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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Lenkeinrichtung
für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 102 39 143
A1 ist eine hydraulische Lenkeinrichtung für ein
Fahrzeug bekannt, die in einem Hydraulikkreis eine Lenkhelfpumpe
sowie ein Lenkgetriebe mit Drehschieberventil und Lenkzylinder aufweist.
Ferner ist ein Regelventil zum bedarfsabhängigen Einstellen
eines Volumenstroms eines Hydraulikmittels vorgesehen. Bei der bekannten Lenkeinrichtung
ist das Regelventil druckseitig in oder an der Pumpe so angeordnet,
dass das Regelventil den von der Pumpe kommenden Volumenstrom in
einen Basisteilstrom und einen Regelteilstrom aufteilt, wobei der
Basisteilstrom unabhängig vom Betriebszustand des Regelventils
ist, während der Regelteilstrom abhängig vom Betriebszustand des
Regelventils ist. Ferner ist ein die Pumpe umgehender Bypass vorgesehen,
in dem ein Druckbegrenzungsventil angeordnet ist. Aus einem Reservoir saugt
die Pumpe das Hydraulikmittel an. Der Hydraulikkreis führt
vom Lenkgetriebe zum Reservoir zurück.
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Die
Pumpe ist üblicherweise mit einer Brennkraftmaschine des
mit der Lenkeinrichtung ausgestatteten Fahrzeugs antriebsgekoppelt,
derart, dass die Pumpe im Betrieb der Brennkraftmaschine permanent
angetrieben ist. Der von der Pumpe geförderte Hydraulikmittelvolumenstrom
hängt somit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab.
Die Auslegung der Pumpe erfolgt so, dass sie bei Leerlaufdrehzahl der
Brennkraftmaschine einen Volumenstrom bereitstellt, der eine für
den Rangierbetrieb benötigte Lenkkraftunterstützung
durch die Lenkeinrichtung ermöglicht. Bei höheren
Drehzahlen der Brennkraftmaschine und/oder bei Geradeausfahrt fördert
die Pumpe daher regelmäßig einen zu großen
Volumenstrom. Dies ist mit Reibungsverlusten verbunden, die einerseits
eine Kühlung des Hydraulikmittels erforderlich machen können
und die andererseits vergleichsweise viel Leistung von der Brennkraftmaschine
abziehen. Durch das bedarfsabhängige Einstellen des Regelteilstroms
kann bei der bekannten Lenkeinrichtung ein Teil des Druckverlusts
beim Durchströmen des Lenkgetriebes reduziert werden, was
den Energieverbrauch der Pumpe senkt. Dennoch wird bei der bekannten
Lenkeinrichtung der Basisteilstrom permanent durch das Lenkgetriebe
gefördert, auch wenn keine Lenkkraftunterstützung
erforderlich ist.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Lenkeinrichtung der eingangs genannten Art eine
verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere
dadurch auszeichnet, dass die Lenkeinrichtung weniger Antriebsenergie
benötigt, so dass ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug
einen reduzierten Kraftstoffverbrauch besitzt.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Regelventil in
dem die Pumpe umgehenden Bypass anzuordnen.
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Durch
Entfernen des Regelventils aus der die Pumpe mit dem Lenkgetriebe
verbindenden Druckleitung, können Strömungsverluste,
die bereits durch das Regelventil verursacht werden, vermieden werden,
wodurch die Pumpe weniger Energie benötigt. Des Weiteren
kann der zum Lenkgetriebe geförderte Volumenstrom durch
die vorgeschlagene Anordnung indirekt durch Steuern des durch den
Bypass geleiteten Volumenstroms eingestellt werden. Da der Bypass
einen deutlich niedrigeren Durchströmungswiderstand besitzt
als das Lenkgetriebe, führt ein Öffnen des durchströmbaren
Querschnitts des Bypasses zu einer Zunahme des Volumenstroms durch
den Bypass, während gleichzeitig proportional dazu der
Volumenstrom durch das Lenkgetriebe abnimmt, ohne dass hier der
durchströmbare Querschnitt der zum Lenkgetriebe führenden
Druckleitung beeinflusst werden muss. Diese indirekte Volumenstromsteuerung
für das Lenkgetriebe führt somit zu reduzierten
Strömungswiderständen. Die Pumpe kann insgesamt
kleiner dimensioniert werden. Ihre Leistungsaufnahme lässt
sich reduzieren, was auch zu einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs
genutzt werden kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform kann eine Druckleitung des
Hydraulikkreises die Pumpe direkt mit dem Lenkgetriebe verbinden.
