に、歯車列２の固有振動と呼ぶ場合もある。）は、歯の撓み量、すなわち歯車に負荷するトルクに応じて変化し易い。すなわち、停止時における歯車列２の固有振動数と、作動状態での歯車列２の固有振動数が異なり、上述のように変形量が大きな樹脂製歯車を一部若しくは全部に使用した歯車列２の固有振動数の歯車作動による変動幅が大きくなる。

図４に、歯車列２に負荷されるトルク（Ｎ・ｍ）と、歯車列２の固有振動数との関係を示す。歯車列２に負荷されるトルクやそのときの固有振動数は、使用条件や歯車の諸元によって変わるものであるが、図４から分かるように、歯車列２に負荷されるトルクによって歯車群の固有振動数は変化し、歯車に負荷するトルクが大きくなる程、歯車列２の固有振動数は高くなる。

また、ワイパシステムでは、ワイパアーム５が１往復する間に、歯車列２に負荷されるトルクは変動する。したがって、ワイパアーム５が１往復する際の歯車列２に負荷されるトルクの最大値及び最小値の範囲で上記歯車列２の固有振動数は変化し、その歯車列２の固有振動数の最大値及び最小値の間、つまり使用条件に応じて歯車列２の取り得る固有振動数が、モータ１の振動周波数と一致しないように、当該歯車列２の固有振動数の最大値及び最小値の少なくとも一方を選定する。つまり、使用条件において確実に歯車列２の固有振動数が、その選定した最大値が前記モータ１の振動周波数よりも小さく、若しくは選定した最小値が前記モータ１の振動周波数よりも大きくなるように、各歯車の歯車諸元を設定する。上記固有振動数の調整は、各歯車の歯数、歯幅、材質を変更することで調整可能である。すなわち、歯の剛性が高くなるほど固有振動数が高くなり、剛性が低くなるほど固有振動数は低くなる。

具体的には、停止時における歯車列２の固有振動数が、モータ１の振動周波数よりも大きいかどうかを検討する。
停止時における歯車列２の固有振動数が、モータ１の振動周波数よりも大きいと判定した場合には、モータ１の振動周波数よりも所定の離間周波数幅だけ大きな値を歯車列２の固有振動数の最小値とする。そして、例えば、歯車列２に負荷されるトルクが通常使用状態における最小値のときの作動状態における歯車列２の固有振動数が、上記最小値若しくはそれ以上となるように、各歯車の諸元を設計する。

一方、停止時における歯車列２の固有振動数が、モータ１の振動周波数よりも小さいと判定した場合には、モータ１の振動周波数よりも所定の離間周波数幅だけ小さな値を歯車列２の固有振動数の最大値とする。そして、例えば、歯車列２に負荷されるトルクが通常使用状態における最大値のときの作動状態における歯車列２の固有振動数が、上記最大値若しくはそれ以下となるように、各歯車の諸元を設計する。

また、上記減速機のカウンタ歯車７、すなわち図５に示すような、段つき歯車（上段下段で歯数と径が異なる）では歯車列２の固有振動数を上げるには、小径側７ａの径ｄを大きくすれば見かけ上の剛性が大きくなり、結果的に固有振動数も大きくする事が出来る。この場合には、小径側７ａを大きくするので、歯車の固有振動数を大きくしても減速機全体の大きさはそのままの大きさに維持できる。

また、歯車列２では歯の剛性が直列結合となることから、歯車の数によっても固有振動数は変化する。固有振動数に応じた数の増減でチューニングする事も可能である。
また、複数の歯車で構成される歯車列２の場合、対となるどちらかの歯車を金属製とすることで、固有振動数を大きくする事が出来る。この場合、どちらかは必ず樹脂製とすることで、金属製の弊害である歯打ち音などの懸念は発生しない。
また、各歯車間の固有振動数も異なるように設定する。

上記構成の作用・効果等について説明する。
作動による歯車列２の固有振動数の変動幅を考慮しないで、他の連結部品との離間周波数幅を決めた場合、例えば、停止時における歯車列２の固有振動数とモータ１の振動周波数とが所定の離間周波数幅だけ異なるように歯車の諸元を設定した場合には、その離間周波数幅よりも歯車固有振動数の変動幅が大きい場合に、共振現象が発生して騒音・振動が大きくなる作動領域が存在するおそれがある。しかしながら、本実施形態では、作動時における歯車列２の固有振動数の変動を考慮しているため、確実に騒音・振動を低減することができて、共振による騒音・振動が発生する作動領域を低減若しくは無くすことが可能となる。

