JP4918588B2 - インボリュート転造歯切りされた歯車の歯構成 - Google Patents

Description

この発明は、歯面中で歯元領域の上方の歯面がインボリュートに形成された複数の歯を有する歯車の歯構成（ｔｏｏｔｈｉｎｇ）に係り、歯元作用点と歯底点との間に延在する歯面の歯元領域が垂直断面内で見て楕円形に形成されていて前記歯元作用点において歯面のインボリュート領域に対して接線方向に接合するとともに前記歯底点においては歯底円に対して接線方向に接合する。本発明はさらに、上記のような歯構成を有する歯車ならびに２つのその種の歯車からなる歯車ペアに関する。

その種の楕円形の歯元曲面部を有する歯構成あるいは歯車は従来の技術から既に知られている。

独国特許出願公開第１０２０８４０８号Ａ１明細書（特許文献１）により、互いに当接する歯の歯末と歯元が互いに接線方向に交接し合う楕円状の曲線によって形成されるギアポンプの推進歯車のためのインボリュート歯構成が知られている。その際特に垂直断面内で見て互いに向かい合っている隣接する２本の歯の歯面がその歯元領域において共有の楕円の断片によって形成され、その半短軸が（歯底点を介する放射線によって形成される）対称面内で歯溝を介して延在する。

米国特許第２３８９７２８号明細書（特許文献２）により別のポンプ歯車機構が知られており、それによれば内歯を有する歯車リングとその歯車リングの内歯内において偏心的に回転する内側歯車が示されている。この際外側リングの内歯構成の歯の歯面輪郭線は歯頭領域において楕円によって形成される。この内側歯車の歯構成の形状は歯車の法則に従って計算される。ポンプの回転方向に志向性を付けるために、いずれも内歯の歯を形成するものである楕円の半軸を必要に応じて放射方向に傾けることができ、それによって非対称な歯形とポンプギア構成の回転方向の志向性が達成される。

インボリュート転造歯切りされた歯車においては実用上大抵円形の歯元曲面部を有する歯構成が使用される。勿論独国特許第１９９５８６７０号Ｂ４明細書（特許文献３）には多様な歯車形式との関連において楕円形の歯元曲面部の可能性は記載されているものの、その詳細は記述されていない。実用上においてさらに楕円形の歯元曲面部が転造に際して発生する歯元圧力を低減し得ることが知られており；ここでギア構成の歯元領域の歯面の輪郭線を形成する楕円の半軸は常に歯溝の対称面内に延在する。

独国特許出願公開第１０２０８４０８号Ａ１明細書 米国特許第２３８９７２８号明細書 独国特許第１９９５８６７０号Ｂ４明細書

既に知られている従来の技術の観点から、本発明の目的はより改善された歯元強度を保証する冒頭に述べた種類のインボリュート転造歯切りされた歯車の歯構成を提供することである。

前記の課題は請求項１に記載の歯構成によって解決される。本発明によればその際、垂直断面内で見て実質的に歯の歯面がその歯元領域（すなわち歯元作用点の下側）においてそれぞれ異なった長さの半軸ａとｂからなる楕円形の断片に沿ったものとなり、楕円形の半軸の１つが０°超９０°未満の楕円傾斜角アルファをもって歯底点を介する放射線に対して傾斜する。本発明に係る歯構成によればさらに、いずれも歯の両方の歯面がその歯を軸方向において分割する対称面に関して互いに対称に形成される。従って既に冒頭で述べた歯面の歯元領域の両側の端部上における歯面の輪郭に対する接線条件が選択される楕円の断片または楕円形自体に対する追加要件を成すものとなる。

従って本発明によれば両方の回転方向に同等に回転可能な歯構成が提供される。本発明に係る歯構成の楕円形の歯元領域は垂直断面内においてその上端が歯元作用点により、また下端は歯底点によって仕切られている。

本発明において歯元作用点としては、いずれも垂直断面内で見た歯の歯面においてその上方では歯構成がインボリュートに形成されている点であると理解される。従って歯元作用点は各垂直断面内において、ある歯の歯面輪郭中でその歯と接合するように形成された歯構成と噛み合う最下部の点を成すものである。既知の歯構成パラメータにおいて歯元作用点は当然歯車の法則における最も下の接触点として得られるものであるが、それに代えて例えば傘歯車に関して互いに離間した歯の端部領域内の歯元の隆起部の領域内において一般的なようにインボリュート転造歯切りされた歯面の領域が意図的に短縮される場合には、前記最も下の接触点の上方で任意に選択することもできる。