Aufgrund der direkten Verbindung zwischen Pumpe und Lenkgetriebe
entfallen zusätzliche Komponenten, die in der Druckleitung
zwischen Pumpe und Lenkgetriebe angeordnet sind und nur eine indirekte
Verbindung ermöglichen würden. Durch den Wegfall
derartiger zwischengeschalteter Komponenten, reduziert sich der
Druckverlust zwischen Pumpe und Lenkgetriebe im Wesentlichen auf
den Leitungsverlust der Druckleitung.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Pumpe
ungedrosselt bzw. ventilfrei mit dem Lenkgetriebe verbunden sein.
Das heißt, in der Druckleitung selbst ist kein Ventil angeordnet,
das auch im geöffneten Zustand eine Drosselstelle bilden
könnte. Somit kann die Pumpe im Bedarfsfall den Volumenstrom
quasi verlustfrei zum Lenkgetriebe fördern.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Die
einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte,
schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Lenkeinrichtung.
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Entsprechend 1 umfasst
eine hydraulische Lenkeinrichtung 1, die in einem Kraftfahrzeug zur
Lenkkraftunterstützung verwendet werden kann, einen Hydraulikkreis 2,
in dem ein Hydraulikmittel, insbesondere ein Öl, zirkuliert
und in den eine Pumpe 3, ein hydraulisches Lenkgetriebe 4 sowie
ein Reservoir 5 eingebunden sind. Die Pumpe 3 ist
mit einer Brennkraftmaschine 6 des mit der Lenkeinrichtung 1 ausgestatteten
Fahrzeugs antriebsverbunden, was hier durch eine Welle 7 angedeutet
ist. Diese Antriebsverbindung arbeitet permanent, so dass die Pumpe 3 bei
arbeitender Brennkraftmaschine 6 permanent Hydraulikmittel
im Hydraulikkreis 2 antreibt. Eine Saugseite der Pumpe 3 ist über
eine Saugleitung 8 mit dem Reservoir 5 verbunden.
Eine Druckseite der Pumpe 3 ist über eine Druckleitung 9 mit dem
Lenkgetriebe 4 verbunden. Das Lenkgetriebe 4 kann
beispielsweise ein Drehschieberventil und/oder ein Kolben-Zylinder-Aggregat
aufweisen, um die Lenkhelfkräfte beispielsweise auf eine
Lenkstange der Fahrzeuglenkung zu übertragen. Eine Rücklaufleitung 10 fördert
das Hydraulikmittel vom Lenkgetriebe 4 zum Reservoir 5 zurück.
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Die
Lenkeinrichtung 1 weist einen Bypass 11 auf, der
die Pumpe 3 umgeht. Hierzu besitzt der Bypass 11 eine
Bypassleitung 12, die druckseitig der Pumpe 3 beginnt
und saugseitig der Pumpe 3 endet. Im gezeigten Beispiel
ist die Bypassleitung 12 über eine Entnahmestelle 13 von
der Druckleitung 9 abgezweigt. Ferner ist sie ausgangsseitig
an das Reservoir 5 angeschlossen. Ebenso ist es möglich,
die Entnahmestelle 13 unmittelbar an der Saugseite der Pumpe 3 anzuordnen.
Ebenso ist es grundsätzlich möglich, die Bypassleitung 12 an
die Saugleitung 8 oder unmittelbar an die Saugseite der
Pumpe 3 anzuschließen.
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In
diesem Bypass 11 ist ein Regelventil 14 angeordnet,
das elektrisch betätigbar ist und mit dem der Volumenstrom
des Hydraulikmittels im Bypass 11 bzw. durch die Bypassleitung 12 einstellbar
ist. Zur Betätigung des Regelventils 14 dient
ein Stellglied 15, das mit Hilfe eines Steuergeräts 16 betätigbar
ist bzw. angesteuert werden kann. Ferner ist eine Rückstelleinrichtung 17 vorgesehen,
die das Regelventil 14, zum Beispiel bei Stromausfall,
in eine unbetätigte Ausgangsstellung antreibt, in welcher
das Regelventil 14 den durchströmbaren Querschnitt
des Bypasses 11 bzw. der Bypassleitung 12 sperrt.
