JP6247753B2 - 繊維強化材料からなる補強部材を有する自動車のアクスルキャリア - Google Patents

Description

本発明は、自動車のアクスルキャリアに係り、繊維強化部材（繊維で一体化された部材）として形成されかつ少なくとも概ね面状の補強部材を有するアクスルキャリアであって、前記補強部材がアクスルキャリアの複数の単体キャリアに固定されているアクスルキャリアに関する。従来技術については、特に特許文献１を参照されたい。その他には、特許文献２が、面状の補強部材（その文献内では“せん断パネル（Ｓｃｈｕｂｆｅｌｄ）”とも称される。）を有する自動車アクスルキャリア（その文献内では“補助フレーム”とも称される。）の他の例として挙げられよう。

自動車においては、衝突事故（事故、障害物への追突や障害物との衝突）のとき、アクスルキャリアに、つまりはフロントアクスルキャリアとリアアクスルキャリアに、強い力が作用し、これが各アクスルキャリアの変形と部分的な破壊に、さらには、それに伴い場所により、それに連結されたボディの変形と部分的な破壊にもつながる可能性がある。そのため、自動車の衝突安全性を高める目的で、補強部材−いわゆるせん断パネル−が、アクスルキャリアと接続され、好ましくは（取り外し可能に）ネジ止めされる。このせん断パネルは、比較的高い剛性とねじり剛性を有し、衝突の衝撃を適切にアクスルキャリア内で分散し且つ／又はそれとともに自動車の構造へと逃がすことができる。このような従来の補強部材は、金属材料から、それも特に鋼やアルミニウムから製造されるため、自動車はかなり重くなる。これを避けるために、繊維強化材料（繊維一体化材料）から（あるいは、繊維によって強化されたプラスチックから）なる或いはそれから製造される面状のアクスルキャリア補強部材が既に提案されている。

独国特許出願公開第１０２００８００６００６号明細書 欧州特許第０９４１９１２号明細書

こうして、請求項１の上位概念に係る車両アクスルキャリアの上記の如き繊維強化補強部材を、機械的な特性に関して、それも特に車両衝突事故時の特性に関していかにすればもっと向上させることができるかを示す必要がある（これが本発明の課題である。）。

この課題の解決手段は、補強部材が多層的に形成され、下側のカバー層と上側のカバー層の他に、当該カバー層のように少なくとも略全面的に拡がる中間層を備え、この中間層の上と下に、所定方向に揃えられた繊維を有する連続繊維帯が取り付けられている点にある。有利な他の発展形態が下位請求項の内容である。

本発明による補強部材は、少なくとも略面状の繊維強化部材の態様で作られ、車両アクスルキャリアに組み込まれた状態で車両構造側に面した補強部材の上面（上側カバー層）と、道路側に面した補強部材の下面（下側カバー層）との間において、所定方向に向けられた連続繊維帯が繊維強化材料内に一体化されてなる。その場合において、下側の（したがって、上記下側カバー層に隣接した）繊維帯の層（複数の個別の繊維帯から形成されている。）と、上側の（したがって、上記上側カバー層に隣接した）繊維帯の層（複数の個別の繊維帯から形成されている。）とが、中間層（カバー層と実質的に一致する形状とされている。）と称される層によって互いに隔てられた構成とされている。その結果、上記両カバー層と上記中間層は、大部分に亘って、つまりアクスルキャリアの略全体の（道路に対して平行な）面積に亘って拡がっている一方で、それらの間に位置している本発明による繊維帯は、車両交差方向（車両横手方向）に測った（複数の）カバー層の幅寸法や車両長手方向に測った（複数の）カバー層の長さ寸法に比べてかなり幅狭とされているが、それでも繊維帯は、車両交差方向に着目すると、アクスルキャリアの一方の長手キャリア（Ｌａｅｎｇｓｔｒａｅｇｅｒ）から他方の長手キャリア（Ｌａｅｎｇｓｔｒａｅｇｅｒ）（通常、これらの長手キャリアに補強部材が固定されている。）までは少なくとも必ず延在している。