歯底点としては、垂直断面内で見て歯面の最も下、すなわち半径方向で最も内側の点が理解される。それによって平歯車の場合通常歯車の歯底円が、傘歯車の場合はその傘歯車の歯底円錐が定義される。しかしながら、傘歯車の場合垂直断面内で見た歯底円が歯の全長にわたって歯底円錐と一致する必要はないことに留意すべきであり、その理由は、傘歯車の歯構成がしばしば（特に最大あるいは最少直径を有する歯構成の両端の領域において）歯底輪郭の隆起を有するためである。従って傘歯車においては歯の延長あるいはピッチ円錐距離にわたって所定の領域内に円錐形状から逸脱した歯元の輪郭を有することが可能となる。

隣接する２本の歯の歯面が中間スペース無で直接相互に交接する限り、垂直断面内において歯底点を介する放射線は歯溝の対称軸に相当する。

（前述した歯底点を介する放射線に対して）傾斜した楕円および両方の接線条件によって予め定義された歯元領域の歯面輪郭のため、従来から知られている技術に比べて緩和された歯高にわたっての歯の断面変化が実現され、それによって本発明の特徴である（両方の回転方向に対する）歯元許容支持荷重の上昇がもたらされる。本発明に係る歯構成はこの点において円形の歯元曲面部を有する従来の歯車を上回るばかりでなく、歯底点を介する放射線に対して傾斜する楕円ではなく歯溝内に対称に延在する楕円形の歯元曲面部を有する歯車をも上回るものとなる。

インボリュート転造歯切りされた歯車において、実質的に歯の歯面の歯先領域に垂直に採用する応力が例えばＤＩＮ３９９０またはＩＳＯ６３３６に従って計算することができる歯の歯元領域内の圧力配分を発生させ、それによっても歯元許容支持荷重が決定される。傘歯車においては（ピッチ円錐距離に依存して変化する）歯元圧力を計算するために好適には各垂直断面に対してその際の垂直断面の歯車パラメータを有するいわゆる代替平歯車を使用する。歯元領域においてより高い圧力を有する（それ以外では同じ条件および同じ応力作用である）歯構成はより小さな歯元許容荷重を備えるものとなる。数値計算により、本発明の基礎をなすものである楕円形の歯元曲面部によって既知の従来の歯構成に比べて歯元圧力が全体的により小さくなるか、または歯元領域により小さな圧力極値が発生することが示されている。それによって所要の高められた歯元強度が達成される。

このことは特に、（歯の両方の歯面の対称的な構成のため）歯逆側歯面に対する応力作用にも該当し、従って本発明に係る歯構成からなる歯車ペアの両方の可能な回転方向に対しても有効である。

本発明に係る歯構成の歯元領域の歯面輪郭は、前述したように傾斜した楕円形の断片に“実質的”に沿ったものとなる必要がある。それによって、歯面の歯元領域の正確な楕円軌道の他に（例えば一般的な製造許容誤差によって発生する）僅かな逸脱を含むものとなる。しかしながら、特に楕円形の断片、すなわち楕円形状の弧はその他の任意の数学関数によって近似することもでき、そのような近似も、本発明が請求するものである本発明に従って方向付けられた楕円形の断片から大きく逸脱しないあるいは無視できる程の逸脱である限り、本発明の技術的な教唆に含まれるものとされる。

本発明の第１の好適な実施形態において、（再び歯構成の垂直断面内で見て）歯元領域の歯面を形成する楕円形の２本の半軸のうちの長い方が０°＜アルファ＜４５°の楕円傾斜角度アルファをもって歯底点を介する放射線から各歯面の方向に向かって傾斜する。その際歯構成の歯底点は、一定の半径を有する円形の歯元曲面部においてそれに応じた接線条件に該当する場合に比べて低く位置することが好適である。従って円形の歯元曲面部を有する従来の歯元曲面部に比べて低く位置する歯底点のため、（歯底点から歯先に向かって計測して）より高い歯が形成される。それによって歯先領域内で歯面に垂直に作用する応力がより長いてこ作用力に変換されるものの、歯元領域内の圧力極大値は従来の歯構成に比べて低減される。このことも再び、傾斜した楕円形の断片によって形成される歯の断面の歯元領域がその高さにわたって緩やかに変化することに起因する。より長いてこはさらに別の効果を有し：すなわち幾らか小さい歯のバネ剛性または軽く高められた歯先の沈みが得られる。このことが、より小さな歯元圧力との組み合わせによって噛み合わせ衝撃の作用の低減をもたらし、それによっても歯元許容荷重が高められる。

