CN201364241Y - 硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硬件在回路半实物汽车传动－制动综合模拟实验台。所述实验台包括实验台机械***部分和实验台电气***部分，所述实验台机械***部分包括车轮、飞轮和旋转轴，所述车轮上均设有ABS制动***，所述车轮的车轮轴和所述飞轮的飞轮轴通过可控力传动部件连接在一起，所述飞轮的飞轮轴还连接有可控制动部件，所述机械***部分还包括加速踏板、刹车踏板、离合踏板、变频电机以及变速箱，所述变速箱的输出轴与所述车轮的车轮轴连接在一起，所述变速箱的输入轴连接有所述变频电机；所述实验台电气***部分包括PC机、接口卡，还包括CAN卡、踏板位置传感器、转速传感器、力控制器、变频器。

Description

硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台

技术领域

本实用新型涉及一种用于测试、验证汽车的ABS、ASR***以及自动变速箱工作过程的模拟实验台，尤其是一种硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台。

背景技术

目前，电子控制技术在汽车中的应用越来越广泛，各种新型的汽车电子控制***不断涌现，如ABS、ASR和自动变速箱等。为了在教学过程中讲解ABS、ASR和自动变速箱的工作原理和工作过程以及验证自行开发的ABS、ASR和自动变速箱的性能，实验台是必不可少的测试装备。

近年来，已经出现了多种用于测试分析ABS、ASR***和自动变速箱***的实验台。根据用途这些实验台可分为两类：一类是用于科研的实验台，主要是为了开发某个***建立的，往往价格比较昂贵；另一类是用于教学的实验台，主要是介绍某个部件的运行特性，性能往往比较简单，价格也比较便宜。根据其实验对象，实验台也可分为两类：一类是传动实验台，一般用于疲劳实验、自动变速箱的开发，价格昂贵；另一类是制动性能实验台，主要用于测试ABS等制动装置的性能。

现有的这些实验台主要存在以下问题：实验台采用实物方式，价格昂贵，例如仅用以加载的电涡流测功机就要至少花费十几万元人民币；不能综合仿真传动与制动***，而现代汽车发展趋势是将驱动与制动***综合控制以提高整车的性能，如ASR工作过程中就要对ABS制动和发动机***进行综合控制；另外，科研实验台基本不能用于教学。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有的传动、制动实验台不能综合仿真传动与制动***、价格昂贵而且不能同时适用于教学和科研的问题。

由于进行传动实验和制动实验需要模拟行驶阻力的加载装置，为了降低成本，本实用新型未采用与发动机功率相匹配的大功率加载装置，而采用了小功率的模拟加载装置。由于自动变速箱工作时需要根据油门开度、发动机转速、车速等参数选择相应的档位，因此为测试分析自动变速箱，除配备了可控制动部件作为加载装置外，本实验台还配有模拟发动机特性的动力源即本实用新型的变频电机，并且该动力源的输出功率与模拟加载功率成适当比例。另外，在测试ABS、ASR时，往往需要测试其在不同路面情况下的工作情况，为此本实验台含有模拟路面附着特性的装置即可控力传动部件。

基于以上几点，本实用新型提供了一种硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，包括实验台机械***部分和实验台电气***部分，所述实验台机械***部分包括车轮、飞轮和旋转轴，所述实验台电气***部分包括PC机、接口卡，所述实验台机械***部分中，所述车轮上均设有ABS制动***，所述车轮的车轮轴和所述飞轮的飞轮轴通过可控力传动部件连接在一起，所述飞轮的飞轮轴还连接有可控制动部件，所述机械***部分还包括加速踏板、刹车踏板、变频电机以及变速箱，所述变速箱的输出轴与所述车轮的车轮轴连接在一起，所述变速箱的输入轴连接有所述变频电机；所述实验台电气***部分还包括CAN卡、变频器、力控制器、转速传感器、踏板位置传感器，所述变频器与所述变频电机电连接，所述力控制器与所述可控力传动部件和所述可控制动部件电连接，所述旋转轴均设有所述转速传感器，所述变频电机的电机轴和所述飞轮上也设有所述转速传感器，所述加速踏板和刹车踏板连设有所述踏板位置传感器，所述变频器、所述力控制器、所述转速传感器和所述踏板位置传感器均经由接口卡与PC机电连接，所述PC机与CAN卡电连接。