周知のように、車両アクスルキャリアは、それぞれ少なくとも略車両長手方向に延びる左側及び右側の長手キャリアからなり、これらの長手キャリアが、略車両交差方向に延びる少なくとも一つの、好ましくは複数の横手キャリアによって互いに接続されている。これらのキャリアは、アクスルキャリアの単体キャリアとも称される。

ここで、所定方向に向けられた連続繊維帯について先に触れた考え方を説明する。以下では、最終的にプラスチック材料と一緒に上記繊維から形成されるバンド（帯）を問題とし、そのバンドの繊維は、所定目的に適うように整列されている（つまりバンドの長手方向に揃えられている。）。その場合において、繊維には、一般に言われる連続繊維が用いられる。このようなバンドないし連続繊維帯が、その交差方向に着目すると、補強部材の幅寸法や長さ寸法よりも概ね幅狭といえることは、既に先の段落にて述べた。本発明によるアクスルキャリア補強部材において、補強部材に亘って全面的に拡がるカバー層と、少なくとも略このカバー層と同様に、面状の補強部材に亘って少なくとも略全面的に拡がる中間層との間に、少なくとも二つの（あるいはさらに幾つかの）上記の如き連続繊維帯が設けられ、これらの連続繊維帯は、全てを合わせて見ても補強部材の全面に亘っては拡がっていない構造を形成するように配置されている。例えば、連続繊維帯は、互いに平行かつ隣同志で直に堺を接するように隣接して配置されているのではない。むしろ、これらの連続繊維帯は、これら連続繊維帯が補強部材を意図したとおりに強化するよう配置されている。

連続繊維帯の配置及び／又は整列方向に関して言えば、連続繊維帯は、（通常のような）少なくとも略矩形状の補強部材内で、少なくとも略その二本の対角線に沿って延在しかつその帰結として交差する。これにより、特にアクスルキャリアに向かって車両長手方向には導かれない力（例えば、車両軸線に対して斜めの衝突のため）が、できる限り最良の状態で受け止められ、さらにその先に伝達される。さらに提案事項として、連続繊維帯は、車両に取り付けられた補強部材上に垂直投影して見たときに、アクスルキャリアの少なくとも一つの単体キャリア、例えばアクスルキャリアの長手キャリア及び／又は横手キャリアと少なくとも概ね一致する。これにより、アクスルキャリアの単体キャリアと、これに固定された面状の繊維強化材料補強部材との間に、とりわけ集中的な強化ないし力の伝達が生まれる。

その他、本発明の有利な実施形態において、上記のカバー層及び／又は上記の中間層もまた、所定方向に向けられた、つまりは所定方向に目的に適うように整列させられ又は方向性が与えられた繊維を有して形成されていてもよい。この場合、効率的な力の伝達の観点からは、下側カバー層も上側カバー層も、それら自身は、所定方向に向けられた二つの繊維の層からそれぞれ形成することができ、それらの繊維は、車両長手軸線に対して４５°の角度をなして交差状態でそれぞれ延在する一方、中間層の同じく好ましい連続繊維は、概ね車両交差方向に延在する。これまで述べてきたカバー層内や中間層内の繊維方向に代えて、これらの層に、目的をもって整列されてはいない長繊維や短繊維を含む好ましくはリサイクルされた材料からなるランダムな繊維のマットも用いることができる。

本発明による繊維強化補強部材は、繊維強化部材のように、一般に従来の金属製部材に比して本来的な重さがかなり削減される。優れた剛性、強度及び高いねじり剛性が部材にもたらされるように、本発明により、複数の連続繊維帯（それ自身はそれぞれがカバー層に対して幅狭である。）が補強部材内に組み込まれている。所定方向に向けられた連続繊維帯を本発明により用いることで、補強部材内に安定した負荷経路が意のままに形成され、影響を及ぼす変形力や衝突の衝撃を連続繊維帯の整列方向に沿って伝達させ、それにより、最終的には、狙い通りに自動車ボディへと分配することができ、局所的な変形並びに特には車両構造の破壊を効率的に抑えることができる。連続繊維帯を用いることで得られるさらなる利点としては、繊維強化（繊維一体化）せん断パネルを作製する際に材料ロスが少なくなることである。これは、連続繊維帯が所望の幅にて容易に製造されかつ必要な分だけ長さがカッティングできることにある。バンド（帯）の輪郭を裁断（Ｋｏｎｔｕｒｚｕｓｃｈｎｉｔｔ）する必要はない。バンドを裁断する（Ｂａｎｄｚｕｓｃｈｎｉｔｔ）のは、門型シャー（Ｓｃｈｌａｇｓｃｈｅｒｅ）や打抜処理（Ｓｔａｎｚｐｒｏｚｅｓｓ）を用いて簡単且つ低コストの方法で行うことができ、これにより製造コストをさらに下げることができる。特に好ましくは、補強部材がＳＭＣ（シート・モールディング・コンパウンド）として形成されるか又は合成樹脂射出成形（Ｋｕｎｓｔｓｔｏｆｆｓｐｒｉｔｚｇｕｓｓ）により製造されることである。これは、その帰結としてさらに繊維強化部材の最終加工処理が省かれるからである。部材は、このとき所望の形状で好ましくも加工工具抜きで形成されるが、このとき連続繊維は部材内で終端し、しかも加工工具が何も要らない。