また、上記のように停止時における歯車列２の固有振動数だけに基づいて共振を回避しようとすると上記離間周波数幅を大きく取る必要が生じるが、本実施形態では、そのようなことが回避され、その分、設計自由度が向上する。
なお、上記実施形態では、歯車列２に連結する連結部品として原動機であるモータ１のみを考慮しているが、ワイパアーム５（歯車列２とワイパアーム５とを連結するリンク部材を含む）の固有振動数も考慮して、上記作動時における歯車列２の固有振動数の最大値や最小値を決めても良い。ただし、歯車列２と直結するモータ１は、起振源であって、かつ、直接に歯車列２と連結するため、歯車列２の固有振動数に及ぼす影響が大きい。したがって、主として原動機であるモータ１と歯車列２との固有振動数を異なる値とすると、振動低減効果が大きい。

ここで、歯車列２の固有振動数の最大値及び最小値は、歯車群を含む装置の１動作、本実施形態では、ワイパアーム５が１往復する間における、歯車に負荷されるトルクの最大値若しくは最小値となるときの状態における当該歯車列２の固有振動数を使用すればよい。
歯車列２の固有振動数が変動する主要因は、歯車に加わる回転トルクの大きさによる変動である。従って、上記のようにして決定すれば、歯車列２の固有振動数が変動することを考慮した最大値あるいは最小値を正確に決めることができる。

また、離間周波数幅は、モータ１の回転周波数が大きくなるにつれて大きくなることが好ましい。モータ１の回転が増加するにともない、歯車列２で振動・騒音は、周波数ととともに、その大きさも増加する。従って、振動・騒音低減のために必要な離間周波数幅を、モータ１の回転が増加するほど大きくすることで、より共振をし難くすることにより、振動・騒音の増大による悪化分を打ち消すことができる。

ここで、歯車列２の固有振動数が、原動機の回転周波数より大きい値である場合には、モータ１の回転が増加するにともない、歯車が発生する振動・騒音は、周波数ととともに、その大きさも増加する。従って、振動・騒音低減のために必要な離間周波数幅は、モータ１の回転が増加するほど大きくなる。ところで、歯車列２の固有振動数は、歯車に加わる回転トルク＝モータ１の回転トルクが大きくなるにつれて、高くなる。またモータ１の回転周波数と回転トルクとは正の関係にある。従って、モータ１の回転周波数が大きくなるにつれて、歯車列２の固有振動数も高くなる。以上より、歯車列２の固有振動数をモータ１の回転周波数より大きい値に設定しておくと、回転数が大きくなるにつれて歯車列２の固有振動数が高くなって、離間周波数幅も自然に大きくなるため、振動・騒音が大きい回転周波数が大きい領域でも、振動・騒音を適切に低減できるという効果を得ることができる。 そして、この場合には、離間周波数幅を調節する装置を新規に設ける必要がない。

次に、積極的に作動時における歯車列２の固有振動数を調整、つまり離間周波数幅を調整する離間周波数調整手段の一例について説明する。
図６に示すように、カウンタ歯車７をテーパ付歯車とする。そして、図７に示すように、トルクセンサにてカウンタ歯車７に負荷されるトルクを検出し、そのトルクに応じてアクチュエータを作動してカウンタ歯車７を軸方向に変位させることで、ウォーム歯車６との噛み合いを変化、具体的には図７では前進させることで、噛み合いを強くする。噛み合いを強くするほど、図８のように、噛合部における接触力が大きくなり、その結果、歯車同士の接触状態が点接触から面接触状態に移行して接触剛性が大きくなり、もって固有振動数が上昇する。これによって、離間周波数幅を調整可能となる。上記離間周波数の調整に、ウォーム歯車６に負荷されるトルクを使用しているが、これに限定されない。例えば、モータ１のトルクや回転数に基づき調整してもよい。

ここで、本実施形態ではワイパの駆動装置に適用した例を示しているが、これに限定されない。ギアポンプなど、少なくとも２つの歯車が噛合する歯車群を備え、その歯車群に入力されるトルクが（周期的に）変動するものであれば、本発明は好適に適用可能である。
また、上記実施形態では、歯車列２の諸元を調整して、歯車列２の固有振動数と連結部品の固有振動数若しくは振動周波数とが一致しないようにする場合を例示しているが、連結部品側の仕様を調整して、歯車列２の固有振動数と連結部品の固有振動数若しくは振動周波数とが一致しないようにしても良い。