本实验台机械***中用于测试分析的变速箱、车轮及车轮的制动***(即ABS制动***的机械部分)为实物，其余为仿真部件。本实验台利用飞轮模拟汽车***的惯性，把直线运动转变为旋转运动，飞轮的惯量与实车惯量成比例缩小；利用可控制动部件模拟行驶阻力；利用可控力传动部件模拟不同路面的地面附着力；利用变频电机模拟发动机；可控制动部件、可控力传动部件由力控制器驱动，变频电机由可以进行转矩控制的变频器驱动。力控制器和变频器的指令由PC机利用硬件在回路技术发出。

本实用新型中的各部件最大输出能力根据所模拟的车辆质量进行了相应地缩小计算，这样可以降低实验台的制造成本，同时实验效果也较精确。

此外，PC机的显示器可以显示采集到的各种信息以及ABS、ASR、自动变速箱ECU通过CAN总线发送过来的信息，使ABS、ASR以及自动变速箱***的工作过程清晰的展示出来，有利于进行教学。

采用以上的结构，本实验台既可以模拟传动又可以模拟制动的特性，能够测试分析ABS、ASR和自动变速箱的控制***，还能作为驾驶手动、自动档车辆的驾驶模拟器，符合现代汽车将传动与制动***综合控制来提高整车性能的发展趋势；并且，实验过程中既不费油，又比较直观，降低了汽车实验费用开支，既适用于教学也可以适用于科研，能够达到较好的实验效果。

附图说明

下面结合附图和本实用新型的实施方式做进一步详细说明：

图1是硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台的机械***的示意框图；

图2是硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台的机械***的局部示意图；

图3是硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台的电气***的示意框图。

图2中，1.变速箱输入轴，2.变速箱输出轴，3.车轮轴，4.飞轮轴。

具体实施方式

本实用新型的附图1示出了硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台的机械***的结构，该机械***模拟并且具有了通常汽车的基本的功能和配置，能够顺利完成汽车在传动和制动过程的控制功能。

结合图2，可以看出本实用新型的机械***的结构主要包括：

所述实验台机械***部分中含有车轮、飞轮和旋转轴，所述车轮设有刹车制动***，即ABS***，所述车轮上有车轮轴3，所述飞轮中有飞轮轴4，所述飞轮轴连接有可控制动部件，所述车轮轴3与所述飞轮轴4通过所述可控力传动部件连接在一起，所述机械***部分还包括加速踏板(未示出)、刹车踏板(未示出)、离合踏板(未示出)、变频电机、变速箱以及各旋转轴，所述变速箱设有变速箱输入轴1和变速箱输出轴2，所述变速箱输出轴2连接有所述车轮的车轮轴，所述变速箱输入轴1连接有所述变频电机。

另外，该机械***中的可控制动部件可以选用电磁制动器，还可以进一步选择为电磁粉末制动器即磁粉制动器，该可控制动部件可以模拟车辆行驶过程中的行驶阻力，通过接受PC机的力控制器输出的控制电流来控制制动力的大小。其中的飞轮用来模拟车辆惯性，来模拟汽车自身的质量与载重量，将直线运动转化为旋转运动，飞轮的旋转速度即为车速。通常情况下飞轮速度与车轮速度是一致的。如果发生滑转或刹车抱死，则二者速度不一致。可控力传动部件连接车轮与飞轮，该部件可控制所传递力的最大值，以模拟不同路面情况下的附着力。可控力传动部件选择使用磁粉离合器，力控制器根据PC机的指令控制磁粉离合器的电流以控制传递转矩的大小，控制对车轮的力，以模拟不同的路面摩擦力。该实验台由变频调速电机(即变频电机)模拟发动机输出动力，所述变频电机与电源连接，与实物变速箱结合模拟汽车发动机运转。