繊維強化材料の繊維は、炭素繊維、及び／又は、グラスファイバ、及び／又は、アラミド繊維、及び／又は、バサルト繊維とすることができる。これは、これらの繊維材料が、安定性に優れ且つ自重が軽い上に、使い勝手の良さと加工のし易さが際立っているからである。ここで、周囲の金属製部材と反応して腐食する虞を考慮すると、グラスファイバが特に好ましい。

剛性をさらに高めるために、本発明による車両アクスルキャリアの少なくとも略面状の繊維強化材料補強部材は、一つ又は複数の溝部、及び／又は、一つ又は複数の局所的に厚みを増した構造（Ｄｉｃｋｅｎｓｐｒｕｅｎｇｅ）、及び／又は、一つ又は複数のリブの形態の少なくとも一つの補強構造を具備することができ、つまりは、補強部材はそのような態様で構造化されている。単一ないし複数カバー層を相応に個別に形状加工することに加えて、独立した構成要素を補強部材に組み込むことが問題になるところ、こういった構成要素は、好ましくはやはり繊維含有材料から形成することができ、例えば、射出成形におけるバックインジェクション（Ｈｉｎｔｅｒｓｐｒｉｔｚｅｎ ｉｍ Ｓｐｒｉｔｚｇｕｓｓ）やＳＭＣ式の加圧（Ｐｒｅｓｓｅｎ ｉｎ ＳＭＣ−Ｂａｕｗｅｉｓｅ）により形成でき、さらに面状の繊維強化補強部材に接続することができる。同様にして、別体の強化部を補強部材に接着することが可能である。こうして、できる限り重さを軽くしながら、できる限りその剛性を優れたものにすることができる。略面状の補強部材の、道路に平行な面から突出したこういった補強部材又は補強構造は、車両構造に面した上側カバー層に設けられることが好ましい。他方、道路に面した下側カバー層は、空気力学的な優れた特性を得るために、滑らかに或いは平らに形成されていることが好ましい。下側では、繊維材料としてのグラスファイバを有するカバー層を設けることで、石が当たったりすること等による破損を防止することができる。

さらに有利なのは、補強部材並びに当該補強部材に接する部材、特にアクスルキャリアの単体キャリアといったもののみならず、ホイールに連なるサスペンションアームやその他のものの耐腐食性能が、これらの部材と繊維強化補強部材との間の、接続と固定のために想定され得る接続部位、つまりは接触部位に、構造的な間隙及び／又は腐食防止コーティングが設けられていることによって、高められていることである。

有利な他の形態によれば、少なくとも一つの他の部材に対する接続部材及び／又は受け機構（Ａｕｆｎａｈｍｅｖｏｒｋｅｈｒｕｎｇ）ないし接続装置（Ａｎｓｃｈｌｕｓｓｖｏｒｒｉｃｈｔｕｎｇ）が、繊維強化補強部材に組み込まれていてもよい。このような接続部材ないしこのような受け機構は、例えばセラミックや金属の材料から、あるいは同じくプラスチックから形成され形作られるものでもよく、これにより、他の部材を接続ないし固定したり且つ／又はアクスルキャリアや車両本体構造の一部に補強部材を固定したりすることができるようになっている。このような要素を繊維強化部材（補強部材）に埋設ないし一体化することで、これらの要素が、固定的に一体化された繊維強化部材の構成部分となり、その機能性を向上させる。