本発明の別の好適な実施形態によれば、楕円形パラメータ、すなわち楕円形の半軸ａおよびｂの長さならびに楕円傾斜角度アルファは、（所与の歯先領域内の応力作用下での歯構成の設計に際して数値計算される）歯の歯元領域内の最大圧力値が最小化されるように選択する。すなわちその歯構成の歯の歯元領域内の最大圧力値は、数値計算が示すように、選択された楕円形パラメータに依存し、従って楕円形パラメータを適宜に選択することによって歯元許容荷重をさらに高めることができる。その際、楕円形パラメータによって形成される楕円形の断片が歯元作用点および歯底点において接線条件を満たすよう常に留意すべきであることが明白である。歯の歯元領域内に発生する最大圧力の最小化は、例えば楕円形パラメータａ，ｂおよびアルファを適宜な数値範囲内で変化させその際に発生する歯の歯元領域内の圧力配分の計算を変更して実施することができる。それに関して使用される数値計算方法は当業者において周知であり、それによって前述したように可能な限り低い歯元圧力の点に関して最適化された歯元領域の歯面を計算可能である。

さらに、本発明に係る歯構成は、隣接する２本の歯の歯面が中間スペースをおかずに直接相互に交接するように形成し得ることが好適であり、それは互いに向かい合っている歯面の歯底点における接線条件によって可能である。その際、互いに接合する両方の歯の歯面の歯元領域は異なって方向付けられた２つの楕円形の断片によって定義され；それらの楕円形が同じ長さの半軸ａおよび同じ長さの半軸ｂをそれぞれ有し、また（いずれも歯溝を介した対称面から開始して）いずれも同じ角度アルファをもって該当する歯面に向かって傾斜している１本の半軸をそれぞれ有する。

本発明はさらに、本発明に係る歯構成に加えて、本発明に係る歯構成によって形成された歯車、ならびに２つのその種の歯車ら形成された歯車ペアに関する。

本発明に係る歯車は、好適には直線歯切りして形成された平歯車または傘歯車に係るものとし得ることが好適である。しかしながら、特許請求の範囲の教唆はそれに限定されるものではなく、その理由は本発明が原則的に斜め歯切りされた歯車に適用可能であるためである。その場合は垂直断面として斜め歯切り角度に対して垂直な断面を使用する。

本発明に係る歯構成を有する平歯車においては、歯の軸方向の全長あるいは全幅にわたって楕円形の歯面の歯元領域が一定に延在し得ることが好適である。しかしながら、特に歯面が例えば転位の変化によって生成し得る底刃逃げ角等の形式のクラウニングによって形成されるか、またはその他のインボリュート歯面領域に影響を及ぼし得る変化によって形成されている場合に、歯幅にわたった楕円形パラメータの変化も考えられる。その種の変化の領域内においては接線条件を満たすための楕円形パラメータの調節が好適あるいは必須である。変化の種類に応じて、必要であれば１つあるいは複数の楕円形パラメータを適宜に適応させ、その他のものを一定に維持することができる。

それに対して、傘歯車の場合は１つあるいは複数の楕円形パラメータの該当するピッチ円錐距離に対しての適応が必要である。従って本発明の好適な実施形態によれば、本発明に係る傘歯車は、楕円形の半軸ａおよびｂの長さおよび／または楕円形傾斜角度アルファがいずれも隣接する垂直断面のピッチ円錐距離にわたって変化するような方式で形成される。