Insoweit ist die Lenkeinrichtung 1 ausfallsicher ausgestaltet (Fail-Safe-Prinzip),
da bei Stromausfall der Bypass 11 gesperrt ist und folglich
der gesamte von der Pumpe 3 geförderte Volumenstrom
dem Lenkgetriebe 3 zur Verfügung steht.
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Die
Pumpe 3 ist über die Druckleitung 9 direkt
mit dem Lenkgetriebe 4 verbunden. Insbesondere finden sich
somit keinerlei zusätzliche Komponenten, wie Ventile und
Drosselstellen, zwischen dem Ausgang der Pumpe 3 und dem
Eingang des Lenkgetriebes 4. Auf diese Weise kann die Pumpe 3 im Wesentlichen
ungedrosselt und/oder ventilfrei mit dem Lenkgetriebe 4 verbunden
werden. Hierdurch entsteht eine weitgehend verlustfreie Verbindung
der Pumpe 3 mit dem Lenkgetriebe 4, was den Leistungsbedarf
der Lenkeinrichtung 1 reduziert.
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Das
Steuergerät 16 ist zweckmäßig
so programmiert bzw. ausgestaltet, dass es den Volumenstrom des
Hydraulikmittels zum Lenkgetriebe 4 in Abhängigkeit
wenigstens eines Betriebsparameters des mit der Lenkeinrichtung 1 ausgestatteten
Fahrzeugs einstellt. Die Einstellung des Volumenstroms durch die
Druckleitung 9 zum Lenkgetriebe 4 erfolgt dabei durch
Einstellen des durch den Bypass 11 geführten Volumenstroms.
Je größer der durch den Bypass 11 geführte
Volumenstrom, desto geringer ist der durch die Druckleitung 9 zum
Lenkgetriebe 4 geführte Volumenstrom. Wenn das
Regelventil 14 die Bypassleitung 12 sperrt, wird
der gesamte von der Pumpe 3 geförderte Volumenstrom
dem Lenkgetriebe 4 zugeführt. Ist dagegen das
Regelventil 14 so betätigt, dass es den durchströmbaren
Querschnitt des Bypasses 11 vollständig freigibt,
strömt der von der Pumpe 3 geförderte
Volumenstrom weitgehend und im Idealfall vollständig durch
den Bypass 11. Hierzu ist keine Sperrung des Hydraulikkreises 2 stromab der
Entnahmestelle 13 erforderlich, da das Hydraulikmittel
automatisch den Weg des geringsten Widerstands strömt.
Der Bypass 11 ist dabei gezielt so ausgelegt, dass sein
Durchströmungswiderstand bei geöffnetem Regelventil 11 deutlich
niedriger ist als der Durchströmungswiderstand des Lenkgetriebes 4. Somit
kann durch direktes Steuern des durch den Bypass 11 geführten
Volumenstroms der Volumenstrom zum Lenkgetriebe 4 indirekt
gesteuert werden.
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Die
Betriebsparameter, in deren Abhängigkeit das Steuergerät 16 das
Regelventil 14 bzw. dessen Stellglied 15 betätigt,
sind exemplarisch die Fahrzeuggeschwindigkeit, der Lenkradwinkel
und die Lenkradwinkelgeschwindigkeit. Das Steuergerät 16 erhält
die erforderlichen Betriebsparameter beispielsweise über
eine geeignete Sensorik 18 und/oder von einem Motorsteuergerät 19.
