RV減速器設計

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CAD/CAE/CAM理論與應用 一、 初步設計 1 1. 設計任務書 1 2. 原始數據 1 3. 傳動系統(tǒng)方案的擬定 1 二、 電動機的選擇 2 1. 電動機容量的選擇 2 2. 電動機轉速的選擇 2 3. 電動機型號的選擇 2 三、 計算傳動裝置的運動和動力參數 3 1. 傳動比的分配 3 2. 各軸轉速計算 3 3. 各軸功率計算 3 4. 各軸轉矩計算 3 5. 將上述計算結果匯總于下表，以備查用: 4 四、 傳動系統(tǒng)的總體設計 4 1. 一級直齒輪傳動的設計計算 4 2. 擺線齒輪傳動的設計計算 7 3. 擺線齒輪三維建模 8 五、 軸的設計 13 1. 曲柄軸的設計 13 2. 輸入軸的設計 14 六、 減速箱的潤滑方式、潤滑劑及密封方式的設計 15 1、 齒輪的潤滑方式及潤滑劑的選擇 15 2、 密封方式的選擇 15 七、 其他附件設計 15 八、 運動仿真 15 九、 設計心得 19 十、 附圖及附表 20 參考文獻 28 29 一、 初步設計 1. 設計任務書 （1） 功率P：約4.3kW； （2） 減速比i：81； （3） 輸出軸轉速n：5r/min； （4） 正反轉輸出回差：60arcsec； （5） 設計壽命：3000 小時； （6） 結構尺寸不超過：φ380mm200mm； （7） 效率：大于85%； 2. 原始數據 表1-1 原始數據 題號 參數 RV減速器設計 功率P/kW 4.3 輸出軸轉速n/( r/min ) 5 減速比i 81 3. 傳動系統(tǒng)方案的擬定 圖1-1 RV傳動簡圖 1—漸開線中心輪 2—漸開線行星輪 3—曲柄軸 4—擺線輪 5—針齒 6—輸出盤 7—針齒殼（機架） 二、 電動機的選擇 按照設計任務書要求選用Y系列一般用途的三相異步電動機，額定電壓380V 1. 電動機容量的選擇 根據給定條件可知工作計劃所需有效功率： （2-1） 電動機輸出功率公式為： （2-2） 式中的為電動機到工作機軸的傳動裝置總功率。，根據《機械綜合課程設計》附表A-5，取各效率分別為：（8級閉式齒輪傳動）、（滾子軸承）、（擺線齒輪單級傳動）。 則傳動裝置的總效率為： （2-3） 電動機輸出功率為 （2-4） 因載荷平穩(wěn)，電動機額定功率只需大于即可，查表可選擇電動機的額定功率 2. 電動機轉速的選擇 根據給定條件可知減速器輸出轉速為 （2-5） 由于給定RV減速器總傳動比為，因此計算得電動機所需轉速應為 （2-6） 綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸，質量及價格因素，為使傳動裝置緊湊，決定采用同步轉速為的Y系列三向異步電動機Y160M2-8，滿載轉速為。 3. 電動機型號的選擇 根據《機械設計課程設計》電動機類型、容量和轉速，由電機產品目錄或有關手冊選定電動機型號為Y160M2-8。其主要性能如表2-1所示。 表2-1 Y160M2-8型電動機的主要性能 型號 額定功率 /kw 滿載轉速/(rmin-1) 同步轉速(rmin-1) 電動機中心高 H/mm 外伸軸直徑和長度 D/mmE/mm Y160M2-8 5.5 720 750 160 42110 三、 計算傳動裝置的運動和動力參數 1. 傳動比的分配 RV減速器的總傳動比為： 分配傳動裝置各級傳動比為： ，為使針齒殼（機架）外形尺寸不至于過大，初選一級行星齒輪傳動比，則擺線齒輪傳動比 2. 各軸轉速計算 根據給定條件可知輸出軸轉速：，則： 擺線齒輪轉速：； 曲柄軸轉速：； 輸入軸轉速：； 3. 