该实验台采用半实物结构，其机械***中用于测试分析的变速箱、车轮及车轮的制动***(即ABS制动***的机械部分)为实物，其中含有制动盘和与制动盘相对应的制动钳，用来进行模拟汽车的制动；其余为仿真部件。

同时在本实用新型的实施中，各部件最大输出能力应根据所模拟的车辆质量进行相应地缩小计算，这样可以降低实验台的制造成本和实验台的价格，同时实验效果也较精确。

所述变速箱可以为手动变速箱，也可以为各种类型的自动变速箱。另外，在采用手动变速箱或电控机械式自动变速箱的情况下，为便于描述，在本实用新型的实施例中将离合器部件看作是本实用新型所述变速箱的一部分，离合器部件与变速箱的连接方式采用公知技术，因此在附图1中未示出变速箱以外的部件。

本实用新型的附图3示出了硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台的电气***的结构，根据该图可以看出：

实验台电气***部分包括PC机、接口卡，还包括CAN卡、变频器、力控制器、转速传感器、踏板位置传感器，变频器与变频电机电连接，力控制器与可控力传动部件和可控制动部件电连接，旋转轴上均设有转速传感器，变频电机的电机轴和飞轮上也设有转速传感器，加速踏板、离合踏板和刹车踏板设有所述踏板位置传感器，所述变频器、所述力控制器、所述转速传感器和所述踏板位置传感器均经由接口卡与PC机电连接，并且PC机与CAN卡电连接。机械部分中的变速箱可以为自动变速箱，其中含有自动变速箱ECU(未示出)，也可以为手动变速箱。

另外，由于本实验台与ASR ECU、ABS ECU(ECU指汽车专用微机控制器)和自动变速箱ECU相对独立，因此本实用新型可以通过以下连接进行实验：本实验台经由CAN卡连接ABS ECU、ASR ECU和自动变速箱ECU中的任意一个以上部件，并且将实验台的转速传感器和位置传感器与CAN卡所连接的ABS ECU、ASR ECU和自动变速箱ECU直接相连接，以传送传感器数据。所述ABS ECU、ASRECU和自动变速箱ECU可以是现有技术中通用的产品(或部件)，也可以是自主研制开发的产品(或部件)，这样，本实验台可以配合科研开发，快速实验并且反馈上述ECU的性能，达到较好的实验效果。所述ASR ECU***一般包含有所述ABS ECU部分。所述自动变速箱ECU经由CAN卡与PC机电连接。ABS ECU、ASR ECU和自动变速箱ECU经由CAN卡相互电连接。

本实用新型的保护范围涵盖采用上述ASR ECU、ABS ECU和自动变速箱ECU中的任意一个以上产品或部件与本实验台接合在一起的产品。不论是本实验台与其中的一个还是全部三个或是其中的任意两个结合，均落入本实用新型的保护范围。

图3所示的实验台电气***部分中，以PC机作为实验台的中控单元，该PC机可以经由接口卡实时接收各旋转轴、飞轮和电机轴和各踏板位置传感器传来的数据，使用PC机带有的显示器(附图中未示出)，根据转速传感器实时传来的数据实时显示状态和控制参数，并能根据采集的状态参数和预先在实验台中预置的实际发动机的输出特性曲线、行驶阻力特性曲线、设定的路面情况等的数据进行计算并给力控制器和变频器发出指令。

各转速传感器和踏板位置传感器也与ABS ECU、ASR ECU和自动变速箱ECU直接相连接。由于本实验台在包括变频电机的转轴的各旋转轴均安装了转速传感器，因此能够实时检测车速和各车轮的速度，当车速和各车轮中的任意一个或一个以上的车轮速度不一致时，ASR ECU自动启动。其中变频器，经由接口卡接受PC机按照当时踏板位置、电机轴转速以及被测试的ASR ECU发出的指令等信息计算出来的转矩控制指令，可以控制由图1中的变频电机模拟发动机输出的动力。本实用新型的变频器采用带转矩控制功能的变频器，从而顺利进行上述运行。在踩加速踏板的情况下，PC机按照当时加速踏板的信号和当时的转速输出相应的转矩给变频器，由变频器控制变频电机以仿真发动机特性。

