四轮独立驱动转向电动车传动及制动系统设计本科生毕业论文.docx
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四轮独立驱动转向电动车传动及制动系统设计本科生毕业论文
第1章绪论
1.1四轮独立驱动/转向电动车的特点
由于本设计侧重于四轮独立驱动/转向电动车的传动和制动系统的研究,因此本部分将着重分析该电动车在这两方面的特点。
本文研究的电动汽车四轮独立驱动系统利用四个独立控制的驱动电机分别驱动汽车的四个车轮,四个轮毂电机有四个控制器控制协调工作。
该系统无需轮边减速器,且车轮之间没有机械传动环节。
由于驱动电机嵌入到车轮轮毂内,我们把这种驱动电机称为轮毂电机。
这种驱动系统与传统汽车驱动系统相比有以下特点:
1)轮毂电机的动力性能更佳。
根据米奇克所编的《汽车动力学》的理论,汽车需要工作在一个的特性场内,传统内燃机发动机所能提供的特性场与汽车理想的驱动特性场差别比较大,所以必须增加一套“特性转换装置”,一般包括离合器、变速器、传动轴、主减速器和半轴组成[1]。
而对于驱动电机来说,它们的特性与理想的特性则比较接近;电机可以在短时间内发出较高功率,使得电动车的加速性能和爬坡性能优于传统内燃机汽车。
2)传动系统简化,传动效率高,有利于整车轻量化。
由于电机的特性曲线与理想的特性场相近,因而不需要“特性转换装置”由电动机直接驱动车轮甚至两者集成为一体[1]。
这样就不需要离合器、变速器及传动轴等传动环节,提高传输效率,并易于实现机电一体化。
另外,由于传动系统链缩短了,因此整车的振动及噪声水平都会下降不少。
这会将交通带进一个无声行驶时代。
但是,在实际交通环境中无声行驶,带来的很多问题,在汽车系统没有实现完全的智能化前,带来的往往祸大于福。
3)与传统汽车相比,四轮独立驱动技术在驱动力控制方面发挥的优势是其他汽车无法比拟的。
它可通过电动机来完成驱动力的控制,容易实现性能更好的、成本更低的TCS、ABS及ESP等系统[4]。
并且相对于传统汽车这些功能的实现,四轮独立驱动汽车具有响应速度快、结构简单的优点。
但是在这样的功能实现的工作模式下,存在着独立驱动的车轮之间的通信协同控制的一大难题。
4)制动能量回收可以易于实现,可以大大提高车辆能源效率,与一个电机驱动的电动汽车相比,能量回收效率也得到了显著的提高。
5)增大车厢空间。
由于四轮独立驱动汽车的驱动系统集成在每个车轮附近,即安装在悬架之下,这样悬架上部的空间变大。
但是这将导致电动车的非簧载质量下降,汽车行驶稳定性和乘坐舒适性可能受到影响。
1.2研究现状和发展趋势
轮毂电机电动车虽具有诸多优势,但是受到当前安全法规和技术条件的限制还不能投入广泛的生产和应用,四轮独立驱动/转向电动车就目前来说仍处于实验室研究阶段[3]。
2005年日本展出了MIEV型电动汽车[18]。
这款电动车的四个车轮皆安装了轮毂电机。
日本国内的一些高校如东京大学先后开发了“UOTElectricMarchI”和“UOTElectricMarchII”两款轮毂电机电动车[17]。
国内在这方面的研究起步较晚,且大多集中于各大高校的实验室内。
2012年吉林大学汽车学院完成了四轮独立驱动/转向电动车平台的搭建,并且深入的研究了基于有约束模型预测控制的驱动/制动/转向集成控制策略[3,17],如下图(a)所示。
但是该车的悬架系统实际上容易发生“卡死”而并不能发挥应有的作用;且该车仅仅配备了电磁制动器,这也将导致制动可靠性有所下降。
燕山大学也搭建了如下图(b)的试验车辆平台,并提出了提出了四轮独立驱动电动车等转矩和等功率驱动力分配策略。
同济大学分别于2002-2004年搭建了“春晖系列”电动汽车,具有四轮独立驱动、蟹行和原地90度转向的功能,但是也没有配备一套安全可靠的制动系统[22,13]。
