JP6533663B2 - ボールねじおよび操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじおよび操舵装置に関する。

ボールねじの循環方式のひとつとしてエンドデフレクタを用いた方式が知られている。この方式では、ナットにボールを循環させる循環路が形成される。ナットの両端には、ボールをナットおよびねじ軸の螺旋溝から循環路に誘導し、或いは循環路からボールを前記螺旋溝に戻す機能を有したエンドデフレクタが取り付けられている（たとえば特許文献１参照）。エンドデフレクタは、ボールをエンドデフレクタ内にすくい上げるために、ねじ軸の螺旋溝内に突出した爪部を備えている。

特開２０１２−１５４４３７号公報

特許文献１において、ねじ軸は可動体であることから、前記爪部がねじ軸と干渉しないように、爪部とねじ軸の螺旋溝との間には隙間が設けられている。つまり、爪部とねじ軸の螺旋溝との間に段差が形成されることになるため、従来、ねじ軸の螺旋溝を通ってきたボールがこの段差に当たったときに衝突音が生じやすいという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するために創作されたものであり、ボールがねじ軸の螺旋溝からエンドデフレクタに入り込む際のエンドデフレクタとボールとの衝突音を抑制できるボールねじおよび操舵装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、ナットと、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、前記ナットに取り付けられるエンドデフレクタと、前記螺旋溝に沿って転動する複数のボールと、を備えるボールねじであって、前記エンドデフレクタは、前記螺旋溝の幅中心を挟んで設けられる一対のボール持ち上げ部を備え、前記一対のボール持ち上げ部は、前記螺旋溝の幅中心を挟んで幅方向に離間する２か所で前記ボールを支持することで、前記ボールを前記螺旋溝から持ち上げ、前記一対のボール持ち上げ部は、前記ボールの中心よりも前記ねじ軸の径方向内側に位置し、前記ボールは、前記螺旋溝から持ち上げられる際には、前記一対のボール持ち上げ部との２か所のみの接触によって、前記ねじ軸の径外方向に持ち上がることを特徴とする。

このボールねじによれば、持ち上げ部に当接した際の衝撃が２ヶ所に分散される。したがって、持ち上げ部に当接した際に衝突音が生じたとしても、従来の爪部に当接した際の衝突音よりも小さなものとなる。持ち上げ部はボールの中心を挟んでほぼ１８０度反対に位置することになるため、持ち上げ部に当接した際のボールの跳ねの挙動も抑制される。

前記一対のボール持ち上げ部を、前記ねじ軸の螺旋溝の溝山部よりも径外方向に位置させれば、ボールを持ち上げるに当たり、ねじ軸との接触を何ら考慮することがないため、ボールに対するボール持ち上げ部の衝突角度を浅く設定でき、衝突音を一層抑制できる。

前記一対のボール持ち上げ部を、それぞれが前記ねじ軸の径内方向に向かうにしたがい前記螺旋溝の幅中心側に変位するように傾斜し、かつボール進行方向に向かうにしたがい互いの離間距離が狭くなる一対の傾斜面から構成すれば、ボール持ち上げ部を簡単な構造にでき、ボールを円滑に持ち上げることができる。

前記エンドデフレクタが、前記ねじ軸の螺旋溝に連なる断面半円形通路が形成された第１部材と、前記ナットの螺旋溝に連なる断面半円形通路が形成された第２部材とに分割構成されている場合、前記第１部材として、前記第２部材と前記ねじ軸の溝山部との間でボール進行方向に沿って延び、前記ねじ軸の螺旋溝の幅中心を挟んで当該螺旋溝の幅方向に離間して設けられる一対の薄板部を備えるものとし、前記各薄板部の互いに対向し合う側面に前記傾斜面を形成することができる。

