KR102108926B1 - 스티어 바이 와이어 시스템 - Google Patents

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KR102108926B1
KR102108926B1 KR1020140096142A KR20140096142A KR102108926B1 KR 102108926 B1 KR102108926 B1 KR 102108926B1 KR 1020140096142 A KR1020140096142 A KR 1020140096142A KR 20140096142 A KR20140096142 A KR 20140096142A KR 102108926 B1 KR102108926 B1 KR 102108926B1
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신수현
정대석
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현대자동차(주)
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Abstract

본 발명은, 구동바퀴를 조향시키기 위한 스티어링 기어박스;상기 스티어링 기어박스에 구동력을 제공하는 조향모터; 상기 스티어링 휠의 회전 토크를 이용하여 유압을 발생시키는 유압 발생유닛; 상기 유압 발생유닛에서 발생된 유압을 상기 스티어링 기어박스에 전달하기 위한 유압 라인; 상기 유압 라인 상에 배치되어, 상기 유압 발생유닛의 유압을 상기 스티어링 기어박스에 선택적으로 제공하는 상기 바이패스 유닛; 상기 스티어링 휠과 유압 발생유닛 간의 단속 작동에 따라 상기 스티어링 휠의 회전 토크를 상기 유압 발생유닛에 선택적으로 제공하면서 바이패스 유닛을 연동하여 작동시키는 단속장치;를 포함하여 구성되는 스티어 바이 와이어 시스템이 소개된다.

Description

스티어 바이 와이어 시스템{STEER BY WIRE SYSTEM}
본 발명은 시스템의 이상 발생시 유압을 이용하여 스티어링 휠의 조향력을 구동바퀴에 전달할 수 있는 스티어 바이 와이어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 조타력을 발생하는 파워 스티어링 장치는, 핸들의 조작력을 가볍고 원활하게 하면서도 신속한 조향이 가능하도록 하기 위해서 유압을 이용하도록 설계되어 작동된다.
이러한 파워 스티어링 장치는 작은 힘으로 조향조작을 할 수 있으며 조향기어비의 조작력에 관계없이 선정할 수 있으며, 노면의 요철에서 오는 충격을 흡수하여 핸들에 전달되는 것을 방지할 수 있다.
예컨대, 차량의 운행조건에 따라 전자제어장치(ECU)에서 모터를 구동시켜 저속운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하며, 비상상황에서는 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공하는 전동식 스티어링 장치를 이용하고 있다.
전동식 스티어링 장치는 통상 EHPS(Electro-hydraulic Power Steering)이나 또는 MDPS(Motor Driven Power Steering)가 있으며, 이중 MDPS 시스템은 펌프에서 유압을 형성하여 파워를 어시스트(assist)하는 유압 시스템과 달리 모터의 회전력으로 조향 파워를 어시스트(assist)하는 구조로서, 동력을 발생하는 모터와 이에 연결된 감속기인 웜샤프트(Worm-Shaft)가 스티어링샤프트(Steering-Shaft)와 연결되어 있는 웜휠(Worm Wheel)을 회전 시켜 조향력을 어시스트(assist)하게 된다.
그리고 MDPS(Motor Driven Power Steering)중 R-MDPS(랙 어시스트식 전동 파워 스티어링 장치)는 모터에 의한 구동 토크(Torque)를 받아 랙바(Rack Bar)의 축 이동을 구현하는 타입(Type)으로서, 통상 모터의 구동 토크를 벨트와 풀리를 이용하여 전달받아 랙바(Rack Bar)를 축 이동시켜 주게 된다.
최근에는 스티어링 휠과 차량의 구동바퀴의 기계적 연결을 없앤 스티어 바이 와이어 시스템이 제안되고 있다. 스티어 바이 와이어 시스템은 스티어링 휠의 회전 신호를 전자제어유니트(ECU)를 통해 입력받아 구동바퀴에 구동 연결된 모터를 작동시켜 차량을 조향할 수 있다.
이 스티어 바이 와이어 시스템은 스티어링 휠과 구동바퀴 간 기계적인 연결이 없기 때문에, 스티어 바이 와이어 시스템의 고장시 치명적인 사고를 야기할 수밖에 없다.