規則的な歯構成を有する傘歯車においては、前記の適応は比較的に単純に達成することができ、例えば特定のピッチ円錐距離に対して選択された楕円形パラメータを起点として、楕円傾斜角度を歯の全長にわたって一定に選択するとともに該当するピッチ円錐距離内における該当する接線条件を満たすために該当する楕円形の半軸の長さのみを（必要に応じて半軸長さ比ａ／ｂを一定に保持しながら）ピッチ円錐距離に相関して適応させることによって達成し得る。

勿論傘歯構成には歯の延長にわたってピッチ円錐距離に依存して大きくなるピッチ円のみと相関するものではない別の変化が設けられ、従って全ての楕円形パラメータが各ピッチ円錐距離に対して別々に適応させられることが好適である。

そのため歯構成の設計に際してまず特定のピッチ円錐距離に対して楕円形パラメータを決定することが提案されている。その場合各中間領域内において歯元領域内の歯面は（接線条件に留意しながら）例えば一般的な補間法を使用して１つの楕円形の孤から別の楕円形の孤へ徐々に移行させることができる。さらに、中間領域内において歯元領域内の歯面は各ピッチ円錐距離に対して例えば（場合によって線形の）中間領域の境界部上で予め選択された楕円形パラメータの補間から得ることができる正確な楕円形パラメータをそれぞれ予め設定することによっても好適に生成することができる。しかしながらここでも、一方でインボリュートへ、他方で別の歯の歯面あるいは歯溝への歯元の円滑な移行を達成するために、歯元作用点および歯底点における接線条件の充足に留意する必要がある。

具体的な傘歯車の歯構成の構造に応じて、ピッチ円錐距離に依存して（すなわち歯の延長にわたって）歯構成を異なった領域に分割し、それらの中でそれぞれ楕円形パラメータを変化させるための適宜な法則性を求め得るものとすることも好適である。特に楕円傾斜角は特定の領域内で一定に保持し、一方他の領域内ではピッチ円錐距離に依存して変化させることができる。一部の領域内においては半軸長さ比ａ／ｂを一定にすることが有効であり、一方その他の領域内ではピッチ円錐距離に従って（場合によって線形に）変化させることができる。

本発明に係る傘歯車は、歯の延長の少なくとも一部にわたって楕円傾斜角アルファならびに半軸長さ比ａ／ｂの両方が一定である、本発明に係る歯構成を有することが好適である。

本発明に係る歯車はその歯構成の歯元領域の複雑な構造のため好適には成形、例えば鍛造によって製造される。しかしながら、切削による製造も可能である。

次に本発明ついて添付図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明に係る直線歯切りされた平歯車の実施例の歯構成１が垂直断面内において部分的に示されている。２本の歯２，３の歯面輪郭が図示されており、そのうち図１中で右に示された歯３はその歯を軸方向に分割する対称面Ａまでのみが示されている。

歯２，３の歯面４，５，６はいずれも歯元領域７，８，９の上方がインボリュートに形成されており、他方歯元領域７，８，９内の歯面４，５，６の輪郭はいずれもａ＞ｂの半軸ａ，ｂを有する楕円形１０，１１，１２の断片Ｂに相当する。楕円形状に形成された歯面４，５，６の歯元領域７，８，９は上方に向かって、すなわち図１には図示されていない歯車の中央点に関して半径方向外側に向かって、それぞれ歯元作用点１５，１６，１７によって仕切られており、それに対してさらに各歯先１３，１４まで延在する歯２，３の歯面４，５，６のインボリュート領域が接続している。各歯面４，５，６の歯元作用点１５，１６，１７において歯面４，５，６のインボリュート領域と楕円形１０，１１，１２の断片Ｂによって形成されている歯面４，５，６の歯元領域７，８，９が相互に接線状に交接している。歯元領域７，８，９は下方、すなわち半径方向内側に向かっていずれも歯底点Ｆによって仕切られており、そこにおいて歯元領域７，８，９が歯底円ＦＫＳに対して接線方向に接合している。図１にはさらに歯構成のピッチ円ＴＫＳが示されている。

一部は半分のみが図示されている各楕円形１０，１１，１２の異なった長さの半軸ａ，ｂは歯溝内に対称的には延在しておらず、むしろ歯底点Ｆを介した該当する放射線Ｒに対して０°超９０°未満の楕円傾斜角アルファをもって傾斜している。ここでこの放射線Ｒは歯溝を介した歯構成の対称軸を成している。その際楕円形１０，１１，１２のいずれも半長軸ａが、対称軸Ｒを起点にして、その歯元領域が該当する楕円形１０，１１，１２の断片Ｂによって形成される該当する歯面４，５，６の方向に向かって、楕円傾斜角アルファをもって傾斜する。対称軸Ｒと対称軸Ａは図示されていない歯車の中央軸上で交差する。