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Die
Pumpe 3, die auch als Lenkhilfepumpe bezeichnet werden
kann, ist somit permanent von der Brennkraftmaschine 6 angetrieben
und kann bei stationären Betriebszuständen einen
nahezu konstanten Volumenstrom fördern. Das variabel einstellbare Regelventil 14,
das insbesondere als Proportionalventil ausgestaltet sein kann und
das über das Stellglied 15 elektromagnetisch ansteuerbar
ist, ermöglicht es, direkt den Volumenstrom durch den Bypass 11 und
somit indirekt den Volumenstrom durch das Lenkgetriebe 4 zu
regeln bzw. einzustellen. Aus Sicherheitsgründen ist das
Regelventil 14 so gestaltet, dass sich bei stromlosem Zustand
das Regelventil 14 in einem Sperrzustand befindet. Im Falle
eines Fehlers in der Steuerelektronik bzw. bei einem Stromausfall
kann somit der gesamte Volumenstrom durch das Lenkgetriebe 4 geleitet
werden.
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Die
Volumenstromverhältnisse sind neben der Stellung des Regelventils 14 stark
abhängig vom Druck im Hydraulikkreis 2 stromab
der Entnahmestelle 13. Diese Zusammenhänge können
vereinfacht mit der Bernoulli-Gleichung beschrieben werden. Dabei
ergibt sich für die abfließenden Volumenströme, also
für die Aufteilung des von der Pumpe 3 geförderten
Volumenstroms auf die durch das Lenkgetriebe 4 und durch
den Bypass 11 geförderten Teilströme
ein physikalisch bzw. mathematisch beschreibbarer Zusammenhang.
Der Bypassvolumenstrom hängt neben dem Durchflussdruckverlust
des Hydraulikkreises 2 stromab der Entnahmestelle 13 und
dem Durchflussdruckverlust durch die Bypassleitung 12 stark
vom Durchflussdruckverlust des Lenkgetriebes 4 ab. Letzterer
ist von einer Kennlinie eines hier nicht dargestellten Lenkungsventils
abhängig. Während der Druckverlust näherungsweise
vom Lenkmoment des Fahrers unabhängig ist, steigt der Druck
im Lenkgetriebe mit zunehmendem Handmoment am Lenkrad an. Unter
Berücksichtigung der Kontinuitätsgleichung kann
die Volumenstromaufteilung auf den Bypass 11 und auf den
Hydraulikkreis 2 stromab der Entnahmestelle 13 in
mathematischer bzw. physikalischer Form beschrieben werden.
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Nimmt
man nun an, dass der Druck im Bypass 11 konstant ist und
durch das Regelventil 14 die Öffnungsquerschnittsfläche
der Bypassleitung 12 kontinuierlich mittels einer Steuerspannung am
Stellglied 15 verändert werden kann, lässt
sich der Volumenstrom in Abhängigkeit eines vom Fahrzeugführer am
Lenkhandrad aufgebrachten Handmoment sowie in Abhängigkeit
der Stellung des Regelventils 14 steuern. Der Zusammenhang
zwischen dem Volumenstrom im Hydraulikkreis und den anderen Parametern
kann nach Durchführung einer Parameteridentifikation entweder
durch das Lösen einer mathematischen bzw. physikalischen
Gleichung im Steuergerät 16 erfolgen oder alternativ
mit Hilfe eines im Steuergerät 16 abgespeicherten
Kennfelds. Besagtes Kennfeld kann beispielsweise mit Hilfe von Stützpunkten
im Steuergerät abgespeichert werden, zum Beispiel in Form
eines Lookup-Tables.
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Um
die Parameter identifizieren zu können, müssen
zunächst die Verlustdrücke im Bypass und im Hydraulikkreis 2 stromab
der Entnahmestelle 13 identifiziert, also gemessen werden.
Ferner muss der Zusammenhang zwischen Lenkgetriebedruck und Handmoment
(Ventilkennlinie) verifiziert werden. Außerdem muss der
Zusammenhang zwischen Steuerspannung und Öffnungsquerschnitt
des Regelventils 14 ermittelt werden. Des Weiteren sind
konstruktive Parameter zu erfassen, wie zum Beispiel die durchströmbaren
Querschnitte der Pumpe 3, der Druckleitung 9,
der Bypassleitung 12 etc. Im Hinblick auf die jeweilige
Ausführung der Pumpe 3 ist beispielsweise noch
die jeweilige Nennvolumenstromvariante zu erfassen.
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Für
die Erstellung des Kennfelds sind Messungen zur Erstellung von Stützpunkten
notwendig. Beispielsweise können Volumenstrommessungen
in Abhängigkeit vom Lenksystemdruck (Handmoment) für
verschiedene Ventilstellungen durchgeführt werden.
