JP4930190B2 - 建設機械のハイブリッドシステム - Google Patents

Description

本発明は、建設機械のハイブリッドシステムに関する。

建設機械のハイブリッドシステムは、エンジン、フライホイール、アシスト用電動／発電機、油圧ポンプ等から構成される。このような構成のハイブリッドシステムをコンパクトにするため、特許文献１においては、フライホイールハウジング１１の内周面にステータコイル１０を取り付け、フライホイール８の外周面にロータマグネット９を取り付けたり（図１）、特許文献１の他の実施形態においては、フライホイール８の内周面にロータマグネット９を取り付け、ロータマグネット９に対向して、ステータコイル１０を円筒状機枠１２の外周面に取り付けたりして（図２）、軸方向の寸法の増大化を抑制している。

特開２００３−２３５２０８号公報 特開２００５−１５５２５２号公報

特許文献１に示す建設機械のハイブリッドシステムでは、いずれの場合も、フライホイール部分については、ハイブリッドシステム用の専用部品となっている。又、エンジンや油圧ポンプの既存の（ハイブリッドシステムでない）フライホイールへの取付部分についても、その取り合いに変更が生じる等、既存部品を使用することができず、低コスト化が望めない。そのため、ハイブリッドシステムが故障した際には、既存部品とは構成が異なるため、エンジンや油圧ポンプの部品交換がすぐにできない問題もある。

なお、既存のエンジンや油圧ポンプを使用できる建設機械のハイブリッドシステムとして、特許文献２が開示されているが、この場合、電動／発電機のスペースが必要となり、小型化（コンパクト化）することができない。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、既存のシステムを変更すること無く流用でき、システム全体を小型化することができる建設機械のハイブリッドシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る建設機械のハイブリッドシステムは、
エンジンと、前記エンジンの出力軸に接続されたフライホイールと、前記フライホイールに接続された油圧ポンプとを有する建設機械エンジンに対して、
前記油圧ポンプが接続される前記フライホイールの取付穴に、内部が空洞の中空シャフトの内側から取付ボルトを締結して、前記油圧ポンプに換えて前記中空シャフトを接続し、
前記中空シャフトの出力側又は前記中空シャフトの出力側に接続した接続部に、前記フライホイールの取付穴と同じ構成で、前記油圧ポンプを接続する取付穴を設けて、前記油圧ポンプを接続し、
前記エンジン又は前記フライホイールのケースと前記油圧ポンプのケースとを接続する接続ケースを取り付け、
前記中空シャフトの外周面にロータを取り付けると共に、前記接続ケースの内面に前記ロータに対向するステータを取り付けて、
前記建設機械エンジン側の既存の接続構成を変更することなく、前記建設機械エンジンにモータを直接組み付けたことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る建設機械のハイブリッドシステムは、
上記第１の発明に記載の建設機械のハイブリッドシステムにおいて、
前記接続ケースに、前記中空シャフトの出力側の回転軸を回転可能に支持する軸受を設けたことを特徴とする。

第１の発明によれば、建設機械エンジンの出力軸側に、シャフト、ロータ、ステータ及び接続ケースからなるモータ部分を直接接続（ビルトイン）するので、システム全体を小さくすることができる。

第２の発明によれば、モータ部分のシャフトの出力側に軸受を設けるので、建設機械エンジンの振動によるロータの振れを大幅に減少させることができる。

第１〜第２の発明によれば、既存のエンジンや油圧ポンプとの取り合いに対する接続構成を変更することなく、モータ部分を接続しているので、ハイブリッドシステムからエンジンのシステムに戻すことが容易となる。

本発明に係る建設機械のハイブリッドシステムについて、図１〜図６を参照して、その実施の形態を説明する。

最初に、既存の建設機械エンジンの構成を、図１を参照して説明する。
既存の建設機械エンジンは、例えば、建設機械用の車両に組み込まれており、図１に示すように、エンジン（図示省略）と、エンジンの回転数の変動緩和のために、エンジンの出力軸１に接続されたフライホイール２と、フライホイール２に回転軸３が接続された油圧ポンプ（図示省略）とを有している。油圧ポンプの回転軸３は、フライホイール２の取付穴５ａに、接続部４を貫通する取付ボルト５ｂを締結することにより、接続部４を介して、フライホイール２へ接続されている。なお、接続部４としては、高弾性ラバー等を用いることが望ましい。