さらなる提案として、せん断パネルのとりわけ音響学的な減衰特性を当該せん断パネル中に実現すべく、好ましくは減衰材料の層（これは、例えばゴム弾性のあるマットでもよい。）の形態とされた粘弾性的な材料が設けられる。その場合、この層は、補強部材中のいわば一つの独立した層を形成することができる。

本発明による実施形態及び発展形態によって、次の利点が得られる：静的かつ動的な剛性といった補強部材の機械的な特性が改善される。補強部材の強度が高められる。事故時の補強部材の振る舞いが、材料の最適化された繊維強化構造の態様により改善される。これにより、局所的に作用する変形エネルギーが分散されるとともに、形成された負荷経路を介して狙い通りに外に逃がすことができる。車両の走行力学及び車両の空気力学的な特性及び音響学的効果は、本発明による補強部材により改善することができる。補強部材の重さは、従来の金属製の構成態様のときに比べ、機能的な特性が同じか又はより優れていながらも軽い。他の部材を一体化したり固定したりすることが可能である。石が当たることによる破損を簡単に防ぐことができる。補強部材の製造工程は、単純化され且つその結果として製造コストを下げることができる。

本発明の上記の並びに他の詳細、特徴及び利点は、以下の記載と図とから明らかになる。

本発明によるアクスルキャリア補強部材の様々な層を概略的に示す図である。 本発明によるアクスルキャリア補強部材の中間層を、その上に載っている連続繊維帯とともに概略的に示す平面図である。 本発明によるアクスルキャリア補強部材の特殊な形態とされた層の他の可能な実施形態を概略的に示す斜視図である。 本発明によるアクスルキャリア補強部材の他の可能な実施形態のカバー層の一部上面図である。 図４ａ中のＢ−Ｂ線の断面図である。

図では、重要な部分及び構成要素のみが示され、他の全ての要素は見易くするために全て省略されている。特にこのことが該当するのが、本発明により形成された補強部材が好適に取り外し可能に固定されているような本発明のアクスルキャリアである。その結果、アクスルキャリアは冒頭で説明した従来技術と類似のものか或いはそれと比較可能な態様であればよいとしつつ、補強部材やその構成部品だけが図示されている。

図１には、本発明によるアクスルキャリア補強部材１の、繊維強化材料ないしは繊維強化プラスチックにより形成された個別の層１１乃至１７が、一部は重なり合うようにして、また一部は隣り合うようにして、極端に抽象化されて示されている。当然のことながら、図１に示された隣り合う層の配置は、こういう状態には決してなっていないのであって、実際には、図中左側の一番下の層１１は、例えば補強部材１の道路に面した下側のカバー層１１になるべきものであり、その上には完全に同形つまりは同じ寸法を持つ次の層１２が積層されている。垂直方向に道路からさらに離れるようにして次に（車両内に組み付けられた補強部材１側に）来るのが、複数の連続繊維帯１８により形成されている層１３である。次にこの連続繊維帯１８上に載る層として、いわゆる中間層１４が続くが、この層は、補強部材１の全面に亘って少なくとも略全面状に（隙間なく）拡がっていて、この上にまた、車両本体構造に近い側に、やはり複数の連続繊維帯１８から形成されている層１５が続く。中間層１４に関していわば鏡に映したような状態で二つの上側の層１６，１７が中間層１４に続き、一番上の層１７が、車両本体構造側に面したカバー層１７である。ここで、これらの層１１，１２，１４，１６，１７は、それらの面で見ると略同寸法であり、他方、これら上記の層に対して連続繊維帯１８はもっと細いので、カバー層１１，１７に対しても、中間層１４に対してもやはり細くなる。

補強部材１が完成した状態では、層１１乃至層１７は、略同形状（連続繊維帯１８を有する層１３及び１５の例外はある。）で互いに重なり、連続繊維帯１８は、少なくとも略面状の補強部材１内に意図的に負荷経路を形成し、この負荷経路が、特に事故時において衝突の衝撃を分散しかつ補強部材１が固定されているアクスルキャリアの構造を通して適切に外に逃がす。