また、本発明は、前記ボールねじと、前記ナットを回転させるモータと、前記ねじ軸と一体で移動し、転舵輪を転舵する転舵軸と、を備えることを特徴とする操舵装置とした。

この操舵装置によれば、ボールがねじ軸の螺旋溝からエンドデフレクタに入り込む際のエンドデフレクタとボールとの衝突音を抑制できる。
また、本発明は、ナットと、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、前記ナットに取り付けられるエンドデフレクタと、前記ねじ軸の螺旋溝に沿って転動する複数のボールと、を備えるボールねじであって、前記エンドデフレクタは、前記ナットの螺旋溝の端部からボールを滑らかに導くように形成される切欠きと、前記ねじ軸の螺旋溝の幅中心を挟んで設けられる一対のボール持ち上げ部を備え、前記一対のボール持ち上げ部は、前記ねじ軸の螺旋溝の溝山部よりも径外方向に位置し、かつ前記切欠きと前記ねじ軸の螺旋溝との間に設けられ、前記一対のボール持ち上げ部は、前記螺旋溝の幅中心を挟んで幅方向に離間する２か所で前記ボールを支持し、前記ボールは、前記螺旋溝から持ち上げられる際には、前記一対のボール持ち上げ部との２か所のみの接触によって、前記ねじ軸の径外方向に持ち上がることを特徴とする。

本発明によれば、ボールがねじ軸の螺旋溝からエンドデフレクタに入り込む際のエンドデフレクタとボールとの衝突音を抑制できる。

操舵装置の一例を示す概略構成図である。 ナットの螺旋溝とねじ軸の螺旋溝とを示す断面図である。 本発明に係るボールねじの外観図であり、エンドデフレクタをナットに組み付けた状態を示す（ねじ軸は不図示）。 本発明に係るボールねじの外観図であり、エンドデフレクタをナットに組み付ける前の状態を示す（ねじ軸は不図示）。 （ａ）は第１部材と第２部材とを組み付けた状態の斜視図、（ｂ）は第１部材と第２部材とを組み付ける前の状態の斜視図、（ｃ）は第１部材と第２部材とを組み付けた状態の平面図である。 ねじ軸の軸方向から見たナットとエンドデフレクタの平面説明図である。 ねじ軸の螺旋溝およびエンドデフレクタの断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、ボール持ち上げ部によりボールが持ち上げられる様子を示す作用断面図である。 ねじ軸の螺旋溝を径外方向から見て平面展開した説明図である。

本発明のボールねじ１は、たとえば図１に示すようにラックアシスト型のパワーステアリング装置５０に使用される。一例としてのパワーステアリング装置５０は、運転者が操作するステアリングホイール５１と、ステアリングホイール５１に一体的に連結されるステアリングシャフト５２と、ステアリングシャフト５２と自在継手５３を介して連結される上部連結シャフト５４と、上部連結シャフト５４と自在継手５５を介して連結される下部連結シャフト５６と、下部連結シャフト５６とトーションバー５７を介して連結され、下部にピニオンが形成されたピニオンシャフト５８と、ピニオンに噛合するラック歯が形成され、両端にタイロッド６０を介して左右の前輪６１が連結されるラック軸５９と、を備えている。このラック軸５９は、車輪を転舵させる転舵軸として作用する。

ラック軸５９と一方のタイロッド６０との間には、ねじ軸６２がラック軸５９と一体となるように取り付けられており、ボールねじ１がこのねじ軸６２に取り付けられている。ボールねじ１のナット２１の外周には従動プーリ６３が軸着され、アシスト用の電動式のモータ６４の出力軸に軸着された駆動プーリ６５と従動プーリ６３との間に伝達ベルト６６が掛け回されている。

以上の構成からなるパワーステアリング装置５０は、ステアリングホイール５１に加えられたトルクが図示しないトルクセンサで検出され、その検出したトルクに応じて図示しない制御装置によりモータ６４が駆動制御される。これにより、モータ６４の発生トルクは、駆動プーリ６５，伝達ベルト６６，従動プーリ６３からなるベルト伝達機構およびボールねじ１を介して、ラック軸５９に、ステアリングホイール５１に加えられた運転者の操作力に対する補助力として伝達される。

なお、運転者にステアリングホイール操作時の操作感を与える反力アクチュエータと、転舵軸を駆動させるモータを有する転舵アクチュエータとを電気的に接続したいわゆるステアバイワイヤ方式の操舵装置にも本発明のボールねじ１を使用できる。