又、フライホイール２は、フライホイールケース６（又は、エンジンケース）の内部に収容されており、油圧ポンプは、油圧ポンプケース７の内部に収容されており、油圧ポンプケース７は、フライホイールケース６の取付穴８ａに、油圧ポンプケース７を貫通する取付ボルト８ｂを締結することにより、フライホイールケース６へ接続されている。

上記構成の既存の建設機械エンジンに対して、本発明では、既存の建設機械エンジンに何の加工も施すことなく、モータを組み込んでハイブリッドシステムに変更している。ここで、図２を参照して、本実施例の建設機械のハイブリッドシステムを説明する。

本実施例の建設機械のハイブリッドシステムは、図２に示すように、エンジン（図示省略）の出力軸１にフライホイール２を接続し、フライホイール２に内部が空洞の中空シャフト１１（又は、ロータアダプタ）を接続し、中空シャフト１１に油圧ポンプ（図示省略）の回転軸３を接続している。中空シャフト１１は、フライホイール２の取付穴５ａに、中空シャフト１１を貫通する取付ボルト５ｂを締結することにより、フライホイール２へ接続されており、油圧ポンプの回転軸３は、中空シャフト１１に設けた取付穴５ｃに、接続部４を貫通する取付ボルト５ｂを締結することにより、接続部４を介して、フライホイール２へ接続されている。中空シャフト１１の取付穴５ｃは、フライホイール２の取付穴５ａと同じ構成（例えば、同じ位置、同じ取付径）で設けており、又、中空シャフト１１を貫通する取付ボルト５ｂは、接続部４を貫通する取付ボルト５ｂと同じ位置に配置されている。

又、フライホイール２を内部に収容するフライホイールケース６（又は、エンジンケース）と、油圧ポンプを内部に収容する油圧ポンプケース７とは、接続ケース１２により連結されている。具体的には、油圧ポンプケース７は、接続ケース１２に設けた取付穴８ｃに、油圧ポンプケース７を貫通する取付ボルト８ｂを締結することにより、接続ケース１２へ接続されており、接続ケース１２は、フライホイールケース６の取付穴８ａに、接続ケース１２を貫通する取付ボルト８ｂを締結することにより、フライホイールケース６へ接続されている。接続ケース１２の取付穴８ｃは、フライホイールケース６の取付穴８ａと同じ構成（例えば、同じ位置、同じ取付径）で設けられており、又、接続ケース１２を貫通する取付ボルト８ｂは、油圧ポンプケース７を貫通する取付ボルト８ｂと同じ位置に配置されている。

そして、中空シャフト１１の外周面にロータ１３が設けられ、ロータ１３に対向するステータ１４が接続ケース１２の内面に設けられている。このように、フライホイールケース６に接続される接続ケース１２に、ステータ１４を直接的又は間接的に固定し、エンジンの出力軸１に接続される中空シャフト１１に、ロータ１３を直接固定することにより、中空シャフト１１、ロータ１３、ステータ１４、接続ケース１２からなり、アシスト用電動／発電機となるモータ１０を、エンジンに直接組み込む構成としている。

上述したように、図１に示す既存の建設機械エンジンにおいては、フライホイール２の取付穴５ａを用いて、油圧ポンプの回転軸３を接続しているが、図２に示す本実施例の建設機械のハイブリッドシステムにおいては、このフライホイール２の取付穴５ａをそのまま利用して、モータ１０を構成する中空シャフト１１を接続しており、又、中空シャフト１１にも、フライホイール２の取付穴５ａと同じ構成の取付穴５ｃを設け、この取付穴５ｃを用いて、油圧ポンプの回転軸３を接続している。

同様に、ケース部分においても、図１に示す既存の建設機械エンジンにおいては、フライホイールケース６の取付穴８ａを用いて、油圧ポンプケース７を接続しているが、図２に示す本実施例の建設機械のハイブリッドシステムにおいては、このフライホイールケース６の取付穴８ａをそのまま利用して、モータ１０を構成する接続ケース１２を接続しており、又、接続ケース１２にも、フライホイールケース７の取付穴８ａと同じ構成の取付穴８ｃを設け、この取付穴８ｃを用いて、油圧ポンプケース７を接続している。