各軸功率計算 由《機械設計課程設計》查得滾子軸承傳動效率，8級斜齒輪傳動效率，擺線齒輪單級傳動，則 總效率：； 曲柄軸功率：； 擺線齒輪功率：； 輸出軸功率：。 4. 各軸轉矩計算 電機的輸出轉矩： ； 曲柄軸轉矩： ； 擺線齒輪轉矩： ； 輸出軸轉矩： ； 5. 將上述計算結果匯總于下表，以備查用: 表3-1 各軸的相關參數 電動機軸 曲柄軸 擺線齒輪 輸出軸 轉速 405 162 5 5 功率P/kw 4.859 4.713 4.527 4.3 轉矩 114.5 277.8 8646.5 8213 傳動比 2.5 32.4 1 四、 傳動系統(tǒng)的總體設計 1. 一級直齒輪傳動的設計計算 （1） 選擇齒輪材料和熱處理、精度等級、齒輪齒數 考慮到一級小齒輪與輸入軸為一體結構，則選大、小齒輪材料均用38CrMoAIA，調質后氮化，255~321HBS，8級精度，軟齒面。 選小齒輪齒數,則大齒輪齒數，實際傳動比。 （2） 按齒面接觸疲勞強度設計 閉式軟齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面接觸強度，故按接觸強度設計，校核齒根彎曲疲勞強度。 （4-1） 確定式中各項數值： 因載荷平穩(wěn)，可初選載荷系數； 已知： （4-2） 由《機械設計》表6-6，選??； 由《機械設計》表6-5，查得鍛鋼彈性系數； 由《機械設計》圖6-14，查得； 由式 （4-3） 計算得； 由《機械設計》圖6-13，查得； 由式 （4-4） （4-5） 計算得小、大齒輪工作應力循環(huán)次數、； 由《機械設計》圖6-15查得， 由《機械設計》圖6-16d，按小齒輪齒面硬度255~321HBS均值288HBS，在MQ線和ML線中間查得小齒輪接觸疲勞極限；同理，由圖6-16d查得大齒輪接觸疲勞極限，；取失效概率，則 （4-6） （4-7） 取設計齒輪參數。 將確定厚的各項數值代入設計公式，求得 修正： （4-8） 由《機械設計》表6-3查得； 由《機械設計》圖6-7查得； 由《機械設計》表6-4查得； 由《機械設計》圖6-10查得； 則 （4-9） （4-10） 由于需要保證齒輪分布均勻，因此由《機械設計》表6-1，選取第一系列標準模數 齒輪主要幾何尺寸： （4-11） 則小齒輪分度圓直徑為： （4-12） 大齒輪分度圓直徑為： （4-13） 根據計算出來的最小可用直徑來計算齒寬為 （4-14） 取， （3） 校核齒根彎曲疲勞強度 （4-15） 計算當量齒輪端面重合度 由《機械設計》可知： 由《機械設計》式6-13，得： （4-16） 由《機械設計》圖6-19、圖6-20按查得： ，； ，； 由《機械設計》圖6-21查得， 由《機械設計》圖6-22c，按小齒輪齒面硬度255~321HBS均值288HBS，在MQ線上查得；同理，由圖6-22c查得，；??； （4-17） （4-18） 將確定出的各項數值代入彎曲強度檢核公式，得 （4-19） （4-20） 齒根彎曲疲勞強度足夠。 2. 擺線齒輪傳動的設計計算 （1） 選擇齒輪材料和熱處理、精度等級、齒輪齒數 為了提高承載能力，并使結構緊湊，擺線輪、針齒銷、針齒套、柱銷、柱銷套均選用軸承鋼GCr15，熱處理硬度取58~62HRC。 由于本設計里輸入端為輸入齒輪，輸出端為軸， RV減速器減速比為,因此減速器速比值，根據公式 （4-21） 可計算出針輪齒數，即擺線輪齒齒數為。 （2） 擺線針輪傳動的基本參數 擺線針輪傳動是以、、作為基本參數，將其他各參數盡可能化為、及的函數，在此引用一下兩個參數： ① 短幅系數 （4-22） 的取值不同，擺線輪的齒形就不同，會影響傳動的性能指標，所以這是一個很重要的系數。