図９のように、歯車列２の固有振動数が変化していって起振源周波数と一致すると歯車の噛合部での騒音振動が大きくなる。
モータ１の回転に伴う振動は、各歯車に伝達する過程で、歯車の歯数、伝達した歯車の数によって変化する。従って、減速機（歯車列２）における起振源周波数（モータ１の振動周波数）は、歯車例の位置によって異なり、複数個存在する。例えば、ウォーム歯車６、及び出力歯車８の位置で発生する起振源周波数は、それぞれ下記（１）（２）で求まる。

よって、起振源周波数と歯車列２の固有振動数との差である離間周波数幅を決める際には、例えば、複数個ある起振源周波数のうち、停止状態での歯車列２の固有振動数と最も近いものを選択して、上記離間周波数幅を求める。勿論、全ての起振源周波数を考慮しても良い。
そして、固有振動数の歯車列２の作動時における変動分を考慮して、起振源周波数と歯車列２の固有振動数との差である「離間周波数幅」を決定することで、歯車列２の歯車が変形して上記固有振動数が変動しても、起振源周波数と固有振動数の一致を回避出来る。

図１０のように、歯車列２の諸元やワイパアーム５に伝達されるトルクなどの設計が決まれば、歯車列２に負荷されるトルクの最大値や最小値から、歯車列２の固有振動数の最大値や最小値が決定できるわけであるが、例えば、停止時における歯車列２の固有振動数が上記起振源周波数よりも下側にあると判定した場合には、作動による歯車列２の固有振動数の最大値と起振源周波数との差が所定の離間周波数幅となるように、歯車列２の諸元を調整する。

このようにすると、図１０に示すタイムチャートのように、ワイパアーム５の往復運動に伴いワイパアーム５が１往復する際に、歯車列２に負荷されるトルクが変動しても、起振源周波数と歯車列２の固有振動数とが一致することが回避される。なお、図４では、モータ１の回転数が一定と仮定したものである。起振源周波数は、モータ１の回転数によって変化する値である。したがって、上記負荷されるトルクが最大となるときの起振源周波数と歯車列２の固有振動数の最大値との差が所定の離間周波数幅となるように設定する。
この図１０のような場合には、従来のように停止時における歯車列２の固有振動数よりも上記と同じ幅で離間周波数幅を設定したとすると、ワイパアーム５が往復する際に歯車列２の固有周波数と起振源周波数とが一致して音振が悪化する作動領域が存在することになる。

次に、停止時における歯車列２の固有振動数が起振源周波数よりも大きい場合について説明する。
図４から分かるように、回転数が上がり負荷されるトルクが上昇する領域では、歯車列２の固有振動数も追従して上がっていく。このとき、停止時における歯車列２の固有振動数が起振源周波数よりも大きい場合には、歯車列２の固有振動数の最小値が、起振源周波数よりも所定の離間周波数だけ大きくなるように設定される。

したがって、図１１に示すように、回転数の変動に伴い、起振源周波数及び歯車列２の固有振動数が追従して同じように変動することで、歯車列２の固有振動数と起振源周波数との一致を回避することができる。そして、あるモータ１の回転数において、歯車列２の固有振動数をモータ１の回転周波数よりも大きい値に設定しておけば、モータ１の回転数が変化しても、すべてのモータ１の回転数において歯車列２の固有振動数と起振源周波数との一致を回避することが可能となる。

ここで、停止時におけ固有振動数が起振源振動数よりも上にあると判定したときに、上記実施形態の構成の減速機において、図１２に示すように、カウンタ歯車７の歯数を減らして、１枚辺りの歯幅ｗ、ｔを大きくして剛性を向上させることで、歯車列２の固有振動数の最小値を起振源周波数よりも大きくした。その結果、図１３のように、発生する振動レベル（ギアノイズ）を低減することが出来た。
なお、歯幅を大きくすることは、その他性能（耐久性）に対しても効果的であるので、本来性能とのトレードオフは無い。