従って、上記構成により、既存の建設機械エンジンに対しては、何の変更も加えることなく、モータ１０を直接接続（ビルトイン）して、建設機械のハイブリッドシステムを構成することができ、システム全体を小型化することができる。又、エンジンや油圧ポンプに対しては、既存の取付穴を利用することにより、既存の接続構成を変更することなく、モータ１０を接続できるので、エンジンや油圧ポンプ部分が故障しても、既存部品を使用することができ、又、ハイブリッドシステムからエンジンのシステムに戻すことも容易となる。

参考例１

本参考例も、既存の建設機械エンジンに何の加工も施すことなく、モータを組み込んでハイブリッドシステムに変更するものである。図３、図４を参照して、本参考例の建設機械のハイブリッドシステムを説明する。

本参考例の建設機械のハイブリッドシステムは、図３に示すように、エンジン（図示省略）の出力軸１にフライホイール２を接続し、フライホイール２にスプライン接続部２１を接続し、スプライン接続部２１にチェーンギヤ２３を接続し、チェーンギヤ２３の接続部２４に油圧ポンプ（図示省略）の回転軸３を接続している。スプライン接続部２１は、フライホイール２の取付穴５ａに、スプライン接続部２１を貫通する取付ボルト５ｂを締結することにより、フライホイール２へ接続されている。又、チェーンギヤ２３は、スプライン結合部２２によりスプライン接続部２１にスプライン結合されており、油圧ポンプの回転軸３は、チェーンギヤ２３の接続部２４に設けた取付穴５ｃに、接続部４を貫通する取付ボルト５ｂを締結することにより、接続部４を介して、チェーンギヤ２３へ接続されている。チェーンギヤ２３の取付穴５ｃは、フライホイール２の取付穴５ａと同じ構成（例えば、同じ位置、同じ取付径）で設けられており、又、スプライン接続部２１を貫通する取付ボルト５ｂは、接続部４を貫通する取付ボルト５ｂと同じ位置に配置されている。

又、フライホイール２を内部に収容するフライホイールケース６（又は、エンジンケース）と、油圧ポンプを内部に収容する油圧ポンプケース７とは、接続ケース２５により連結されている。具体的には、油圧ポンプケース７は、接続ケース２５に設けた取付穴８ｃに、油圧ポンプケース７を貫通する取付ボルト８ｂを締結することにより、接続ケース２５へ接続されており、接続ケース２５は、フライホイールケース６の取付穴８ａに、接続ケース２５を貫通する取付ボルト８ｂを締結することにより、フライホイールケース６へ接続されている。接続ケース２５の取付穴８ｃは、フライホイールケース６の取付穴８ａと同じ構成（例えば、同じ位置、同じ取付径）で設けられており、又、接続ケース２５を貫通する取付ボルト８ｂは、油圧ポンプケース７を貫通する取付ボルト８ｂ同じ位置に配置されている。

又、接続ケース２５の内部には、その先端に軸受２６を支持する支持部２６ａが複数突設されており、複数の軸受２６により、チェーンギヤ２３の回転軸を、回転可能に支持している。

上記構成により、変速機２０を構成し、変速機２０をエンジン側に直接接続する構成としている。更に、図４に示すように、エンジンの出力軸１とはオフセットした位置に回転軸があるモータを配置しており、変速機２０を介して、エンジンシステムの外部でモータを接続する構成としている。具体的には、変速機２０のチェーンギヤ２３とモータのチェーンギヤ２８をチェーン２７で接続することにより、モータを外部接続している。なお、このようなチェーンによる接続構成に替えて、ベルト及びプーリを用いて、モータを外部接続する構成としてもよいし、複数のギヤを用いて、モータを外部接続する構成としてもよい。

このように、本参考例の建設機械のハイブリッドシステムにおいては、フライホイール２の取付穴５ａをそのまま利用して、変速機２０のチェーンギヤ２３に接続されるスプライン接続部２１を接続しており、又、チェーンギヤ２４の接続部２４にも、フライホイール２の取付穴５ａと同じ構成の取付穴５ｃを設け、この取付穴５ｃを用いて、油圧ポンプの回転軸３を接続している。