さらに、図１を参照すると、符号１８ａによって、層１３内に二つの連続繊維帯（１８）が示されており、これらの連続繊維帯は、先に全体的に説明したように、少なくとも略矩形状の面状の補強部材１内において、少なくとも略その二つの対角線に沿って延び且つその結果交差をする。矢印Ｆ（この矢印は、上記のような補強部材１を有する本発明によるアクスルキャリアが装着された自動車の長手軸線の方向に沿った自動車の走行方向を与えるものである。）から、補強部材１の前方両側の角の部分には、さらに別の連続繊維帯として、上記“対角線の”連続繊維帯１８ａに対して略平行に向けられているとともに、その結果当然のごとく連続繊維帯１８ａより短く且つそのために幅がより狭い連続繊維帯１８ｂが層１３内に設けられていることが分かる。

上側の二つの層１６，１７と中間層１４との間の層１５内にも、層１３内におけるのと同じ符号が付されている連続繊維帯１８ａ，１８ｂが設けられている。加えて、層１５には、車両長手方向（つまり走行方向Ｆ）に向いた複数の連続繊維帯１８ｃがさらに設けられており、しかも、垂直方向に投影したときにはこれら連続繊維帯１８ｃのそれぞれが図には示されていないアクスルキャリアの単体キャリアつまりは長手キャリア（Ｌａｅｎｇｓｔｒａｅｇｅｒ）を少なくとも覆う（重畳する）状態になるようにして補強部材１の側方部分に配置されている。加えて、層１５には、車両交差方向に向いた複数の連続繊維帯１８ｄがさらに設けられており、しかも、垂直方向に投影したときにはこれら連続繊維帯１８ｄのそれぞれが図には示されていないアクスルキャリアの単体キャリアつまりは横手キャリア（Ｑｕｅｒｔｒａｅｇｅｒ）を少なくとも大体は覆う（重畳する）状態になるようにして補強部材１の前方部分に配置されている。

図２には、本発明による補強部材１が取り得る他の実施形態の同じ高さで断面視した図が示されており、ここで視線方向は道路に向いていて、中間層１４の他に、この層の上に設けられた連続繊維帯１８ｅであって、部分的に対角方向に延び（そしてその際に交差し）、部分的にはしかし大なり小なり車両長手方向（矢印Ｆ参照）にも向いている連続繊維帯１８ｅが見て取れる。連続繊維帯１８ｅ内と中間層１４内に描き込まれた線は、それぞれの繊維強化材料内における互いに略平行に延びる連続繊維の向きを表すべきものである。従って、この実施形態では、先に一例として示したものとは違って、中間層１４内の連続繊維が車両長手方向に延びている。符号４によって、この図の中で補強部材１の隅の部分に穴が示されているが、この穴を介して補強部材１を車両本体構造に固定することができる。

図３は、（車両における補強部材１の組み付け状態において）斜め下から、つまり上側のカバー層１６（そして特にはその内側）を背景にして視たときの状態を立体的に示しており、そのために補強部材１が切開された状態で示されている。少なくともこの上側のカバー層１６は、面状の構造ではなく、かなり広くて平らな溝部Ｓを有し又は形成し、つまり車両本体構造に組み付けた状態ではいわば“へこまされており”、言い換えれば三次元的に変形されていることが分かる。この溝部Ｓないしコブ（Ａｕｓｓｔｕｅｌｐｕｎｇ）等は、好ましくは走行方向Ｆに延びている。この溝部Ｓ（あるいはコブ又はヘコミＳ）内に、本実施形態では略ハニカム状に作られた強化部材３０が挿入物として設けられているが、これは、例えばセラミック、金属又はプラスチックから形成することができ、補強部材１を付加的に補強するように働く。強化部材３０は、より良好に補強部材１において固定されるように、好ましくは形状固定的に嵌入（ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）及び材料固定的に接合（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）によりカバー層１６と、さらにはカバー層の下側に接続する層とに接続されているが、代わりとして、このような強化部材（３０）は、機能的には、繊維強化材料からなる適切に変形が加えられた例えばリブ形状の層により形成されていてもよい。全てこういったものは、アクスルキャリア補強部材１を補強するのに著しく貢献する。