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Die
mit Hilfe der vorgeschlagenen Lenkeinrichtung 1 realisierbare
Regelstrategie sieht vor, das Regelventil 14 in jenen Situationen
zu öffnen, in denen auf die Hydraulikunterstützung
der Fahrzeuglenkung verzichtet werden kann, beispielsweise bei Geradeausfahrt
auf Autobahnen und Landstraßen. Für die Erfassung
der Situation sind dabei die Fahrgeschwindigkeit, der Lenkradwinkel
und die Lenkradwinkelgeschwindigkeit ausreichend, um auf die erforderliche
Lenkleistungsunterstützung bzw. Lenkkraftunterstützung
zurückzuschließen.
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Mittels
eines Versuchsfahrzeugs, das mit einem Messlenkrad und einer Drucksensorik
im Lenkgetriebe 4 sowie zur Erfassung der fahrdynamischen Größen
wie Fahrgeschwindigkeit, Lenkradwinkel und Lenkradwinkelgeschwindigkeit
ausgestattet ist, lässt sich der Bedarf an minimalem Volumenstrom
im Hydraulikkreis 2 stromab der Entnahmestelle 13 experimentell
ermitteln. Unter der Berücksichtigung des jeweiligen Baumusters
des Fahrzeugs (maximale Achslast, Lenkgetriebeübersetzung,
Lenkkinematikübersetzung) lässt sich im quasi-stationären
Zustand (Lenkgeschwindigkeit gleich Null) die Lenkunterstützungsleistung
(Lenkgetriebedruck × Volumenstrom im Lenksystem) für
verschiedene Geschwindigkeiten ermitteln. Bei kleinen Geschwindigkeiten
sowie beim Lenken im Stand spielen Reibungseffekte zwischen Straße
und Reifenlatsch eine dominierende Rolle, während bei hohen
Fahrgeschwindigkeiten die Fliehkräfte dominieren und zu
einem Rückstellmoment führen. Neben dieser quasi
stationären Betrachtung sind für verschiedene
Fahrsituationen Lenkgeschwindigkeitsänderungen zu untersuchen.
Zur Sicherstellung des Servodrucks im Lenkgetriebe 4 ist
in Abhängigkeit von der Verstellgeschwindigkeit des Lenkgetriebeservokolbens
ein bestimmter additiver Durchflussvolumenstrom erforderlich. Der
Zusammenhang zwischen Lenkwinkelgeschwindigkeit und additivem Volumenstrom
ist experimentell zu ermitteln, wobei es zu keinem starken Druckabfall
im Lenkgetriebe kommt.
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Für
die Volumenstromregelung kann folgender ganzheitlicher Ansatz realisiert
werden. In Abhängigkeit der jeweiligen Fahrsituation werden
der Systemdruck, also der Hydraulikdruck im Hydraulikkreis 2 stromab
der Entnahmestelle 13 und der minimale Volumenstrom, bestehend
aus einem quasi stationären und einem dynamischen additiven
Anteil ermittelt. In Abhängigkeit des Systemdrucks können die
Druckverhältnisse im Lenksystem und im Bypass 11 abgeleitet
werden. Daraus kann nun die jeweils erforderliche Ventilstellung
ermittelt werden. Mit anderen Worten, aus den Betriebsparametern
Fahrzeuggeschwindigkeit und Lenkwinkel wird über ein Berechnungsmodell
oder über ein Kennfeld ein quasi-stationärer minimal
notwendiger Volumenstrom ermittelt, während gleichzeitig
in Abhängigkeit des Betriebsparameters Lenkwinkelgeschwindigkeit
anhand von Berechnungen und/oder eines Kennfelds ein additiver bzw.
dynamischer Volumenstrom ermittelt wird. In einem Additionsglied
werden der quasistationäre Volumenstrom und der dynamische
Volumenstrom aufaddiert, um den jeweils aktuell erforderlichen Volumenstrom
zu erfassen. Mit Hilfe von Berechnungsmodellen bzw. mit Hilfe eines
Kennfelds kann nun das Regelventil 14 in Abhängigkeit
des aktuellen Volumenstroms entsprechend betätigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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