同様に、ケース部分においても、フライホイールケース６の取付穴８ａをそのまま利用して、変速機２０を構成する接続ケース２５を接続しており、又、接続ケース２５にも、フライホイールケース７の取付穴８ａと同じ構成の取付穴８ｃを設け、この取付穴８ｃを用いて、油圧ポンプケース７を接続している。

従って、上記構成により、既存の建設機械エンジンに対しては、何の変更も加えることなく、変速機２０を直接接続し、変速機２０により建設機械エンジンの出力軸を外部に導いており、この変速機２０を介してモータを外部接続して、建設機械のハイブリッドシステムを構成することができる。このような構成の場合、仕様に合わせたモータを設定することが容易となり、例えば、変速機２０によりモータ効率が高い回転数でモータを使用することができ、モータを小型化することができる。又、エンジンや油圧ポンプに対しては、既存の取付穴を利用することにより、既存の接続構成を変更することなく、モータを接続できるので、エンジンや油圧ポンプ部分が故障しても、既存部品を使用することができ、又、ハイブリッドシステムからエンジンのシステムに戻すことも容易となる。

本実施例も、既存の建設機械エンジンに何の加工も施すことなく、モータを組み込んでハイブリッドシステムに変更するものである。図５を参照して、本実施例の建設機械のハイブリッドシステムを説明する。

本実施例の建設機械のハイブリッドシステムは、図５に示すように、エンジン（図示省略）の出力軸１にフライホイール２を接続し、フライホイール２に内部が空洞の中空シャフト３１を接続し、中空シャフト３１の出力側の回転軸３５に接続部３６を接続し、接続部３６に油圧ポンプ（図示省略）の回転軸３を接続している。中空シャフト３１は、フライホイール２の取付穴５ａに、中空シャフト３１を貫通する取付ボルト５ｂを締結することにより、フライホイール２へ接続されており、油圧ポンプの回転軸３は、中空シャフト３１の接続部３６に設けた取付穴５ｃに、接続部４を貫通する取付ボルト５ｂを締結することにより、接続部４を介して、中空シャフト３１の接続部３６へ接続されている。中空シャフト３１の接続部３６の取付穴５ｃは、フライホイール２の取付穴５ａと同じ構成（例えば、同じ位置、同じ取付径）で設けられており、又、中空シャフト３１を貫通する取付ボルト５ｂは、接続部４を貫通する取付ボルト５ｂと同じ位置に配置されている。

又、フライホイール２を内部に収容するフライホイールケース６（又は、エンジンケース）と、油圧ポンプを内部に収容する油圧ポンプケース７とは、接続ケース３２により連結されている。具体的には、油圧ポンプケース７は、接続ケース３２に設けた取付穴８ｃに、油圧ポンプケース７を貫通する取付ボルト８ｂを締結することにより、接続ケース３２へ接続されており、接続ケース３２は、フライホイールケース６の取付穴８ａに、接続ケース３２を貫通する取付ボルト８ｂを締結することにより、フライホイールケース６へ接続されている。接続ケース３２の取付穴８ｃは、フライホイールケース６の取付穴８ａと同じ構成（例えば、同じ位置、同じ取付径）で設けられており、又、接続ケース３２を貫通する取付ボルト８ｂは、油圧ポンプケース７を貫通する取付ボルト８ｂと同じ位置に配置されている。

又、接続ケース３２の内部には、その先端に軸受３７を支持する支持部３２ａが複数突設されており、複数の軸受３７により、中空シャフト３１の出力側の回転軸３５を、回転可能に支持している。

そして、中空シャフト３１の外周面にロータ３３が設けられ、ロータ３３に対向するステータ３４が接続ケース３２の内面に設けられている。つまり、フライホイールケース６側に接続される接続ケース３２に、ステータ３４を直接的又は間接的に固定し、エンジンの出力軸１に接続される中空シャフト３１に、ロータ３３を直接固定することにより、中空シャフト３１、ロータ３３、ステータ３４、接続ケース３２からなるモータ３０を、エンジン側に直接接続する構成となる。

このように、本実施例の建設機械のハイブリッドシステムにおいては、フライホイール２の取付穴５ａをそのまま利用して、モータ３２を構成する中空シャフト３１を接続しており、又、中空シャフト３１にも、フライホイール２の取付穴５ａと同じ構成の取付穴５ｃを設け、この取付穴５ｃを用いて、油圧ポンプの回転軸３を接続している。