以下、ボールねじ１について詳細に説明する。
図３、図４において、ボールねじ１は、ナット２１と、ナット２１を挿通し、外周面に螺旋溝３６が形成されたねじ軸６２（図１）と、螺旋溝３６に沿って転動する複数のボール４１（図２）と、ナット２１に取り付けられるエンドデフレクタ２と、を備えて構成されている。なお、以降の説明において、ボール４１の進行方向とは、ボール４１が螺旋溝２２，３６（図２）からエンドデフレクタ２に入って行く方向をいう。

「ナット２１」
ナット２１は、円筒状の部材であり、図２に示すように、ねじ軸６２の螺旋溝３６との間でボール４１を収容する螺旋溝２２を備えている。螺旋溝２２、３６の断面形状は、たとえばそれぞれ尖端の溝底部３４、３７を有したゴシックアーク形状を呈している。螺旋溝２２の溝山部３５と螺旋溝３６の溝山部３８とは距離ｓを空けて離間している。

図４に戻り、ナット２１の端部周りは、ねじ軸６２が挿通される開口部の縁周りに形成される環状の内端面２３と、内端面２３の外縁からねじ軸６２の軸Ｏ方向外側に向けて形成される段壁面２４と、段壁面２４の外端から軸Ｏの径外方向に形成される環状の外端面２５とが形成されていることにより、段差状に形成されている。段壁面２４には全周にわたりスナップリング４２を係止するための溝２６が形成されている。軸Ｏ方向外側とは、ナット２１の軸Ｏ方向中央部から軸Ｏ方向に沿って遠ざかる方向をいい、軸Ｏ方向内側とは、ナット２１の軸Ｏ方向中央に近づく方向をいう。

エンドデフレクタ２を収容する収容部２７は、ナット２１の端部において、外端面２５および内端面２３の各一部を軸Ｏ方向内側に切欠くことで形成されている。収容部２７は、ナット２１の内周面から外周面側に向けて延設され互いに対向する第１側壁面２８、第２側壁面２９と、第１側壁面２８におけるナット２１の外周面寄り縁部と第２側壁面２９におけるナット２１の外周面寄り縁部とにわたって形成される底壁面３０と、第１側壁面２８、第２側壁面２９、底壁面３０の各軸Ｏ方向内側寄りの縁部にかけて形成される突当て面３１とによって画成されている。

第１側壁面２８、第２側壁面２９、底壁面３０は軸Ｏ方向に沿って形成され、突当て面３１は軸Ｏ方向と直交する面に沿って形成されている。第１側壁面２８、第２側壁面２９は互いに対向しているが、互いに平行である必要はない。第２側壁面２９は螺旋溝２２の端部２２ａに滑らかに連なるように形成されている。突当て面３１には循環路３２の開口部３３が臨む。循環路３２はナット２１において軸Ｏ方向に沿って形成され、ナット２１の反対側の端部にも同様の開口部３３が形成されている。

「エンドデフレクタ２」
エンドデフレクタ２は、ボール４１（図２）の螺旋溝２２，３６内での螺旋移動と循環路３２内での軸Ｏ方向移動とを整流させる機能、すなわち螺旋溝２２，３６と循環路３２との間でボール４１の向きを変える機能を有する部材である。

主に図４、図５を参照して説明すると、エンドデフレクタ２の内部にはボール４１を通す通路１８が形成されている。本実施形態では、主にこの通路１８の成型性の点から、エンドデフレクタ２は、ねじ軸６２の螺旋溝３６に連なる断面半円形通路（第１半通路１１という）が形成された第１部材３と、ナット２１の螺旋溝２２に連なる断面半円形通路（第２半通路１７という）が形成された第２部材４とに分割構成されている。エンドデフレクタ２の材質は特に限定されず、金属材料や合成樹脂材料等である。エンドデフレクタ２をたとえば亜鉛材料から構成した場合、ダイキャスト法により部品を形成できる。