図１において左側に示されている左側の歯２の歯面４は、歯２の対称面Ａに関して同じ歯２の第２の歯面（逆側歯面）５に対して対称に形成されている。同様に図１において右側に示されている歯３の左側の歯面６は、その歯の対称面Ａに関して同じ歯３の（図示されていない）第２の歯面に対して対称に形成されている。図１には部分的にのみ示されている平歯車のその他の歯は全て同様に形成され、好適には軸方向においては一定の歯面をもって延在している。

図２には本発明に係る直線歯切りされた傘歯車１８の一実施例の縦断面が示されており、それが軸方向に延在する中央軸Ｍ周りの回転体として形成されるとともに多数の歯１９を備えている。傘歯車１８の特性曲線としてさらに歯底円錐ＦＫ、ピッチ円錐ＴＫ、および歯先円錐ＫＫが示されており、それらの延長線が中央軸Ｍ上の共通の点Ｓにおいて全て交差している。しかしながらそのことは不可欠なものではなく、その理由は互いに転がり合う２つの傘歯車の遊び設定のために場合によって歯先円錐または歯元円錐の平行転位が設けられることも可能なためである。

互いに逆向きの歯構成の末端領域２０，２１内において歯元輪郭が隆起しており、従ってそれらの領域内においては歯底円ＦＫＳが歯底円錐ＦＫの半径方向外側に延在している。

図２に示された傘歯車１８を介した断面は正確に歯溝を介して延在し、従って本発明に係る歯構成の歯１９の歯面２２が正面から確認可能である。その際歯元作用点２４の経移がピッチ円錐距離の上に示されている。

歯面２２の輪郭についてはさらに図３ないし図７に示されており、図２中にローマ数字で示された切断線に従った多様なピッチ円錐距離において歯面２２を切断した、ピッチ円錐ＴＫに対して垂直に延在する多様な垂直断面が示されている。ここで図３には断面ＩＩＩ、図４には断面ＩＶ、図５には断面Ｖ、図６には断面ＶＩ、図７には断面ＶＩＩが示されている。

各垂直断面内における歯面２２は（歯面２２が顕著な歯先短縮のため既にその位置にある歯元作用点２４の下側で終止している（図２参照）図３の断面を除いて）歯元作用点２４の上方でインボリュートに形成されている。歯元作用点２４の下方では歯面２２が歯底点Ｆに至るまで常に（いずれも半分のみが示されている）ピッチ円錐距離に依存して変化する半軸ａおよびｂを有する楕円形Ｅの断片Ｂに相当している。各楕円形Ｅの断片Ｂはそれぞれ歯底点Ｆにおいて歯底円ＦＫＳに対して接線状に接合して終止し、また各歯元作用点２４において歯面２２のインボリュート領域に対して接線状に交接している。各楕円形Ｅの長半軸ａは、該当する歯底点Ｆを介した放射線Ｒを起点にしてピッチ円錐距離にわたって変化する０°＜アルファ＜９０°の角度アルファをもって歯面２２の方向に向かって傾斜している。

該当する歯底円ＦＫＳが歯底円錐ＦＫと一致し歯元作用点２４も同様に円錐に沿って延在する、図２の切断線ＩＶとＶの間においては、楕円傾斜角アルファがいずれの垂直断面内においても一定の数値を有する。ここでは該当する楕円形の半軸ａおよびｂの長さのみがピッチ円錐距離に比例して変化し、それによってその半軸長さ比ａ／ｂは一定に保持される。従って図４および図５内の楕円傾斜角アルファも略同等な値を有し；その極僅かな差は、図５の断面が既に歯面２２の領域内で行われていて、そこで歯底点Ｆによって与えられる歯底円ＦＫＳがその位置で既に開始している歯元の隆起のため歯底円錐ＦＫより幾らか半径方向外側に延在する（図２参照）ことによって最終的に理由付けられる。