同様に、ケース部分においても、フライホイールケース６の取付穴８ａをそのまま利用して、モータ３２を構成する接続ケース３２を接続しており、又、接続ケース３２にも、フライホイールケース７の取付穴８ａと同じ構成の取付穴８ｃを設け、この取付穴８ｃを用いて、油圧ポンプケース７を接続している。

従って、上記構成により、既存の建設機械エンジンに対しては、何の変更も加えることなく、モータ３０を直接接続して、建設機械のハイブリッドシステムを構成することができる。又、中空シャフト３１の出力軸３５側に軸受３７を設けて、建設機械エンジンの振動によるロータ３３の振れを大幅に減少させることができ、ロータ３３とステータ３４とのギャップを縮小することができる。なお、本実施例の場合、軸方向の寸法は実施例１の場合より伸びてしまう。又、エンジンや油圧ポンプに対しては、既存の取付穴を利用することにより、既存の接続構成を変更することなく、モータ３０を接続できるので、エンジンや油圧ポンプ部分が故障しても、既存部品を使用することができ、又、ハイブリッドシステムからエンジンのシステムに戻すことも容易となる。

参考例２

本参考例も、既存の建設機械エンジンに何の加工も施すことなく、モータを組み込んでハイブリッドシステムに変更するものである。図６を参照して、本参考例の建設機械のハイブリッドシステムを説明する。

本参考例の建設機械のハイブリッドシステムは、図６に示すように、エンジン（図示省略）の出力軸１にフライホイール２を接続し、フライホイール２にスプライン接続部４５を接続し、スプライン接続部４５に内部が空洞の中空シャフト４１を接続し、中空シャフト４１の出力側の回転軸４７ａに接続部４８を接続し、接続部４８に油圧ポンプ（図示省略）の回転軸３を接続している。スプライン接続部４５は、フライホイール２の取付穴５ａに、スプライン接続部４５を貫通する取付ボルト５ｂを締結することにより、フライホイール２へ接続されている。又、中空シャフト４１は、スプライン結合部４６によりスプライン接続部４５にスプライン結合されており、油圧ポンプの回転軸３は、中空シャフト４１に接続される接続部４８に設けた取付穴５ｃに、接続部４を貫通する取付ボルト５ｂを締結することにより、接続部４を介して、中空シャフト４１の接続部４８へ接続されている。中空シャフト４１の接続部４８の取付穴５ｃは、フライホイール２の取付穴５ａと同じ構成（例えば、同じ位置、同じ取付径）で設けられており、又、スプライン接続部４５を貫通する取付ボルト５ｂは、接続部４を貫通する取付ボルト５ｂと同じ位置に配置されている。

又、フライホイール２を内部に収容するフライホイールケース６（又は、エンジンケース）と、油圧ポンプを内部に収容する油圧ポンプケース７とは、接続ケース４２により連結されている。具体的には、油圧ポンプケース７は、接続ケース４２に設けた取付穴８ｃに、油圧ポンプケース７を貫通する取付ボルト８ｂを締結することにより、接続ケース４２へ接続されており、接続ケース４２は、フライホイールケース６の取付穴８ａに、接続ケース４２を貫通する取付ボルト８ｂを締結することにより、フライホイールケース６へ接続されている。接続ケース４２の取付穴８ｃは、フライホイールケース６の取付穴８ａと同じ構成（例えば、同じ位置、同じ取付径）で設けられており、又、接続ケース４２を貫通する取付ボルト８ｂは、油圧ポンプケース７を貫通する取付ボルト８ｂと同じ位置に配置されている。

又、接続ケース４２の内部には、その先端に軸受４９を支持する支持部４２ａが複数突設されており、複数の軸受４９により、中空シャフト４１の出力側の回転軸４７ａ及び入力側の回転軸４７ｂを、回転可能に支持している。

そして、中空シャフト４１の外周面にロータ４３が設けられ、ロータ４３に対向するステータ４４が接続ケース４２の内面に設けられている。つまり、フライホイールケース６側と接続される接続ケース４２に、ステータ４４を直接的又は間接的に固定し、エンジンの出力軸１に接続される中空シャフト４１に、ロータ４３を直接固定することにより、中空シャフト４１、ロータ４３、ステータ４４、接続ケース４２からなるモータ４０を、エンジン側に直接接続する構成となる。