(a)(b)
图1四轮独立驱动/转向电动车平台
1.3设计要求
要求电动车可以实现四轮独立驱动,每个车轮都由独立的轮毂电机驱动,且每个轮毂电机有自带的控制器,可以独立的控制其转速、转矩的输出。
四个车轮可以实现独立90度转向,使电动车可以实现斜行、横行和原地转向的功能,以提高电动车的通过性能。
为保证行车的安全性,该电动车应具备一套可靠性高的机械(或液压)制动系统。
整车要求:
表1整车参数
整车质量
900kg
轴距
2.000m
质心高度
0.540m
质心距前轴距离
1.000m
最高车速
100km/h
轮胎规格
165/60R1470P
驱动系统要求:
最高车速可以达到100km/h;在车速为18km/h下可以爬上20%的坡道;50km/h的加时间在8s以内。
制动系统要求:
本电动车应具备一套完备的行车制动系统,且安全可靠,制动距离应满足下表要求。
还应达到相应的制动效能恒定性要求和制动力平衡性要求。
其他要求应符合《机动车运行安全技术条件GB7258—2012》的相关要求。
表2制动检测项目参数要求[12]
机动车类型
踏板力N
制动初速度
km/h
试验通道宽度
m
检验制动距离要求m
乘用车
≤500
50
2.5
≤20
行驶稳定性要求:
本电动车平台的最终目的在于研究并实现其优良的控制性能,所以在平台的搭建同时,要考虑方便实现电子差速功能、驱动防滑转系统ASR和车身电子稳定系统ESP。
关于车身和各连接部件在满足强度条件下尽量实现轻量化。
关于相关连接部件、机构的设计和校核应满足《机械设计手册》的相关要求。
第2章电动汽车所需的动力参数设计
2.1驱动系统的性能要求
由于汽车的运行工况较复杂,与传统内燃机汽车一样,电动汽车使用的驱动轮毂电机需要频繁的起动和停车,并要求其具有较宽的调速范围,还需承受较大的冲击力和制动力,而且为实现顺利起步和正常运行,要求低速大转矩爬坡、高速小转矩运行,为减少额外损耗和节省整车布置空间,要求驱动系统具有较高的功率质量比或功率容积比。
同时为了尽可能实现车载能源的最大利用率,要求驱动系统的全工作范围运行效率高。
如图所示常用电动车驱动电机的特性曲线[4]。
根据电动汽车需要的动力特性,我们才能对电动汽车的动力传动系统进行设计,对电动汽车所需要的驱动电机类型进行合理地选择。
电机转速/(r/min)
图1-1驱动电机的机械特性[1]
2.2驱动系统的参数匹配
轮毂电机的参数主要有额定功率、转速和转矩。
选择合适的电机的对于电动车的动力性和经济性非常重要。
譬如对于额定功率,如果选择过小,则“小马拉大车”,电机经常工作在过载状态;相反,如果驱动电机功率过大,则电动车经常处于欠负荷工况下,整车效率降低;不仅浪费电能,而且增加动力电池容量,使电动车的优势得不到充分发挥。
本节所使用的计算方法主要是根据米奇克教授的《汽车动力学》和余志生教授的《汽车理论》中的汽车行驶方程式,同时也结合了本设计中电动汽车的特点。
2.2.1最大功率计算
选择轮毂驱动电机的额定功率时,应保证电动汽车能够在各种工况下正常运行。
下面是电动车行驶平衡方程:
其中各个形式阻力为
轮胎滚动阻力
空气阻力
坡道阻力
加速阻力
1.电动汽车以最高行驶速度估算电机额定功率
按照设计要求,电动车的最大设计车速为100km/h,则电动车以最大车速在平直路面上匀速行驶时的牵引力为
其中,Tp为转矩,Nm;M为整车质量,kg;fr为轮胎轮动阻力系数;ρ为空气密度,一般ρ=1.2258N·s2·m-4[1,8];A为电动车的迎风面积,这里近似取为2m2;CD为空气阻力系数,取为0.4,v为最大车速,m/s。
车轮的转矩为
汽车的功率为
2.按照最大爬坡度估算电机峰值功率
在车速为18km/h状态下,爬上20%的坡度,电动车所需的牵引力和转矩的计算公式为
其中,α为坡道坡度,单位度。
代入数据计算得出