図４ａ，４ｂは、本発明による一つの可能な補強部材１の小部分だけを示し、具体的には、補強部材の中に設けられた、つまりは構造上一体化された接続部材４０を示している。例えば、このような接続部材４０を介して補強部材１を車両ボディに固定することができるし、あるいは、別の部品をこの接続部材４０を介して補強部材１に固定することができる。この、或いはこれらの、上記のような、或いは機能的に比肩し得る同類の接続部材４０は、補強部材１の繊維強化プラスチックに一体化されており、ここで、接続部材４０は、面状の補強部材１内の開口部４内にないしは孔４内に挿入され、補強部材の面に対して略垂直に延びる部材とされており、この部材は、付加的に付設され且つ本例では接続部材４０を部分的に円錐状に取り囲む又は包み被さる補強部材１のプラスチック材料４１によって、保持されるか或いは保持されている、又は補強部材１の上或いは内に固定されるか或いは固定されている。プラスチック材料４１の純粋な円錐状の形状からは、またさらに、符号４１’で示されたアームが、概ね円筒状とされた接続部材４０に対して半径方向にさらに外側に飛び出ている。

Claims (8)

1. 自動車のアクスルキャリアであって、繊維強化部材として形成され且つ少なくとも略面状の補強部材（１）を有し、当該補強部材が、それぞれ少なくとも略車両長手方向に延びる左側及び右側の単体キャリアとしての長手キャリアと、少なくとも略車両交差方向に延びる少なくとも一つの単体キャリアとしての横手キャリアとから構成されているアクスルキャリアの単体キャリアに固定されているアクスルキャリアにおいて、
   前記補強部材（１）は、多層に構成され、下側及び上側のカバー層（１１，１７）の他に、前記カバー層（１１，１７）と同じように全面的に拡がる少なくとも一つの中間層（１４）を備え、当該中間層の上方と下方とに、所定方向に向けられた繊維を有し、車両交差方向に測ったカバー層の幅寸法又は車両長手方向に測ったカバー層（１１，１７）の長さ寸法に対して幅狭の連続繊維帯（１８）が組み入れられており、
   前記連続繊維帯（１８）は、少なくとも略矩形状の面状の前記補強部材（１）内に、少なくとも概ねその二つの対角線に沿ってアクスルキャリアの左側の長手キャリアからアクスルキャリアの右側の長手キャリアまで延在し且つそれにより交差する連続繊維帯（１８ａ）を有していることと、
   垂直方向に投影したときにアクスルキャリアの単体キャリアと少なくとも略一致する少なくとも一つの連続繊維帯（１８ｃ，１８ｄ）を前記補強部材（１）内に有していることと、の少なくともいずれかを特徴とするアクスルキャリア。
2. 請求項１に記載のアクスルキャリアにおいて、
   前記補強部材（１）のカバー層は、複数の単一層（１１，１２，１６，１７）から形成されていることを特徴とするアクスルキャリア。
3. 請求項１または２に記載のアクスルキャリアにおいて、
   前記補強部材（１）には、一つ又は複数の溝部（Ｓ）、及び／又は、一つ又は複数の局所的に厚みを増した構造、及び／又は、一つ又は複数のリブの形態の補強構造が設けられていることを特徴とするアクスルキャリア。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアクスルキャリアにおいて、
   前記補強部材（１）と他の部材との間の接続箇所には、間隙及び／又は腐食防止コーティングが設けられていることを特徴とするアクスルキャリア。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアクスルキャリアにおいて、
   前記補強部材（１）の道路に面した下面がグラスファイバのカバー層（１１）を備えていることを特徴とするアクスルキャリア。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアクスルキャリアにおいて、
   前記補強部材（１）内には、粘弾性材料からなる層が設けられていることを特徴とするアクスルキャリア。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアクスルキャリアにおいて、
   他の一つ或いは複数の部材のための接続部材（４０）、及び／又は、他の一つ或いは複数の部材のための受け機構が、補強部材（１）内に一体化されていることを特徴とするアクスルキャリア。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアクスルキャリアにおいて、
   炭素繊維、及び／又は、グラスファイバ、及び／又は、アラミド繊維、及び／又は、バサルト繊維を有する補強部材（１）を有することを特徴とするアクスルキャリア。

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