第１部材３は、軸Ｏ方向に概ね沿う外郭面として、第１側壁面２８に倣って形成された第１側面６と、底壁面３０に倣って形成された外側面１３Ａと、ねじ軸６２に対向する内面７と、第２部材４と接面される面である分割面８とを有している。第１部材３の軸Ｏ方向内側寄りの端面は突当て面３１に突き当たる被突当て面９として形成され、第１部材３の軸Ｏ方向外側寄りの端面はスナップリング４２により押さえられる端面１０として形成されている。分割面８には、ボール４１の通路１８の半分を構成する第１半通路１１が形成されている。内面７の一部には、軸Ｏの径内方向に膨出してねじ軸６２の螺旋溝３６内に位置する爪部５が形成されている。爪部５は、螺旋溝３６と干渉しない程度の大きさの略半円形状を呈している。

第２部材４は、軸Ｏ方向に概ね沿う外郭面として、第２側壁面２９に倣って形成された第２側面１２と、底壁面３０に倣って形成された外側面１３Ｂと、第１部材３と接面される面である分割面１４とを有している。第２部材４の軸Ｏ方向内側寄りの端面は突当て面３１に突き当たる被突当て面１５として形成され、第２部材４の軸Ｏ方向外側寄りの端面はスナップリング４２により押さえられる端面１６として形成されている。分割面１４には、ボール４１の通路１８の半分を構成する第２半通路１７が形成されている。第２半通路１７の先端には、螺旋溝２２の端部２２ａからボール４１を滑らかに導くように切欠き４０が形成されている。

第２部材４の分割面１４には係合突起部１９が形成されているとともに、第１部材３の分割面８には係合凹部２０が形成されている。第１部材３と第２部材４とは、係合突起部１９が係合凹部２０にたとえばスナップ係合することで分割面８，１４同士が接面し、両者が一体となってエンドデフレクタ２を構成する。端面１０，１６同士は面一状に連なり、被突当て面９，１５同士も面一状に連なる。そして、エンドデフレクタ２の内部には、第１半通路１１と第２半通路１７とが合わさることで、螺旋溝２２，３６に連通する第１通路１８Ａと、この第１通路１８Ａから滑らかに略９０度方向転換して軸Ｏ方向に沿って形成され循環路３２の開口部３３に連通する第２通路１８Ｂと、からなる通路１８が形成される。なお、第１部材３と第２部材４とを一体化させる構造は係合突起部１９，係合凹部２０の係合方法に特に限定されるものではない。また、第１部材３と第２部材４とを一体化させる構造はなくてもよい。

以上の構成において、図６に示すようにボール４１がエンドデフレクタ２内に入る際、ボール４１は、
（１）螺旋溝３６と螺旋溝２２とによる挟持状態、
（２）螺旋溝３６と第２部材４の第２半通路１７とによる挟持状態、
（３）第１部材３の第１半通路１１と第２部材４の第２半通路１７とによる挟持状態、
の順を経る。
（１）から（２）への移行については、第２部材４の第２半通路１７をナット２１の螺旋溝２２の端部２２ａに対して隙間や段差を生じることなく前記した切り欠き４０（図５）により滑らかに連通させることで、ボール４１をスムーズに移動させることができる。しかしながら、（２）から（３）への移行については、ねじ軸６２はエンドデフレクタ２に対して可動体であることから、エンドデフレクタ２の第１部材３とねじ軸６２の螺旋溝３６との間に接触回避の隙間ｔを設定せざるを得ない。したがって、この隙間ｔの存在により、ボール４１が爪部５に衝突して衝突音が発生しやすいことは既述した通りである。

「ボール持ち上げ部７１，７２」
この問題に対し、本発明のエンドデフレクタ２は、ねじ軸６２の螺旋溝３６の幅中心を挟んで設けられる一対のボール持ち上げ部７１，７２（図７〜図９）を備えている。この一対のボール持ち上げ部７１，７２は、螺旋溝３６の幅中心を挟んで螺旋溝３６の幅方向に離間する２ヶ所でボール４１を支持することで、ボール４１を螺旋溝３６から持ち上げる。