이에 따라, 비상시 스티어링 휠의 조향력을 구동바퀴에 전달하기 위해, 종래에는 유 조인트 및 클러치를 통한 기계적인 연결 구조를 구현하기도 한다. 예컨대, 평상시에는 전자제어유닛이 운전자의 스티어링 조타각과 토크를 측정한 후 MDPS(Motor Driven Power Steer)를 제어하여 구동바퀴를 조향하고, 비상시에는 클러치가 유조인트와 스티어링 휠의 컬럼을 기계적으로 연결하여 스티어링 휠의 조향력을 구동바퀴에 전달한다.
그러나 이러한 종래 기술의 경우, 스티어 바이 와이어 시스템의 유리한 기능들, 예컨대, 빠른 조향의지의 전달을 통한 차량 응답성의 증대 기능, 스티어링 기어비 차속에 따른 가변 기능, 불필요한 역 입력 방지 기능, 정밀한 조향 기능 및 설치의 자유도 향상 기능 등을 제대로 살리지 못하였다.
KR 10-0552773B
본 발명은 시스템의 이상 발생시 스티어링 휠의 조향력을 구동바퀴에 전달할 수 있는 스티어 바이 와이어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스티어 바이 와이어 시스템은, 구동바퀴를 조향시키기 위한 스티어링 기어박스;상기 스티어링 기어박스에 구동력을 제공하는 조향모터; 상기 스티어링 휠의 회전 토크를 이용하여 유압을 발생시키는 유압 발생유닛; 상기 유압 발생유닛에서 발생된 유압을 상기 스티어링 기어박스에 전달하기 위한 유압 라인; 상기 유압 라인 상에 배치되어, 상기 유압 발생유닛의 유압을 상기 스티어링 기어박스에 선택적으로 제공하는 상기 바이패스 유닛; 상기 스티어링 휠과 유압 발생유닛 간의 단속 작동에 따라 상기 스티어링 휠의 회전 토크를 상기 유압 발생유닛에 선택적으로 제공하면서 바이패스 유닛을 연동하여 작동시키는 단속장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스티어링 휠의 회전을 감지하여 회전신호를 인가하는 토크센서; 및 상기 회전신호를 인가받아 상기 조향모터에 작동신호를 제공하는 전자제어유닛을 더 포함한다.
상기 유압 발생유닛은, 상기 스티어링 휠에 연결된 스티어링 샤프트의 회전에 의해 직선 이동하는 유압 피스톤; 및 내부공간이 상기 유압 피스톤에 의해 제 1 유실과 제 2 유실로 구획되는 유압 실린더를 포함한다.
상기 바이패스 유닛은, 상기 조향모터에 이상이 발생되거나 전원 공급이 차단될 때, 상기 단속장치가 연결되면서 상기 유압 피스톤의 작동에 의한 유압 발생유닛의 유압을 상기 스티어링 기어박스에 제공한다.
상기 바이패스 유닛은, 상기 유압 라인에 연결되는 바이패스 유로; 상기 단속장치의 단속 작동과 연동하여 상기 바이패스 유로를 선택적으로 개폐하는 바이패스피스톤;을 포함한다.
상기 단속장치는 전류의 인가 여부에 따라 제1마찰판 및 제2마찰판이 상호 단속 가능하게 구성되며; 단속을 위해 이동되는 마찰판에 상기 바이패스피스톤을 결합한다.
상기 스티어링 휠의 회전에 반력을 제공하기 위한 반력 발생유닛을 더 포함한다.
상기 스티어링 기어박스는, 스티어링 피스톤이 형성된 랙바; 및 상기 스티어링 피스톤을 중심으로 제 1 챔버와 제 2 챔버로 구획되는 스티어링 실린더를 포함한다.
상기 유압 피스톤의 내경면에는 상기 스티어링 샤프트에 형성된 웜 기어부에 맞물리는 웜 나사부가 형성된다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 스티어 바이 와이어 시스템에 따르면, 평상시 MDPS(Motor Driven Power Steer)의 조향모터를 이용하여 차량을 조향하고, 시스템의 이상 발생시 유압을 이용하여 스티어링 휠의 조향력을 구동바퀴에 전달할 수 있다.
또한, 유압 발생유닛을 통해 스티어링 휠의 조향력을 구동바퀴에 전달할 수 있으므로, 컬럼과 유조인트가 기계적으로 연결된 종래 기술과 비교하여, 빠른 조향의지의 전달을 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 유리한 기능들을 효과적으로 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 유압 발생유닛을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 바이패스 유닛 및 단속장치를 도시한 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 이상 발생시, 바이패스 유닛 및 단속장치의 작동 상태를 도시한 상태도.
도 5는 평상시 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 작동 상태를 도시한 상태도.