由于本实用新型采用的是变频调速电机，该变频电机经由变频器和接口卡连接到PC机，经PC机的指令控制，则可实现智能地控制变频调速电机的转矩，从而实现控制由图1中的变频电机模拟发动机输出的动力。其中力控制器，根据PC机发出的指令控制可控力传动部件和可控制动部件；其中转速传感器和踏板位置传感器经由接口卡与PC机相连接并且传送数据，同时转速传感器和踏板位置传感器也连接至ABS ECU、ASR ECU和自动变速箱ECU，以传送数据。

下面描述本实用新型的几个实施例，以使更清楚地示出本实用新型的各种具体功能。

自动变速箱测试的实施例：

由于自动变速箱ECU与本实验台相对独立，进行自动变速箱测试，首先将自动变速箱ECU模块(产品或部件)与CAN卡相连接，同时，电机轴转速传感器、飞轮转速传感器、踏板位置传感器等信号直接与自动变速箱的ECU相连接。自动变速箱与自动变速箱ECU相连接。其中该实验台中各传感器的信号已经接到PC机中，PC机与自动变速箱ECU之间可以通过CAN卡通信。

PC机根据发动机动力特性得出变频器的输出转矩来对变频电机进行控制，根据行驶阻力特性自动得出力控制器的输出转矩对可控制动部件进行控制，模拟不同的阻力。在本实用新型中的变速箱采用自动变速箱时，在PC机模拟控制的行驶路况发生变化时如上坡，或驾驶人踩油门踏板时，所述自动变速箱ECU可以根据油门踏板位置、发动机转速、车速等信号进行档位判断并控制自动变速箱进行换档。同时PC机可以实时显示转速曲线，直观演示换档时机、换档过程。也可以采用手动变速箱作为手动档汽车的驾驶模拟器，通过鼠标对PC机操作设置不同的情况，观看学员的驾驶表现，尤其是换档表现。

同时PC机可以根据传感器传来的数据实时显示转速曲线，直观演示换档时机、换档过程。

此外还可以通过PC机附带的鼠标(附图中未示出)对PC机操作，设置如坡道角度等参数，对自动变速箱在不同道路情况下的换档特性进行实验。

由于实验台内预置了发动机特性和阻力特性，可以直观显示汽车理论中的驱动力-行驶阻力平衡图和动力特性图，辅助该部分内容的教学。实验台PC机可以经由网卡连接到局域网以及互联网，进行远程教学。

ABS***的实施例：

由于ABS ECU与本实验台相对独立，进行ABS***测试，首先将ABS ECU模块(产品或部件)与CAN卡相连接，同时，刹车踏板位置传感器、车轮轴的转速传感器信号以及飞轮轴的转速传感器信号直接连接到ABS ECU中。ASB制动***机械部分与该ABS ECU部分直接相连接。

然后，踩下实验台中的刹车踏板，装车轮上的制动***中的制动钳夹紧制动盘进行作用，制动***起作用，车轮和飞轮开始减速，逐渐地，当制动***的制动力大于可控力传动模拟的地面附着力时，车轮发生抱死现象，飞轮转速不为零而车轮转速为零。由于在各旋转轴上都安装有转速传感器，并且将刹车踏板位置传感器、车轮轴的转速传感器信号以及飞轮轴的转速传感器信号分成两路同时给PC机和ABS ECU。因此在踩刹车踏板时，ABS ECU能够通过安装在刹车踏板下的传感器传来的刹车数据，实时检测到本实验台进行了刹车操作，并且能够检测到任一车轮转速接近为0的时刻，在此情况下经过ABS ECU的分析，ABS***自行启动，这样，在车轮上的制动***中的制动盘与制动钳相对速度接近零时，制动钳开始放松，制动盘又开始旋转，然后制动钳再次夹紧制动盘，经过制动-放松-再制动这样多次反复，使车轮的速度逐渐下降，提高了车辆运行的安全性。