本実施形態では、ボール持ち上げ部７１，７２は第１部材３に形成されている。図５〜図７において、第１部材３は、第２部材４とねじ軸６２の溝山部３８との間でボール進行方向に沿って延び、ねじ軸６２の螺旋溝３６の幅中心を挟んで螺旋溝３６の幅方向に離間して設けられる一対の薄板部７３，７４を備えている。薄板部７４に対向する薄板部７３の側面には傾斜面７５が形成され、薄板部７３に対向する薄板部７４の側面には傾斜面７６が形成されている。この傾斜面７５，７６は、それぞれがねじ軸６２の径内方向に向かうにしたがい螺旋溝３６の幅中心側に変位するように傾斜し、かつ図８（ａ）〜（ｃ）や図９から判るように、ボール進行方向に向かうにしたがい互いの離間距離Ｌが狭くなるように形成されている。この傾斜面７５，７６が前記ボール持ち上げ部７１，７２を構成する。以上から判るように、ボール持ち上げ部７１，７２は螺旋溝３６の溝山部３８よりも軸Ｏの径外方向に位置することとなる。図８（ａ）〜（ｃ）の各断面図は、概ね図６、図９の各Ａ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面を示している。なお、図８（ａ）〜（ｃ）および図９では、傾斜面７５，７６の離間距離Ｌが漸次狭くなるように変位している様子を判り易くするため、傾斜面７５，７６を点描にて図示してある。

傾斜面７５，７６は、ボール４１の球面に倣った曲面状であってもよいし、平面状であってもよい。図７に示すように、ねじ軸６２の溝山部３８と薄板部７３，７４との距離ｗは、ねじ軸６２の溝山部３８とボール中心ｐとの距離ｕよりも小さく設定されており、傾斜面７５，７６の径内方向寄りの縁がボール中心ｐよりも径内方向に位置している。したがって、ボール４１が傾斜面７５，７６にさしかかると、傾斜面７５，７６がボール４１の中心ｐよりも下側の球面に接することによりボール４１を両側から持ち上げ、進行方向に向かって離間距離Ｌが狭くなるに連れてボール４１が次第にせり上げられていくこととなる。

「作用」
ボール４１が螺旋溝２２，３６からエンドデフレクタ２内に進入する際には、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、傾斜面７５，７６がボール４１を両側から持ち上げ、進行方向に向かって傾斜面７５，７６の離間距離Ｌが狭くなるに連れてボール４１が次第にせり上げられていく。これにより、ボール４１は爪部５の先端に衝突することなくエンドデフレクタ２内の通路１８に進入する。

本発明のように一対のボール持ち上げ部７１，７２を備える構成とすれば、持ち上げ部７１，７２に当接した際の衝撃が２ヶ所に分散される。したがって、持ち上げ部７１，７２に当接した際に衝突音が生じたとしても、従来の爪部５に当接した際の衝突音よりも小さなものとなる。持ち上げ部７１，７２はボール４１の中心ｐを挟んでほぼ１８０度反対に位置しているので、持ち上げ部７１，７２に当接した際のボール４１の跳ねの挙動も抑制される。

加えて、本実施形態のボール持ち上げ部７１，７２は螺旋溝３６の溝山部３８よりも軸Ｏの径外方向に位置している。従来の爪部５によりボール４１を掬う構造では、爪部５と螺旋溝３６との間に接触回避の隙間ｔを設定せざるを得えず、そのためボール４１に対する衝突角度（ボール４１の進行方向とボール４１の衝突部における接線方向との交差角度）が大きくなって衝突音が大きくなりやすい。これに対し、ボール持ち上げ部７１，７２を螺旋溝３６の溝山部３８よりも軸Ｏの径外方向に位置させれば、ボール４１を持ち上げるに当たり、ねじ軸６２との接触を何ら考慮することなく、ボール４１に対するボール持ち上げ部７１，７２の衝突角度を極めて浅く設定できる。つまり、ボール持ち上げ部７１，７２の先端周りを、ボール４１の球面の接線方向にほぼ沿って位置させることが可能となる。これにより、衝突音の発生をほぼ無くすことができる。

また、ボール持ち上げ部７１，７２を、それぞれがねじ軸６２の径内方向に向かうにしたがい螺旋溝３６の幅中心側に変位するように傾斜し、かつボール進行方向に向かうにしたがい互いの離間距離Ｌが狭くなる一対の傾斜面７５，７６から構成すれば、ボール持ち上げ部７１，７２を簡単な構造にでき、ボール４１を円滑に持ち上げることができる。