도 6은 이상 발생시 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 작동 상태를 도시한 상태도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템에 대하여 살펴본다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템은, 평상시 MDPS를 통해 차량을 조향하고, 이상 발생시 스티어링 휠(10)의 유압을 이용하여 차량을 조향한다.
이를 구현하기 위해, 스티어 바이 와이어 시스템은, 스티어링 기어박스(100), 조향모터(200), 유압 발생유닛(300), 유압 라인(400), 바이패스 유닛(500) 및 단속장치(600)를 포함한다.
구체적으로, 스티어링 기어박스(100)는 스티어링 휠(10)의 조향력을 구동바퀴에 제공하기 위해, 조향모터(200)에 구동가능하게 연결되고 유압 라인(400)을 통해 유압 발생유닛(300)과 연결된다.
이 스티어링 기어박스(100)는 스티어링 피스톤(111)이 둘레방향으로 돌출되고 일단부가 조향모터(200)에 구동 연결되는 랙바(110)와, 스티어링 피스톤(111)을 중심으로 제 1 챔버(121)와 제 2 챔버(122)로 구획되는 스티어링 실린더(120)로 이루어진다.
여기서, 랙바(110)는 평상시 조향모터(200)의 구동 토크를 전달받아 구동바퀴(미도시)를 조향할 수 있고, 시스템의 이상 발생시 스티어링 실린더(120)에 공급되는 유압을 이용하여 구동바퀴를 조향할 수 있다.
예컨대, 평상시 전자제어유닛(ECU)의 작동신호에 의해 조향모터(200)가 작동되면, 스티어링 기어박스(100)는 조향모터(200)의 구동 토크를 전달받아 랙바(110)를 차량의 좌측 또는 우측으로 이동시켜 구동바퀴를 조향하고, 시스템의 이상 발생시(전자제어유닛 또는 조향모터의 고장, 전원 공급의 중단...) 유압 발생유닛(300)에서 발생된 유압이 스티어링 기어박스(100)에 제공되면, 스티어링 기어박스(100)는 스티어링 실린더(120)의 제 1 챔버(121) 및 제 2 챔버(122)에 제공되는 유압을 이용하여 랙바(110)를 차량의 좌측 또는 우측으로 이동시켜 구동바퀴를 조향할 수 있다.
조향모터(200)는 스티어링 기어박스(100)에 구동력을 제공하기 위한 모터로, 전자제어유닛(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 여기서, 전자제어유닛은 스티어링 휠(10)의 회전을 감지하는 토크센서(610)로부터 스티어링 휠(10)의 회전신호를 인가받고, 인가받은 회전신호에 따라, 구동바퀴를 조향하기 위한 작동신호를 조향모터(200)에 제공한다.
이 조향모터(200)는 벨트와 풀리를 이용한 R-MDPS(랙 어시스트식 전동 파워 스티어링)를 이용하여 구동 토크를 랙바(110)에 전달하거나, 랙 앤드 피니언 방식을 이용하여 구동 토크를 랙바(110)에 전달할 수 있다. 물론, 조향모터(200)와 스티어링 기어박스(100) 간의 구동 연결방식은, 상기의 구성에 의해 한정되지 아니하며, 다양하게 변경되어 적용될 수 있다.
유압 발생유닛(300)은 스티어링 휠(10)의 회전 토크를 이용하여 유압을 발생시키는 장치로, 스티어링 휠(10)에 연결된 스티어링 샤프트(20)의 회전에 의해 직선 이동이 가능한 유압 피스톤(310)과, 유압 피스톤(310)이 내장되는 유압 실린더(320)를 포함한다.
유압 피스톤(310)은 유압 실린더(320)의 내부에 길이방향을 따라 가능하게 장착되고, 해당 내경면에는 스티어링 샤프트(20)에 형성된 웜 기어부(21)에 맞물리는 웜 나사부(미도시)가 형성된다. 이때, 스티어링 샤프트(20)의 단부에는 스티어링 휠(10)의 회전에 반력을 제공하기 위한 반력 발생유닛(620)이 마련될 수 있다.
유압 실린더(320)의 내부공간에는 유압 피스톤(310)에 의해 구획되는 제 1 유실(321)과 제 2 유실(322)이 형성된다. 이들 제 1 유실(321)과 제 2 유실(322)은 제 1 유압 라인(410)과 제 2 유압 라인(420)에 각각 연결된다.