さらに、歯先２５が歯構成の末端領域において歯先円錐ＫＫに比べて後退している。この後退が無い場合は、（図３、図５、図６、および図７内に点線で示された）歯面輪郭２６が形成される。

図２ないし図７に半分のみが示されている歯の逆側歯面は（対称面Ａに関して）歯面２２に対して対称に形成されている。歯面２２の方向を向いている隣接した歯の歯面は（図１の平歯車の場合と同様に）放射線Ｒによって形成された対称面に関して対称となっている。傘歯車１８のその他の歯も同様に形成されている。

本発明に係る平歯車の歯構成の実施例を垂直断面内で示した断面図である。 本発明に係る傘歯車の一実施例を示す軸方向断面図である。 図２の傘歯車の歯構成を示す垂直断面図である。 図２の傘歯車の歯構成を示す異なった垂直断面図である。 図２の傘歯車の歯構成を示す異なった垂直断面図である。 図２の傘歯車の歯構成を示す異なった垂直断面図である。 図２の傘歯車の歯構成を示す異なった垂直断面図である。

Claims (11)

1. 歯面（４，５，６；２２）中で歯元領域（７，８，９；２３）の上方の歯面（４，５，６；２２）がインボリュートに形成された複数の歯（２，３；１９）を有してなり、
   歯元作用点（１５，１６，１７；２３）と歯底点（Ｆ）との間に延在する歯面（４，５，６；２２）の歯元領域（７，８，９；２３）が垂直断面内で見て楕円形状に形成されていて前記歯元作用点（１５，１６，１７；２３）において歯面（４，５，６；２２）のインボリュート領域に対して接線方向に接続するとともに前記歯底点（Ｆ）においては歯底円（ＦＫＳ）に対して接線方向に接合してなる歯車の歯構成（１）であり、
   垂直断面内で見て歯面（４，５，６；２２）がその歯元領域（７，８，９；２３）においてそれぞれ異なった長さの半軸（ａ，ｂ）からなる楕円形（１０，１１，１２；Ｅ）の断片（Ｂ）に実質的に沿ったものとなり、前記楕円形（１０，１１，１２；Ｅ）の半軸（ａ，ｂ）の１つが０°超９０°未満の楕円傾斜角アルファをもって前記歯底点（Ｆ）を介する放射線（Ｒ）に対して傾斜するとともに、歯構成の歯（２，３；１９）の歯面（４，５，６；２２）が各歯（２，３；１９）を軸方向において分割する対称面（Ａ）に関して互いに対称に形成されることを特徴とする歯構成。
2. 楕円形（１０，１１，１２；Ｅ）の２つの半軸（ａ，ｂ）のうちの長い半軸（ａ）が０°＜アルファ＜９０°の楕円傾斜角アルファをもって歯底点（Ｆ）を介する放射線（Ｒ）から歯面（４，５，６；２２）に向かって傾斜していることを特徴とする請求項１記載の歯構成。
3. 楕円形（１０，１１，１２；Ｅ）の半軸（ａ，ｂ）ならびに楕円傾斜角度アルファは、歯先領域内において歯面（４，５，６；２２）に垂直に作用する所与の応力下において歯の歯元領域内の最大圧力が最小化されるように選択することを特徴とする請求項１記載の歯構成。
4. 隣接する２本の歯（２，３）の互いに向かい合った歯面（５，６）の歯元領域（８，９）がその中間に何らスペースをおかずに直接相互に接線方向に交接することを特徴とする請求項１記載の歯構成。
5. 歯車が平歯車であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の歯車。
6. 平歯車が直線歯切りされたものであることを特徴とする請求項５記載の歯車。
7. 歯車が傘歯車（１８）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の歯車。
8. 傘歯車が直線歯切りされたものであることを特徴とする請求項７記載の歯車。
9. 楕円形（Ｅ）の半軸ａおよびｂの長さおよび／または楕円傾斜角アルファがピッチ円錐距離にわたって変化することを特徴とする請求項７記載の歯車。
10. 歯構成の軸方向の長さの少なくとも一部にわたって楕円傾斜角アルファおよび半軸長さ比ａ／ｂが一定であることを特徴とする請求項７記載の歯車。
11. 請求項５ないし１０のいずれかに記載の２つの歯車からなる歯車ペア。

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