牵引力
Ft=900×9.8×0.02×0.9806+0.5×1.2258×0.4×2×5×5+900×9.8×0.1961=1904.4N
转矩
Tp=1904.4×0.2768=530Nm
功率
Pi=9.57kW
3.加速功率计算
假设电动汽车在水平路面加速行驶,则电动车所消耗的功率为
其中,δ为电动汽车的旋转质量当量系数。
式中,IW为车轮总成(包括车轮和轮毂电机)的转动惯量(kg·m2);If为飞轮的转动惯量,电动车没有飞轮,所以If=1;i0为主减速比,ig为变速器的速比,皆为1;ηT为机械效率,为1;m=900kg;r=185.25mm。
车轮总成转动惯量IW的计算:
车轮总成的转动惯量包括轮毂、轮毂电机、车胎和制动盘的转动惯量。
进行简化计算。
轮胎部分,将其近似为刚性,J1=m1·r12,m1-----轮胎质量,r1-----轮胎半径(取轮心到轮胎断面中心的距离)。
此电动车采用165/60R14的车轮,计算得,r1=3561/2+16560%1/2=227.5mm,查找轿车轮胎―GB9743-2007,轿车轮胎系列―GB/T2978-2007,m1=2.5kg。
J1=m1·r12=2.50.22752=0.129kg·m2。
轮毂部分,J2=m2·r22,m2-----轮毂质量,根据经验估计m2=5kg。
r2----轮毂半径(取轮心到轮毂边缘的距离),轮毂半径近似用轮辋半径代替,r2=1/2356mm=178mm。
J2=m2·r22=50.1782=0.158kg·m2。
电机部分,J3=m3*r32,m3-----轮毂电机转子质量,r3-----转子半径(取轮心到转子断面中心的距离)。
根据技术手册轮毂电机转子质量m3=2.8kg,转子半径r3=110mm。
则J3=m3·r32=2.80.1102kg.m2=0.034kg·m2。
则
Iw=4·(J1+J2+J3)=4(0.129+0.158+0.034)=0.32kg·m2
电动汽车的旋转质量当量系数为
电动汽车驱动电机的额定功率应能同时满足汽车对最高车速、加速时间和最大爬坡度的要求,所以电动汽车轮毂电机的额定功率故应取三者当中的最大值。
Pe=15.7kW
取整,则电动车的额定功率为20kW,每台电机的额定功率可以选择5kW。
由于永磁无刷直流电动机的过载系数λ可以达到200%,所以电动车可以发出的最大功率为
Pmax=λPe=220kW=40kW
2.2.2最大转矩计算
驱动电机最大转矩Mm的选择
要满足汽车起步转矩和最大爬坡度的要求,在确定驱动电机的最大转矩时,认为汽车匀速行驶,则此时汽车的行驶方程为
将驱动力和各种阻力代入表达式,可得
因此,驱动电机的转矩为
由于该电动汽车采用四个轮毂电机作为驱动动力源,所以一个轮毂电机的额定功率和最大转矩的要求如下,
轮毂电机额定功率
Pe’=1/4×Pe=1/4×20kW=5kW
最大转矩
Mm=1/4×530=132.5N·m
第3章轮毂电机的选择及动力性校验
3.1驱动电路选择与原理介绍
直流电动机的调速性能较其他类型电动机好,控制也很方便,并且运行效率高,但是对于有刷电动机来说有换向装置,由机械摩擦引起的噪声、无线电干扰、火花以及使用寿命短等弊端时不可避免的,故该型电动机并不能满足我们的需要。
所以可以采用永磁无刷直流电动机,它有效地规避了以上弊端,但仍然延续了直流电动机优良的控制特性,具有控制简单、起动转矩大、调速范围广、调速性能平滑、寿命长、运行可靠性高、维护效率高等优点[4]。
永磁无刷直流电动机把电枢绕组置于定子上,使其电损耗产生的热量很快的经机壳向外散发,转子的励磁方式为永磁激励,向转子通电无需经电刷,故损耗和发热也就很小。
对转子永磁体的极性可以通过位置传感器检测。
下面介绍一下永磁无刷直流电动机的驱动系统的三大部分组成,电动机本体、位置传感器以及驱动控制器。