このように、本参考例の建設機械のハイブリッドシステムにおいては、フライホイール２の取付穴５ａをそのまま利用して、モータ４０を構成する中空シャフト４１を間接的に接続しており、又、中空シャフト４１側の接続部４８にも、フライホイール２の取付穴５ａと同じ構成の取付穴５ｃを設け、この取付穴５ｃを用いて、油圧ポンプの回転軸３を接続している。

同様に、ケース部分においても、フライホイールケース６の取付穴８ａをそのまま利用して、モータ４０を構成する接続ケース４２を接続しており、又、接続ケース４２にも、フライホイールケース７の取付穴８ａと同じ構成の取付穴８ｃを設け、この取付穴８ｃを用いて、油圧ポンプケース７を接続している。

従って、上記構成により、既存の建設機械エンジンに対しては、何の変更も加えることなく、モータ４０を接続して、建設機械のハイブリッドシステムを構成することができる。又、中空シャフト４１の出力軸４７ａ及び入力軸４７ｂに軸受４９を設けたので、建設機械エンジンの振動によるロータ４３の振れを更に大幅に減少させることができ、ロータ４３とステータ４４とのギャップを更に縮小することができる。又、この構成により、モータ４０部分が完全に独立した状態で分離できることになり、その結果、モータ４０部分単体での試験を容易に行うことが可能となる。なお、本参考例の場合も、軸方向の寸法は実施例１の場合より伸びてしまう。又、エンジンや油圧ポンプに対しては、既存の取付穴を利用することにより、既存の接続構成を変更することなく、モータ４０を接続できるので、エンジンや油圧ポンプ部分が故障しても、既存部品を使用することができ、又、ハイブリッドシステムからエンジンのシステムに戻すことも容易となる。

本発明は、建設機械エンジンにモータを組み込んでハイブリッドシステムに変更する際に好適なものである。

既存の建設機械エンジンの概略構成を説明する断面図である。 本発明に係る建設機械のハイブリッドシステムの一例を説明する断面図である。 本発明の建設機械のハイブリッドシステムの参考例を説明する断面図である。 図３に示す建設機械のハイブリッドシステムを説明する図である。 本発明に係る建設機械のハイブリッドシステムの他の一例を説明する断面図である。 本発明の建設機械のハイブリッドシステムの他の参考例を説明する断面図である。

１ エンジンの出力軸
２ フライホイール
３ 油圧ポンプの回転軸
４ 接続部
５ａ、５ｃ 取付穴
５ｂ 取付ボルト
６ フライホイールケース（エンジンケース）
７ 油圧ポンプケース
８ａ、８ｃ 取付穴
８ｂ 取付ボルト
１０ モータ
１１ 中空シャフト
１２ ケース
１３ ロータ
１４ ステータ

Claims (2)

1. エンジンと、前記エンジンの出力軸に接続されたフライホイールと、前記フライホイールに接続された油圧ポンプとを有する建設機械エンジンに対して、
   前記油圧ポンプが接続される前記フライホイールの取付穴に、内部が空洞の中空シャフトの内側から取付ボルトを締結して、前記油圧ポンプに換えて前記中空シャフトを接続し、
   前記中空シャフトの出力側又は前記中空シャフトの出力側に接続した接続部に、前記フライホイールの取付穴と同じ構成で、前記油圧ポンプを接続する取付穴を設けて、前記油圧ポンプを接続し、
   前記エンジン又は前記フライホイールのケースと前記油圧ポンプのケースとを接続する接続ケースを取り付け、
   前記中空シャフトの外周面にロータを取り付けると共に、前記接続ケースの内面に前記ロータに対向するステータを取り付けて、
   前記建設機械エンジン側の既存の接続構成を変更することなく、前記建設機械エンジンにモータを直接組み付けたことを特徴とする建設機械のハイブリッドシステム。
2. 請求項１に記載の建設機械のハイブリッドシステムにおいて、
   前記接続ケースに、前記中空シャフトの出力側の回転軸を回転可能に支持する軸受を設けたことを特徴とする建設機械のハイブリッドシステム。

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