值既不宜取得過大，也不能取得過小。 比較合理的值應通過整機優(yōu)化設計來確定，其推薦用值列于表4-1： 表4-1 短幅系數推薦用值 根據擺線輪齒齒數，初選。 ② 針徑系數 （4-23） 時，針齒間沒有間隙，為保證針齒與針齒殼的強度，針徑系數一般不小于1.25~1.4?？紤]到針齒彎曲強度，的最佳范圍為，最大不超過4。針徑系數的推薦值列于表4-2： 表4-2針徑系數推薦用值 根據針輪齒數，初選 根據經驗公式 （4-24） 可計算得； 則根據公式（4-22）和（4-23），可計算得中心距，，取， 由《齒輪傳動設計手冊》表7-53可查得，由于， 因此該尺寸合理，不會發(fā)生頂切。 再根據圓整后的，，可計算出，，均符合要求。 由可得擺線齒輪齒寬，由于需要安裝軸承，因此齒寬需不小于軸承寬度，最終得。 3. 擺線齒輪三維建模 本設計里的其中一個難點是用CATIA繪制出RV減速器的擺線齒輪。由于CATIA沒有自帶的齒輪庫和齒輪生成器，因此只能利用零件模塊繪制齒輪，若利用繪制漸開線齒輪的方法來畫擺線齒輪，將會需要幾十個點和樣條線才能畫出比較規(guī)范的輪廓，這樣計算量及操作量很大，修改麻煩，不予以考慮，因此在這里我利用CATIA的宏命令來繪制擺線齒輪。 首先確定好擺線齒輪短幅外擺線的參數方程，，即式（4-25）和式（4-26）： （4-25） （4-26） 在這里可以知道需要前面計算的、、、這幾個參數 由上述計算可知： 、、、； 則代入式（4-25）和式（4-26）可得 （4-27） （4-28） 在CATIA安裝文件夾\B20\win_b64\code\command中找到GSD_PointSplineLoftFromExcel.xsl文件，如圖4-1可以看到有A、B、C三列數據，分別為X、Y、Z的坐標。 圖4-1 GSD_PointSplineLoftFromExcel.xsl文件圖 新建一個Excel表格，將式（4-27）和式（4-28）以分別填入A1、B1中，在D列填充以0為初始值，30為最終值，差值為0.1的等差序列，再將 A1、B1中的參數替換成D1的數值，C列數值全為0，即以0.1的間隔來給擺線齒輪的短幅外擺線取點，再用樣條線連接起來，形成較為精準的短幅外擺線；最后，利用填充命令，填充X、Y點數值，形成301個點坐標，如圖4-2。 圖4-2 數據填充 接下來將填充得到的301個點坐標對應復制進GSD_PointSplineLoftFromExcel.xsl文件中； 圖4-3 數據復制 打開CATIA軟件，新建一個part，進入零件設計模塊； 圖4-4 新建零件 選擇GSD_PointSplineLoftFromExcel.xsl文件中的視圖選項卡（微軟2010版本），點擊“宏” 圖4-5 宏 在彈出的對話框中選擇“Feuil1.Main”，單擊“執(zhí)行”后在對話框內填寫“3”，單擊“確定”，即可自動根據301個坐標點在CATIA中生成點和樣條曲線。 圖4-6 宏對話框 圖4-7 選擇對話框 圖4-8 坐標點及樣條線 由于宏命令能生成的坐標點有限，不能完全生成完整的短幅外擺線，只能通過生成一段短幅外擺線，再通過陣列來做出完整的短幅外擺線。 將坐標點隱藏，在XY平面上過原點繪制一條與Y軸夾角為10的線段及一條過原點與 夾角為的線段，然后進入創(chuàng)成式外形設計，利用“分割”命令切出一個齒的短幅外擺線； 圖4-9 繪制分割線 圖4-10 分割短幅外擺線 利用旋轉命令，將切出的一個齒的短幅外擺線繞Z軸旋轉，勾選“確定后重復對象”復選框，確定后在對話框輸入29，勾選“相對”復選框，點擊確定生成各段短幅外擺線，再用接合命令將每一段短幅外擺線接合起來，最終生成擺線齒輪的短幅外擺線。 