本発明に基づく実施形態に係るワイパシステムを示す模式図である。 本発明に基づく実施形態に係るモータユニットを示す図である。 本発明に基づく実施形態に係る歯車の噛合を示す図である。 負荷されるトルクと固有振動数との関係を示す図である。 段付き歯車を示す模式図である。 テーパ付歯車を示す模式図である。 固有振動数を調整する構成を示す図である。 噛み合いの変化を示す図である。 周波数と振幅との関係を示す図である。 歯車列の固有振動数よりも起振源周波数が大きい場合を説明する図である。 歯車列の固有振動数よりも起振源周波数が小さい場合を説明する図である。 歯幅（ｗ、ｔ）を変化する場合の例を示す図である。 歯幅を変更した効果を示す図である。

符号の説明

１ モータユニット
２ モータ
３ 歯車列（歯車群）
６ ウォーム歯車
７ カウンタ歯車
８ 出力歯車

Claims (11)

1. 少なくとも２つの歯車が噛合してなる歯車群と、その歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び前記歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品とを備え、上記歯車群の固有振動数と、前記第一の連結部品及び前記第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数とを異なる値とする歯車群を備えた装置であって、
   歯車の剛性及び歯車同士の接触力の少なくとも一方を調整することにより、
   上記歯車群の固有振動数として、想定される使用条件での歯車作動状態によって変動する歯車群の固有振動数と、前記第一の連結部品及び前記第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数とを一致させないことを特徴とする歯車群を備えた装置。
2. 少なくとも２つの歯車が噛合する歯車群からなる歯車装置において、
   想定される使用条件での歯車作動により変動する当該歯車群の固有振動数の変動の範囲内の振動数に、上記歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び前記歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数が、一致しないように歯車群の仕様を設定し、
   歯車の剛性及び歯車同士の接触力の少なくとも一方を調整することで、歯車群の固有振動数を調整することを特徴とする歯車装置。
3. 上記歯車の少なくとも一つは樹脂製であることを特徴とする請求項２に記載した歯車装置。
4. 歯車群の固有振動数と、当該歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び前記歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数とを所定離間周波数幅だけ異なる値として、歯車群の固有振動数と、上記歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び前記歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数との一致を回避する歯車装置において、
   上記歯車群の固有振動数として、想定される使用条件での歯車作動状態における上記歯車群の固有振動数の最大値及び最小値の少なくとも一方を、前記第一の連結部品及び前記第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数よりも小さく若しくは大きくすることを特徴とする請求項２又は３に記載した歯車装置。
5. 上記歯車群の固有振動数の最大値及び最小値は、当該歯車群に伝達されるトルクが最大若しくは最小となるときの値であることを特徴とする請求項４に記載の歯車装置。
6. 上記第一の連結部品は、歯車群にトルクを伝達する原動機であることを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１項に記載した歯車装置。
7. 上記歯車群の固有振動数を、原動機の回転数が大きくなるほど大きくする離間周波数調整手段を備えることを特徴とする請求項６に記載した歯車装置。
8. 上記離間周波数調整手段は、上記歯車群の固有振動数を、原動機の固有振動数若しくは振動周波数より大きい値に設定することでなることを特徴とする請求項７に記載した歯車装置。
9. 上記離間周波数調整手段は、２つの歯車のうち、一方の歯車をテーパ付歯車で構成し、当該一方の歯車を軸方向に変位させて、他方の歯車との接触力を大きくすることで、前記歯車群の固有振動数を大きくすることを特徴とする請求項７又は８に記載の歯車装置。
10. 上記歯車群を構成する各歯車の固有振動数を互いに異なる値にすることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載した歯車装置。
11. 少なくとも２つの歯車が噛合する歯車群からなる歯車装置の設計方法であって、歯車群の固有振動数と、当該歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び前記歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数とを所定離間周波数幅だけ異なる値として、歯車群の固有振動数と当該歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び前記歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数との一致を回避する歯車装置の設計方法において、
    想定される使用条件での歯車作動による当該歯車群の固有振動数の変動量を考慮して、作動停止状態における歯車群の固有振動数と上記歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び前記歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数とを比較して、
    作動停止状態における歯車群の固有振動数の方が大きい場合には、想定される使用条件での歯車作動による当該歯車群の固有振動数の最小値を、当該歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び前記歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数よりも所定離間周波数幅だけ大きな値に設定し、
    作動停止状態における歯車群の固有振動数の方が小さい場合には、想定される使用条件での歯車作動による当該歯車群の固有振動数の最大値を、当該歯車群の駆動側に連結する第一の連結部品、及び前記歯車群の被駆動側に連結する第二の連結部品の少なくとも一方の固有振動数若しくは振動周波数よりも所定離間周波数幅だけ小さな値に設定する、
    ことを特徴とする歯車装置の設計方法。

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