1.电动机本体结构
参照永磁有刷直流电动机的结构,永磁无刷直流电动机采用了一种“里翻外”的结构如图所示,即定转子互换,其定子绕组多为多相对称绕组,本设计中采用三相绕组。
电枢电流的波形为矩形波形式。
为适应电动汽车驱动车轮的需要,其电动机本体应设计成外转子、内定子结构的轮毂电机形式,其外转子直接与驱动车轮轮毂连接,内定子绕组的电线和位置传感器引线从电动机轴即车轮轴一侧引出。
2.位置传感器
位置传感器的功用是检测轮毂电机转子(外壳)的位置信号,并输送至逻辑控制单元。
位置传感器的类型有位置传感器和无位置传感器两种检测方式。
本设计中采用有位置式的霍尔传感器。
该型位置传感器包括定子和转子两部分,其转子与轮毂电机外壳即转子连接,以检测和输出转子位置信号;它的定子固定于轮毂电机的输出轴即定子上,其功用是确定绕组的磁极位置。
3.驱动控制器
永磁无刷直流电动机的驱动控制按其定子绕组相数的多少,控制驱动线路的复杂程度大不相同,其驱动功率放大管的数量也随之变化。
对于三相绕组直流无刷电动机有三相半控和全控两种电路,而三相全控电路又有星形和三角形两种联接,每种联接又各有两两通电和三三通电的方式。
对无刷直流电动机的驱动控制实际上就是按其通电方式的要求顺序和位置检测信号来适时导通功放管。
本电动机采用三相全控电路三相三角形三三导通方式[4]。
3.2电动机的机械特性
在永磁无刷直流电动机的控制系统和弱磁调速的调控下,可以实现恒功率调速,永磁无刷直流电动机的机械特性如下图[4]。
图2-1永磁无刷直流电动机的机械特性图线
如下所示为所选永磁无刷直流轮毂电动机的技术参数。
表2-1轮毂电机参数
电机型号
额定电压/V.
额定功率/W.
额定电流/A.
额定转速/(r/min)
QD-LG-7205
72
5000
80
750
根据该型轮毂电机的测试数据,作出该型轮毂电动机的机械特性曲线,如下图所示。
图2-2机械特性曲线
该型轮毂电动机可以实现低速大扭矩,高速低扭矩运行。
3.3电机输出轴的校核
如图所示,整个车轮总成(包括车轮、轮毂电机和制动盘)通过电机输出轴与车架连接。
在电动车行驶过程中,其所受的力极其复杂,主要有车架质量引起的弯矩;电动机产生的扭矩;由轮胎侧向力引起的轴向力;制动或急加速所造成的弯矩;不平路面造成的冲击和振动等。
图2-3车轮总成图2-4电机输出轴力学模型
由于该轴应力高度集中,所以加工过程中需要特殊工艺强化。
根据工程材料的理论,对电机输出轴进行调质处理,即在820~840℃淬水和560~620℃回火处理,是轴的强度极限可以达到850MPa。
在电动车行驶过程中,由于电机输出轴受到不规则的冲击、振动,极容易发生疲劳失效,所以对电机输出轴的校核除了进行静力的校核外,还需要对危险点进行疲劳强度校核。
由于电机输出轴所受到的轴向力较小,且不总存在,因此在校核疲劳强度的过程中将其忽略。
现对电机输出轴建立力学模型,如图所示。
图中,F1为车身的下压力,N;F2为地面制动力,N;T为制动扭矩,Nm;M为弯矩Nm;L为危险点到轴端的距离,L=0.137m。
F1=1/4G=1/4×900×9.81N=2207.3N
F2=1/2Mμ1max/r=1/2×1179/0.277N=2128.2N
T=F2×r=2128.2×0.277N=589.5Nm
力合成
弯矩
计算A-A截面上的最大弯曲应力。
我们在电动机输出轴上设计有键槽以固定电机输出轴,它对抗弯截面系数的影响忽略不计,则A-A截面的抗弯截面系数为
由于弯矩M的方向是双向的,故属于对称循环,那么
最大应力
σmax=-σmin
根据材料力学关于构件持久极限影响因素实验数据,确定A-A截面上的各种影响系数Kσ、εσ、β。
其中,Kτ为有效应力集中系数[18],查表知Kτ=1.6;ετ为尺寸系数,查表知ετ=0.91;β为表面质量系数,查表知β=2.5。