圖4-11 旋轉短幅外擺線 圖4-12 重復命令 圖4-13 接合短幅外擺線 依照上述步驟生成了擺線齒輪的短幅外擺線，但是這不是我們最終需要的曲線，擺線齒輪的齒形輪廓稱為齒廓線，是針齒沿著短幅外擺線移動一周時，針齒最靠近擺線齒輪圓心的那個點所生成的曲線，因此短幅外擺線與齒廓線的各個點的最小距離即為針齒半徑，在CATIA里可以通過短幅外擺線來生成齒廓線。 由于CATIA里的創(chuàng)成式外形曲線模塊里的偏移命令只能用于曲面，因此我們先將短幅外擺線拉升一定的長度，形成短幅外擺面，由于前面計算得擺線齒輪齒寬，因此直接拉伸即可； 圖4-14 拉伸短幅外擺線 然后通過“偏移”命令來生成齒廓面，由上面計算簡化得針齒半徑，因此將短幅外擺線像圓心偏移，即可得到齒寬為的齒廓曲面； 圖4-14 偏移短幅外擺線 生成齒廓曲面后，進入零件設計模塊，利用封閉曲面命令，將偏移出來的齒廓曲面封閉起來，再將多余的點線面隱藏起來，至此擺線齒輪大致外形建模完成。 圖4-15 封閉曲面 圖4-16 擺線齒輪模型 五、 軸的設計 1. 曲柄軸的設計 （1） 總結以上數據： 表5-1 曲柄軸的參數 功率 轉矩 轉速 壓力角 4.713 277.848 162 （2） 選擇軸的材料 軸的材料選40Cr鋼，調質處理。其機械性能由《機械設計》表8-1查得：，，，，，根據表8-3，取 （3） 初步確定軸的直徑 由公式初步估算軸的最小直徑為： 軸的最小直徑就是所安裝軸承的內徑，因此同時選取30206圓錐滾子軸承，其基本尺寸為，因此最小軸徑為。 （4） 確定軸的各段直徑和長度 軸段①和軸段⑤為安裝軸承段，直徑應與所選軸承內徑一樣大，則，由于軸段⑤僅需安裝軸承，因此長度與軸承內圈寬度一樣，為； 軸段①為正齒輪安裝軸，因此軸段①開有花鍵，便于與正齒輪連接，此外還需安裝軸承，在軸承和正齒輪之間還有輸出軸和主軸承，也即安裝軸承外圈的軸體，厚度為，軸承預留間隙為因此軸段①的長度為，其中軸段①前端處為卡環(huán)位置； 軸段②和軸段④為曲柄所在段，這兩段直徑長度一樣，但是軸線各偏離軸段①軸線，這兩段也需要安裝圓柱滾子軸承，為了方便軸段①和軸段⑤上的圓柱滾子軸承內圈的安裝拆卸，軸段②和軸段④的半徑不得大于，即不能超過，根據需要選取圓柱滾子軸承，其基本尺寸為，因此軸段②和軸段④的軸徑為，長度； 軸段③其實就是兩個曲柄之間的間距，為了不讓兩個擺線齒輪相互摩擦，設置軸段③長度為，軸徑為。 軸各段直徑和長度至此已初步確定，曲柄軸總長為。 圖5-1 曲柄軸 2. 輸入軸的設計 （1） 總結以上數據： 表5-2 輸入軸的參數 功率 轉矩 轉速 壓力角 4.859 114.576 405 （2） 選擇軸的材料 軸的材料選40Cr鋼，調質處理。其機械性能由《機械設計》表8-1查得：，，，，，根據表8-3，取 （3） 初步確定軸的直徑 由公式初步估算軸的最小直徑為： 由于輸入軸的內部還需有安裝電動機的槽，因此還需計算上電動機輸出軸的尺寸，因此初選； （4） 確定軸的直徑和長度 輸入軸需要齒輪來將輸入的動力傳遞給正齒輪，由于輸入齒輪的分度圓直徑，齒頂圓直徑，因此將輸入軸直接做成齒輪軸，則輸入軸齒輪部分直徑為，連接電機部分直徑； 由于輸入軸幾乎貫穿整個RV減速器，因此軸的長度需在曲柄軸的基礎上再加上支撐法蘭的厚度，主軸承為分離型角接觸球軸承，型號為，其基本尺寸為，因此軸長為，其中齒輪部分長度為。 圖5-2 輸入軸 六、 減速箱的潤滑方式、潤滑劑及密封方式的設計 1、 齒輪的潤滑方式及潤滑劑的選擇 根據浸油齒輪的最大圓周速度，則軸承潤滑方式采用脂潤滑。