따라서, 운전자가 스티어링 휠(10)을 일방향 또는 타방향으로 회전하면, 단속장치(600)에 의해 스티어링 휠(10)과 유압 발생유닛(300) 간이 연결된 경우, 스티어링 휠(10)에 연결된 스티어링 샤프트(20)는 스티어링 휠(10)의 회전방향에 연동하여 회전되고, 스티어링 샤프트(20)의 회전에 의해 유압 피스톤(310)이 유압 실린더(320)의 길이방향(도면의 상하방향)으로 이동하면서, 제 1 유실(321) 또는 제 2 유실(322)에 유압이 발생시킨다. 이때, 제 1 유실(321) 또는 제 2 유실(322)에서 발생된 유압은 제 1 유압 라인(410)과 제 2 유압 라인(420)을 통해 스티어링 기어박스(100)에 전달될 수 있다.
유압 라인(400)은 유압 발생유닛(300)에서 발생된 유압을 스티어링 기어박스(100)에 전달한다. 보다 상세하게 유압 라인(400)은 유압 발생유닛(300)의 제 1 유실(321)과 스티어링 기어박스(100)의 제 1 챔버(121)를 연결하는 제 1 유압 라인(410)과, 유압 발생유닛(300)의 제 2 유실(322)과 스티어링 기어박스(100)의 제 2 챔버(122)를 연결하는 제 2 유압 라인(420)으로 구성된다.
이들 제 1 유압 라인(410)과 제 2 유압 라인(420)에는 바이패스 유닛(500)이 병렬적으로 연결된다.
도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 바이패스 유닛(500)은 유압 발생유닛(300)의 유압을 스티어링 기어박스(100)에 선택적으로 제공한다. 이 바이패스 유닛(500)은 제 1 유압 라인(410)과 제 2 유압 라인(420) 사이를 바이패스하여 연결하는 바이패스 유로(510)와, 상기 단속장치(600)의 단속 작동과 연동하여 상기 바이패스 유로(510)를 선택적으로 개폐하는 바이패스피스톤(520)로 구성된다.
더불어, 상기 단속장치(600)는 전류의 인가 여부에 따라 단속이 이루어지는 전자석클러치로서, 제1마찰판(610) 및 제2마찰판(620)을 포함하여 구성된다.
즉, 스티어링 샤프트(20)의 중단부에 단속장치(600)가 구비되는데, 상기 제1마찰판(610)이 스티어링 휠 측으로 연결되고, 제2마찰판(620)이 유압 발생유닛(300) 측으로 연결됨으로써, 전원의 인가 여부에 따라 상기 제1마찰판(610)이 제2마찰판(620)에 대해서 직선 이동되어 제1마찰판(610) 및 제2마찰판(620)이 서로에 대해 연결 또는 해제될 수 있다. 여기서, 도면으로 도시하지는 않았지만, 제1마찰판(610) 및 제2마찰판(620)에는 전자기력을 선택적으로 제공하는 코일이 내장될 수 있다.
특히, 상기한 단속작동을 위해 이동되는 제1마찰판(610)에는 바이패스피스톤(520)이 결합됨으로써, 상기 제1마찰판(610)의 직선 이동과 연동하여 바이패스피스톤(520)이 함께 이동되고, 이에 바이패스 유로(510)를 선택적으로 개폐시키게 된다.