由于在旋转轴上安装的转速传感器实时提供数据给PC机，在制动过程中，PC机根据各传感器的信息计算制动时间和实时制动转速，则可以得出制动距离并显示出来，直观的展示ABS的工作过程和性能，有利于进行教学展示。PC机可以根据阻力特性曲线和采集到的飞轮转速计算出行驶阻力，由于路面系数由可控力传动部件模拟，通过在PC机中选择不同的路面，PC机自动计算出路面的最大附着力，并通过力控制器控制可控力传动部件所能传动的最大转矩即可测试在不同路面情况下ABS的工作情况。由于是在PC机和ABS ECU共同作用下进行的ABS***模拟，因此可以设置不同的初始速度以及不同的惯性质量，能够模拟测试汽车在该条件下制动时ABS的工作情况；另外，通过改变飞轮的质量，也能够模拟测试不同惯性质量的汽车制动时ABS***的工作情况。

在本实用新型应用于教学的情况下，如上所述，将车轮转速传感器各踏板位置传感器与被分析测试的现有ABS ECU如上所述进行连接，并将CAN卡与ABS ECU连接，即可完成上述的ABS***工作过程的演示。

在将本实用新型应用于科研开发的情况下，可以在实验台之外设计安装好相关的技术构成部分，含软硬件部分，然后放置到实验台上，即将车轮转速传感器各踏板位置传感器与被分析测试的现有ABS ECU如上所述进行连接，并将CAN卡与ABS ECU连接，就可以检测研发设计的效果，以利于快速反馈信息，以再次改进，促进研发工作的开展。

ASR***的实施例：

由于ASR ECU与本实验台相对独立，进行ASR***测试，首先将ASRECU模块(产品或部件)与CAN卡相连接，同时，各旋转轴的转速传感器、电机轴的转速传感器直接与ASR ECU相连接。在ASR ECU包含ABS ECU的情况下，ASB制动***机械部分与该ABS ECU部分直接相连接。

由于汽车在加速时因车轮打滑而产生了侧滑的情况下，ASR***起作用。因此，需要操作者在PC机中设置适当的控制电流来控制力控制器的最大传递转矩，以使可控力传动部件模拟路面附着力的大小。在本实施例中，可控力传动部件选择使用磁粉离合器，即力控制器根据PC机发出的指令控制磁粉离合器；当然也可选择皮带传动、摩擦轮传动等传动形式，通过控制压力来控制所传递的转矩大小。

然后，实验台模拟汽车启动或加速过程，当磁粉离合器提供的路面附着力小于模拟发动机的变频电机输出的力时，车轮开始滑转。车轮滑转的特点是车轮的转速与车速不一致，由于本实验台在包括变频电机的电机轴的各旋转轴安装了转速传感器，因此能够实时检测车速和各车轮的速度，当车速和各车轮中的任意一个或一个以上的车轮速度不一致时，ASR ECU判断为汽车滑转，则自动启动ASR***，进行安全保护。

ASR***的运行可以通过两种方式进行。第一种方式是通过控制ABS***来实现。由于ASR***是ABS***的顶层***，含有ABS***，也可以控制ABS***，因此在ASR***启动时，也可以通过控制ABS***来进行制动，适当降低车轮旋转速度，维持车辆行驶方向的稳定性，保持好的操控性及最适当的驱动力，达到较好的行车安全。

ASR***进行工作运行的第二种方式是通过改变模拟发动机转矩来进行。计算发动机特性的PC机通过CAN总线与ASR ECU通信，可以接受ASR***发出的发动机控制指令。根据事先输入的发动机特性曲线，与采集到的加速踏板位置数据、电机轴转速数据以及被测试的ASR***发出的指令等信息，PC机可以基于动力特性计算出模拟发动机的输出转矩值，以直流电压方式或其它方式输出相对应的转矩信号给变频器，经由变频器控制变频电机输出相应转矩。以此来改变模拟发动机的输出转矩，达到较好的行车安全。

即使在非对称路面的情况下制动时，由于本实用新型的数据采集并不要求所有车轮的速度与车速不一致，因此只要一个以上车轮速度与车轮速度不一致，本实用新型的ASR***就立即自行启动，所以本实用新型可以模拟非对称路面制动时ASR的工作情况。