查《機械設計課程設計》表14-2，選用鈉基潤滑脂ZN-2（GB/T492-1989）。 2、 密封方式的選擇 機架的密封采用骨架油封密封，其基本尺寸如表6-1； 表6-1 高速軸骨架油封 軸徑 340 380 20 七、 其他附件設計 定位銷：根據《機械設計課程設計》表12-2，選取圓柱銷 八、 運動仿真 運動仿真是對組裝好的三維模型進行仿真，以便觀察其運動軌跡和運動模式。 首先需要知道的是該變速器的固定件，原動件，被動件及自由度。本次仿真將變速器殼體當作固定件，以輸入軸為原動件，從而帶動正齒輪轉動，而正齒輪通過花鍵與凸輪軸連接起來，帶動凸輪軸轉動，由于凸輪軸的兩個偏心輪通過圓柱滾子軸承連接在兩個擺線齒輪上，因此在凸輪軸轉動的時候，兩個擺線齒輪也會跟著凸輪軸進行交錯運動，此時擺線齒輪上的齒和殼體壁相互嚙合，由于殼體為固定件，因此擺線齒輪相對于殼體運動，從而帶動凸輪軸繞擺線齒輪中心轉動，最終帶動通過軸承連接在凸輪軸上的輸出軸轉動。 圖8-1 結構圖 根據上述運動，首先在CATIA裝配圖里將與外殼固定的部件進行剛性接合，如骨架油封，7654B角接觸球軸承的外圈。 圖8-2 外殼與骨架油封、軸承外圈的剛性接合 接著就是輸入軸與正齒輪的齒輪接合，由于正齒輪與凸輪軸之間為剛性接合，因此在這里也可以將凸輪軸代替正齒輪來進行齒輪接合。在CATIA里每創(chuàng)建一個齒輪接合都需要兩個旋轉接合，且這兩個旋轉接合必須是在同一個零件上創(chuàng)建旋轉接合，縱觀整個減速器，可知輸入軸與輸出軸之間有相對轉動，凸輪軸也與輸出軸有相對轉動，因此在這里將輸入軸和凸輪軸均與輸出軸進行旋轉接合，得到兩個旋轉接合，再通過齒輪接合將這兩個旋轉接合結合起來，形成一個齒輪接合，另外兩條凸輪軸也需要重復以上步驟與輸入軸建立齒輪接合。 圖8-3 輸入軸、凸輪軸與輸出軸的相對位置 圖8-4 齒輪接合設置對話框 圖8-5 齒輪接合與旋轉接合 齒輪接合創(chuàng)建完成后，需要將和曲柄軸連接在一起的零件利用剛性接合連接起來，使得在進行運動仿真的時候，齒輪、卡環(huán)和曲柄軸同步運動。 圖8-6 正齒輪、卡環(huán)與輸出軸的剛性接合 由于輸入軸與輸出軸、支撐法蘭、殼體、角接觸球軸承均有相對旋轉，而在前面已經有創(chuàng)建輸入軸與輸出軸的旋轉接合，因此若要將輸入軸、輸出軸與殼體連接起來，則可以創(chuàng)建輸入軸與殼體的旋轉接合，或者創(chuàng)建輸出軸與殼體的旋轉接合，以實現輸入軸、輸出軸與殼體三者之間的旋轉。 圖8-7 輸出軸與殼體的旋轉接合 接下來則將與凸輪軸過盈接合的圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承進行剛性接合，由于本裝配是將軸承的內外圈、滾子、保持架先進行部分裝配，然后再進行整體裝配，因此導入后系統(tǒng)默認子裝配里的零件均為剛性接合，若要將內外圈分開分別與相鄰過盈部件進行剛性接合，則可在裝配文件名上右鍵，選擇“*** 對象——柔性/剛性子裝配”來轉換裝配性質，然后就可以分別將內外圈與其接觸零件進行剛性接合；另外一種方法則可將軸承當作一個整體，與內/外圈接觸零件進行剛性接合，則與外/內接觸零件進行旋轉接合，也可實現軸承裝配運動。本仿真里由于計算機性能有限，為了減少仿真數據計算，降低電腦負荷，則將軸承隱藏起來，不加入仿真運動里，直接在凸輪軸與兩個擺線齒輪之間創(chuàng)建旋轉接合。 