由于同一材料对称循环交变应力下持久极限σ-1比静载荷时的强度极限σb要低得多。
弯曲、扭转变形时持久极限与强度极限的关系分别如下:
弯曲变形
扭转变形
持久极限
把上面求出的各种数据代入对称循环下构件疲劳强度的计算公式
因为nσ>n=1.4,故A-A截面的弯曲疲劳强度是满足要求的。
下面对电机输出轴的扭转应力进行疲劳校核。
计算A-A截面上的最大切应力,我们在电动机输出轴上设计有键槽以固定电机输出轴,它对抗弯截面系数的影响忽略不计,则A-A截面的抗弯截面系数为
由于弯矩M的方向是双向的,故属于对称循环,那么
最大应力
τmax=-τmin
根据材料力学关于构件持久极限影响因素实验数据,确定A-A截面上的各种影响系数Kτ、ετ、β。
Kτ=1.5、ετ=073、β=2.5。
由于同一材料对称循环交变应力下持久极限τ-1比静载荷时的强度极限τb要低得多。
弯曲、扭转变形时持久极限与强度极限的关系分别如下:
弯曲变形
扭转变形
持久极限
把上面求出的各种数据代入对称循环下构件疲劳强度的计算公式
因为nτ>n=1.4,故A-A截面的扭转疲劳强度是满足要求的。
综上所述,电机输出轴满足疲劳强度的要求,但是对于电机输出轴的加工却提出了较高的要求,特别是对电机输出轴的强化处理更要严格。
3.4电动机调速原理
在电动车行驶过程中,我们希望在加速踏板一定的情况下,不论外界阻力矩大小,车速是稳定的,以提高电动车的操纵稳定性。
由于永磁电动机采用永磁励磁方式,永磁体的磁力是固定的,无法调整,只能通过调节电压来实现转速的控制。
已知永磁无刷直流电动机的数学模型[2]如下,
经过拉普拉斯Laplace变换后,得到
各参数为,Vd为加在两相绕组的平均电压;RΣ为回路的等效电阻,取为2.875;KT为转矩系数,取为0.045;GD2为电动机转子飞轮力矩,取为0.1928Nm2;Ke为电动势系数,取为0.04;Φm为气隙主磁通,取为0.175[2]。
则永磁无刷直流电动机的动态结构图2-5如下所示。
图2-5
应用MATLAB/simiulink进行仿真,如图所示。
得到如图所示的仿真曲线,得知当输入的两相绕组两端的电压一定时,若负载忽然增加或减小时,电动机的转速会自动调节,使之趋于稳定。
通过仿真还得知,2KeΦm值得大小会影响系统的响应时间,并且呈现正相关的关系,即该值越大响应时间越快,反之的响应时间越慢。
如图就是将原来的2KeΦm值调大后的曲线。
图2-6
3.5控制器的选择
轮毂电机的控制器包括控制电路、霍尔位置传感器、电流传感器、驱动电路、功率逆变器、以及CAN总线通信接口组成。
由于该型永磁无刷直流电动机采用三相星形绕组和“三拍六相-120°方波型”驱动。
主电路直接由蓄电池供电,无需整流电路。
当系统通电后,电机霍尔位置传感器将检测到的信号传给电子控制单元(CPU),CPU计算出电动机的转速,同时CPU也会接收到外部输入的转速控制指令,CPU会将实际转速与输入的转速指令进行比较,来控制功率开关的导通和断开时间,以达到对电动机转速的闭环控制。
由于在电动车行驶过程中不可避免的会发生过载工况,所以该控制系统也具备过载保护功能,可以防止因轮毂电机过载引起的烧坏。
同时为提高行车安全性,驱动保护电路会起到“系统医生”的作用,时时对系统进行监测,一旦发生故障,则立即中断PWM的输出。
3.6电动车动力性校验
前面已经根据设计要求和电动车的基本参数对电动车驱动电机的参数进行了计算,并且根据计算结果和电动车的性能要求确定了轮毂电机型号,下面对所选轮毂电机的动力性进行校验。
以下校验范围均处在电动机的额定工作范围内进行,关于驱动电机的过载问题,下文还进行介绍。
由5kW永磁无刷直流电动机的负荷特性测试数据进行曲线拟合,得到该型电动机的性能曲线如下:
Tm=136Nmn