在将本实用新型应用于教学的情况下，ASR***启动后，PC机根据各传感器的信息实时显示车轮轮速和飞轮模拟的车速的变化，展示ASR的工作过程和性能，从而清晰明了地展示ASR***的工作过程。

在将本实用新型应用于科研开发的情况下，可以在实验台之外设计安装好ASR ECU，含软硬件部分，然后放置到实验台上即与传感器传感器直接连接，并且与CAN卡相连接，来检测研发设计的效果，以利于快速反馈信息，以再次改进，促进研发工作的开展。

根据图3的虚线框部分可以看出，本实用新型中的上述ABS ECU、ASR ECU和自动变速箱ECU可以与实验台其它部分相对独立，上述ABSECU、ASR ECU和自动变速箱ECU可以由技术开发人员设计，放置在该实验台进行实验，以进行改进，另外，也可以使用在市场购买的ABS ECU、ASR ECU和自动变速箱ECU来验证其性能，而构成验证ABS ECU、ASRECU和自动变速箱ECU的实验***。这也是本实用新型作为硬件在回路的仿真方法的具体体现。

本实用新型可以广泛用于教学和研发领域。

Claims (10)

1.一种硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，包括实验台机械***部分和实验台电气***部分，所述实验台机械***部分包括车轮、飞轮和旋转轴，所述实验台电气***部分包括PC机、接口卡，其特征在于：

所述实验台机械***部分中，所述车轮上均设有ABS制动***，所述车轮的车轮轴和所述飞轮的飞轮轴通过可控力传动部件连接在一起，所述飞轮的飞轮轴还连接有可控制动部件，所述机械***部分还包括加速踏板、刹车踏板、变频电机以及变速箱，所述变速箱的输出轴与所述车轮的车轮轴连接在一起，所述变速箱的输入轴连接有所述变频电机；

所述实验台电气***部分还包括CAN卡、变频器、力控制器、转速传感器、踏板位置传感器，所述变频器与所述变频电机电连接，所述力控制器与所述可控力传动部件和所述可控制动部件电连接，所述旋转轴均设有所述转速传感器，所述变频电机的电机轴和所述飞轮上也设有所述转速传感器，所述加速踏板和刹车踏板设有所述踏板位置传感器，所述变频器、所述力控制器、所述转速传感器和所述踏板位置传感器均经由接口卡与PC机电连接，所述PC机与CAN卡电连接。

2.根据权利要求1所述的硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，其特征在于：所述变速箱为自动变速箱，所述自动变速箱与自动变速箱ECU相连接，所述CAN卡与自动变速箱ECU相连接，并且所述变频电机的电机轴和所述飞轮上设有的转速传感器及所述踏板位置传感器也与自动变速箱ECU相连接。

3.根据权利要求1所述的硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，其特征在于：所述变速箱为手动变速箱，所述机械***还包括离合踏板，所述离合踏板设有踏板位置传感器。

4.根据权利要求1或2所述的硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，其特征在于：所述CAN卡与ABS ECU相连接，ABS制动***与所述ABS ECU相连接，刹车踏板位置传感器、车轮轴的转速传感器信号以及飞轮轴的转速传感器也与ABS ECU相连接。

5.根据权利要求1或2所述的硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，其特征在于：所述CAN卡与ASR ECU相连接，所述旋转轴的转速传感器、所述车轮的转速传感器、飞轮的转速传感器、踏板位置传感器、变频电机轴的转速传感器与ASR ECU相连接。

6.根据权利要求5所述的硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，其特征在于：所述ABS制动***与ASR ECU相连接。

7.根据权利要求1所述的硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，其特征在于：所述PC机经由所述CAN卡与CAN网络电连接，或经由网卡与局域网或互联网电连接。

8.根据权利要求1所述的硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，其特征在于：所述可控制动部件为电磁制动器，所述可控力传动部件为磁粉离合器。

9.根据权利要求8所述的硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，其特征在于：所述电磁制动器为磁粉制动器。

10.根据权利要求1所述的硬件在回路半实物汽车传动-制动综合模拟实验台，其特征在于：所述变速箱和车轮为实物。

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