圖8-8 轉換裝配性質 圖8-9 凸輪軸與擺線齒輪之間的旋轉接合 接下來創(chuàng)建輸入軸與兩個擺線齒輪之間的運動接合，由于擺線齒輪的中心點與輸入軸的軸線有一個固定的偏心距，因此擺線齒輪的運動軌跡則是以偏心距為半徑，繞輸入軸軸線旋轉的一個圓周運動，因此在輸入軸軸線某一平面上作以偏心距為半徑的一個圓，再在擺線齒輪中心點同一平面創(chuàng)建一個點，使得在裝配體中點位于圓周線上； 以上步驟完成后就可以創(chuàng)建輸入軸與兩個擺線齒輪之間的運動接合，選擇“點曲線接合”命令，分別選擇點與圓，則可創(chuàng)建輸入軸與兩個擺線齒輪之間的點線接合。 圖8-10 創(chuàng)建點與圓 圖8-11 輸入軸與擺線齒輪之間的點曲線接合 最后一步則是創(chuàng)建擺線齒輪與柱銷的嚙合運動，本減速器將柱銷與殼體做成一體，因此需要創(chuàng)建擺線齒輪與殼體的嚙合運動；由于擺線齒輪的齒廓與柱銷圓周線相切，則可看成擺線齒輪與柱銷進行滑動曲線接合，因此提取擺線齒輪齒廓線，再在同一平面創(chuàng)建一個與柱銷半徑一樣的圓，使得兩條曲線始終相切。 圖8-12 擺線齒輪與殼體之間的滑動曲線接合 至此，該減速器運動仿真約束部分已經完成，裝配體自由度為2。接下來只需要添加一個運動命令和一個固定零件，使得裝配體自由度變?yōu)?，即可完成仿真，命令可以是旋轉接合的命令，也可以是點曲線接合等的命令，在這里有一點需要注意的是，添加齒輪接合命令時，需要先將齒輪接合命令的兩個子旋轉接合的其中一個添加旋轉命令，然后才能添加齒輪接合命令。 圖8-13 添加驅動命令及固定零件 九、 設計心得 十、 附圖及附表 圖10-1 RV減速器裝配圖前端 圖10-2 RV減速器裝配圖后端 圖10-3 RV減速器裝配爆炸圖 圖10-4 擺線齒輪 圖10-5 減速器殼體 圖10-6 曲柄軸 圖10-7 正齒輪 圖10-8 輸入軸 圖10-9 輸出軸正面 圖10-10 輸出軸反面 圖10-11支撐法蘭 圖10-12卡環(huán) 圖10-13 RV減速器裝配二維圖 圖10-14 輸出軸二維圖 圖10-15 輸入軸二維圖 圖10-16 減速器殼體二維圖 圖10-17 擺線齒輪1二維圖 圖10-18 擺線齒輪2二維圖 圖10-19 凸輪軸二維圖 圖10-20 支撐法蘭二維圖 圖10-21 正齒輪二維圖 圖10-22 軸承卡環(huán)二維圖 圖10-23 正齒輪卡環(huán)二維圖 圖10-24 定位銷二維圖 參考文獻 [1] 朱玉.機械綜合課程設計[M].北京：機械工業(yè)出版社.2012.3 [2] 成大先.機械設計手冊.單行本.潤滑與密封[M].北京：化學工業(yè)出版社.2004.1 [3] 成大先.機械設計手冊.單行本.齒輪機構[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.1 [4] 成大先.機械設計手冊.單行本.軸承[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.1 [5] 成大先.機械設計手冊.單行本.聯接與緊固[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.1 [6]譚慶昌.趙洪志.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2008.3 [7] 孫恒.陳作模.葛文杰.機械原理（第八版）[M].北京:高等教育出版社,2013.5 [8] 朱孝錄.齒輪傳動設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.7 [9]JB/T 2982-94,擺線針輪減速機[S]. 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