그리고, 상기 제1마찰판(610)의 일단부를 탄성 지지하는 탄성스프링(630)을 더 구비함으로써, 시스템의 고장시, 전자석클러치에 전류가 인가되지 않게 되면서, 탄성스프링(630)에 의해 제1마찰판(610) 및 제2마찰판(620)이 연결될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 일반 주행과 같은 평상시의 경우, 전자석클러치에 전원이 공급되면, 탄성스프링(630)이 압축되어 제1마찰판(610)과 함께 바이패스피스톤(520)이 함께 이동되면서 바이패스 유로(510)가 개방되고, 제 1 유압 라인(410)과 제 2 유압 라인(420)이 서로 연결된다. 이때, 유압 발생유닛(300)의 제 1 유실(321) 또는 제 2 유실(322)에서 발생된 유압은, 바이패스 유로(510) 및 유압 라인(400)을 순환할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전자제어유닛 또는 조향모터(200)가 고장나거나 전원 공급의 중단되는 등 시스템에 이상이 발생하는 경우, 전자석클러치에 전원 공급이 차단되면, 탄성스프링(630)이 원래 형태로 복원되면서 바이패스피스톤(520)에 의해 바이패스 유로(510)가 폐쇄된다. 이때, 유압 발생유닛(300)에서 발생된 유압은, 유압 라인(400)을 통해 스티어링 기어박스(100)에 제공될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 유 조인트 및 컬럼을 사용하는 종래 기술에 비하여, 스티어링 휠(10)의 회전력으로 발생된 유압을 유압 라인(400)을 통해 스티어링 기어박스(100)에 전달하므로, 별도의 유 조인트 및 컬럼 구성이 불필요하고, 결국, 조인트 및 컬럼의 설치를 위한 공간이 불필요해지므로, 각 부품의 설치 위치에 대한 자유도가 높아질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 평상시 MDPS(Motor Driven Power Steer)의 조향모터를 이용하여 차량의 조향을 구현하고, 시스템의 이상 발생시 유압을 이용하여 스티어링 휠의 조향력을 구동바퀴에 전달할 수 있고, 유압 발생유닛을 통해 스티어링 휠의 조향력을 구동바퀴에 전달할 수 있으므로, 컬럼과 유조인트가 기계적으로 연결된 종래 기술과 비하여, 스티어링 휠의 회전력으로 발생된 유압을 유압 라인을 통해 스티어링 기어박스에 전달하므로, 별도의 유 조인트 및 컬럼 구성이 불필요하고, 결국, 조인트 및 컬럼의 설치를 위한 공간이 불필요해지므로, 각 부품의 설치 위치에 대한 자유도가 높아질 수 있다는 등의 우수한 장점을 갖는다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 스티어링 기어박스 110 : 랙바
111 : 스티어링 피스톤 120 : 스티어링 실린더
200 : 조향모터 300 : 유압 발생유닛
310 : 유압 피스톤 320 : 유압 실린더
400 : 유압 라인 500 : 바이패스 유닛
510 : 바이패스 유로 520 : 바이패스피스톤
600 : 단속장치 610 : 제1마찰판
620 : 제2마찰판 630 : 탄성스프링

Claims (9)

  1. 구동바퀴를 조향시키기 위한 스티어링 기어박스;
    상기 스티어링 기어박스에 구동력을 제공하는 조향모터;
    스티어링 휠의 회전 토크를 이용하여 유압을 발생시키는 유압 발생유닛;
    상기 유압 발생유닛에서 발생된 유압을 상기 스티어링 기어박스에 전달하기 위한 유압 라인;
    상기 유압 라인 상에 배치되어, 상기 유압 발생유닛의 유압을 상기 스티어링 기어박스에 선택적으로 제공하는 바이패스 유닛;
    상기 스티어링 휠과 유압 발생유닛 간의 단속 작동에 따라 상기 스티어링 휠의 회전 토크를 상기 유압 발생유닛에 선택적으로 제공하면서 바이패스 유닛을 연동하여 작동시키는 단속장치;를 포함하고,
    상기 바이패스 유닛은
    상기 유압 라인에 연결되는 바이패스 유로;
    상기 단속장치의 단속 작동과 기구적으로 연동하여 상기 바이패스 유로를 선택적으로 개폐하는 바이패스피스톤;을 포함하며,
    상기 단속장치는 전류의 인가 여부에 따라 제1마찰판 및 제2마찰판이 상호 단속 가능하게 구성되며;
    단속을 위해 이동되는 마찰판에 상기 바이패스피스톤을 결합한 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스티어링 휠의 회전을 감지하여 회전신호를 인가하는 토크센서; 및
    상기 회전신호를 인가받아 상기 조향모터에 작동신호를 제공하는 전자제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압 발생유닛은,
    상기 스티어링 휠에 연결된 스티어링 샤프트의 회전에 의해 직선 이동하는 유압 피스톤; 및
    내부공간이 상기 유압 피스톤에 의해 제 1 유실과 제 2 유실로 구획되는 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 바이패스 유닛은,
    상기 조향모터에 이상이 발생되거나 전원 공급이 차단될 때, 상기 단속장치가 연결되면서 상기 유압 피스톤의 작동에 의한 유압 발생유닛의 유압을 상기 스티어링 기어박스에 제공하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 스티어링 휠의 회전에 반력을 제공하기 위한 반력 발생유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 스티어링 기어박스는,
    스티어링 피스톤이 형성된 랙바; 및
    상기 스티어링 피스톤을 중심으로 제 1 챔버와 제 2 챔버로 구획되는 스티어링 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 유압 피스톤의 내경면에는
    상기 스티어링 샤프트에 형성된 웜 기어부에 맞물리는 웜 나사부가 형성되는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템.
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