Tm=p1*n^5+p2*n^4+p3*n^3+p4*n^2+p5*n+p6n
拟合公式系数如下所示:
p1=-9.346e-011(-1.357e-010,-5.123e-011)
p2=3.419e-007(1.864e-007,4.975e-007)
p3=-0.0004923(-0.0007196,-0.000265)
p4=0.3479(0.1832,0.5126)
p5=-120.7(-179.9,-61.58)
p6=1.66e+004(8185,2.502e+004)
3.6.1最高车速校验
电动车的驱动力F为:
行驶速度:
式中,为车速,km/h;n为轮毂电机转速,r/min。
行驶阻力计算如下:
滚动阻力:
对于一般汽车轮胎来说,当车速ua140km/h时,滚动阻力系数维持不变;速度更高,f值逐渐增大[8]。
由于该电动车的最大设计车速低于140km/h,所以可以认为f恒定,这里取为0.02。
空气阻力:
式中,CD为空气阻力系数,取为0.4;v为最大车速,m/s,ua为车速,km/s。
A为电动车的迎风面积,这里近似取为2m2。
代入数据得
动力因数:
利用MATLAB作驱动力-行驶阻力平衡图,两图线的交点对应的车速为最高车速,读图得到最高车速为110km/h。
通过观察电动车驱动力-阻力平衡图,可以发现驱动力曲线有一段是不符合实际情况的,电动机可以实现低速恒扭矩,高速时随着速度的升高,扭矩逐渐降低,而不会出现图中的情况,这可能是电动机测试环节出现差错或误差造成的,还可能是计算得过程中的误差造成的。
3.6.2最大爬坡度校验
根据汽车理论爬坡度:
由于永磁无刷直流电动机低速时转矩基本恒定,当电动车在较低的车速下才能爬上较陡的坡道,在低速下空气阻力可以忽略不计。
所以符合要求,而且该型电动机的过载系数可以达到200%,所以如果坡道不是很长,可以通过坡度更大的坡道。
图2-7电动车的驱动力-阻力平衡图图2-8加速度倒数曲线
3.6.3加速时间校验
加速度的倒数:
利用MATLAB绘制加速度倒数曲线如图2-8所示。
由运动学可知
由上面公式可知,加速时间可以通过加速度倒数对速度的积分求得,通过对-ua曲线的定积分(MATLAB程序见附录)求得电动车零到50km/h的加速时间为7.3s。
第4章轮毂电机固定形式设计
4.1轮毂电机的安装形式设计
轮毂电机作为驱动电机安装于车轮的轮毂内,两个部件采用螺栓连接。
在普通车上连接位置是车轮的轮毂单元轴承,而在本设计中,由于没有轮毂单元,所以在定做轮毂电机时需要加工上轮毂螺栓。
我们知道轮毂螺栓属于标准件,在定做轮毂电机时,只需要将选择好的轮毂螺栓穿过电动机外壳使其向外伸出即可,见附录轮毂电机尺寸图。
1、如下图3-1所示为轮毂螺栓的受力图。
其中(a)图为螺栓的总体的受力分析图;(b)为最大受力螺栓所受的剪切力图;(c)为力平移后的螺栓受力图;(d)为最大受力螺栓所受的轴向力图。
图3-1轮毂螺栓受力
图中,F0为车架对轮毂电机输出轴的压力,N,由于汽车行驶时不可避免的收到冲击,所以F0取为两倍的静力值;F为汽车行驶时车轮所受到的轴向力,N;T为车轮所受的最大转矩,Nm;M为倾覆力矩,Nm;r为轮毂螺栓的分布半径,m;n为圆周方向分布的螺栓的数目;l为轮毂螺栓到F0受力点的距离,m。
各参数的数值如下表。
表3-1轮毂螺栓受力参数表
r(m)
F(N)
F0(N)
T(Nm)
l(m)
0.055
2000
2207
Tmax
0.2
车轮所受的最大转矩Tmax为电动车紧急制动时的车轮所受的转矩。
计算公式为
其中,rw为车轮半径,m;μ为路面附着系数,此处取较大值0.9。
则
由于轮毂螺栓主要承受剪切力和挤压力,所以螺栓直径按
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