また、本実施形態のように第１部材３に一対の薄板部７３，７４を備える形状とし、この薄板部７３，７４に傾斜面７５，７６を形成すれば、第１部材３と第２部材４とに分割構成されている場合のエンドデフレクタ２の形状設計が容易なものとなる。

＜変形例＞
上述した実施形態では、ボール持ち上げ部７１，７２を第１部材３側に形成したが、第２部材４側に形成してもよい。また、エンドデフレクタ２は、第１部材３と第２部材４とに分割構成されたものではなく、全体が一体に成形されたものであってもよい。さらに、ボール持ち上げ部７１，７２でボール４１をエンドデフレクタ２内の通路１８に円滑に導くことができれば、螺旋溝３６内に突設する爪部５は無くともよい。

１ ボールねじ
２ エンドデフレクタ
３ 第１部材
４ 第２部材
２１ ナット
２２ 螺旋溝（ナット側）
３６ 螺旋溝（ねじ軸側）
３８ 溝山部
４１ ボール
７１，７２ ボール持ち上げ部
７３，７４ 薄板部
７５，７６ 傾斜面

Claims (6)

1. ナットと、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、前記ナットに取り付けられるエンドデフレクタと、前記螺旋溝に沿って転動する複数のボールと、を備えるボールねじであって、
   前記エンドデフレクタは、前記螺旋溝の幅中心を挟んで設けられる一対のボール持ち上げ部を備え、
   前記一対のボール持ち上げ部は、前記螺旋溝の幅中心を挟んで幅方向に離間する２か所で前記ボールを支持することで、前記ボールを前記螺旋溝から持ち上げ、
   前記一対のボール持ち上げ部は、前記ボールの中心よりも前記ねじ軸の径方向内側に位置し、前記ボールは、前記螺旋溝から持ち上げられる際には、前記一対のボール持ち上げ部との２か所のみの接触によって、前記ねじ軸の径外方向に持ち上がることを特徴とするボールねじ。
2. 前記一対のボール持ち上げ部は、前記ねじ軸の螺旋溝の溝山部よりも径外方向に位置していることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
3. 前記一対のボール持ち上げ部は、
   それぞれが前記ねじ軸の径内方向に向かうにしたがい前記螺旋溝の幅中心側に変位するように傾斜し、かつボール進行方向に向かうにしたがい互いの離間距離が狭くなる一対の傾斜面から構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボールねじ。
4. 前記エンドデフレクタは、前記ねじ軸の螺旋溝に連なる断面半円形通路が形成された第１部材と、前記ナットの螺旋溝に連なる断面半円形通路が形成された第２部材とに分割構成され、
   前記第１部材は、前記第２部材と前記ねじ軸の溝山部との間でボール進行方向に沿って延び、前記ねじ軸の螺旋溝の幅中心を挟んで当該螺旋溝の幅方向に離間して設けられる一対の薄板部を備え、
   前記各薄板部の互いに対向し合う側面に前記傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のボールねじ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のボールねじと、
   前記ナットを回転させるモータと、
   前記ねじ軸と一体で移動し、転舵輪を転舵する転舵軸と、
   を備える
   ことを特徴とする操舵装置。
6. ナットと、外周面に螺旋溝が形成されたねじ軸と、前記ナットに取り付けられるエンドデフレクタと、前記ねじ軸の螺旋溝に沿って転動する複数のボールと、を備えるボールねじであって、
   前記エンドデフレクタは、前記ナットの螺旋溝の端部からボールを滑らかに導くように形成される切欠きと、前記ねじ軸の螺旋溝の幅中心を挟んで設けられる一対のボール持ち上げ部を備え、
   前記一対のボール持ち上げ部は、前記ねじ軸の螺旋溝の溝山部よりも径外方向に位置し、かつ前記切欠きと前記ねじ軸の螺旋溝との間に設けられ、
   前記一対のボール持ち上げ部は、前記螺旋溝の幅中心を挟んで幅方向に離間する２か所で前記ボールを支持し、前記ボールは、前記螺旋溝から持ち上げられる際には、前記一対のボール持ち上げ部との２か所のみの接触によって、前記ねじ軸の径外方向に持ち上がることを特徴とするボールねじ。

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