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Die Erfindung betrifft eine gasdichte Gelenkverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Rohr, insbesondere einer Abgasführung eines Kraftfahrzeugs, sowie eine Rohranordnung mit einer ersten Flut, aufweisend wenigstens zwei Rohre und eine solche Gelenkverbindung.
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Bei Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen werden die Abgasführungen häufig durch mehrere gasdicht miteinander verbundene Rohre ausgebildet. Die Verbindung erfolgt häufig mittels einer V-Bandschelle, einer Flachbandschelle oder einer Flanschverbindung. Zumindest am Übergang vom Abgasauslass des Motors zur Abgasführung, von der Abgasführung zum Turbolader, vom Turbolader zur Abgasführung und/oder von der Abgasführung zur Abgasnachbehandlung sind solche Verbindungen angeordnet.
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Die oben genannten Verbindungstypen sind jedoch allesamt starr und können daher keinen Positionsausgleich schaffen, der nötig wäre, um Schiefstände auszugleichen, die sich beispielsweise aus Toleranzvariationen der verbauten Bauteile und/oder der Montage derselben ergeben.
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Insbesondere - aber nicht nur - bei mehrflutigen Rohranordnungen, wie diese beispielsweise bei Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen mit einer größeren Zylinderanzahl häufig verwendet werden, ist dieser Positionsausgleich wichtig, um Schiefstände der einzelnen Bauteile und/oder mechanische Spannungen in den Bauteilen zu vermeiden.
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Aus der
DE 36 18 485 A1 ist eine Gelenkverbindung zweier ein- oder mehrflutiger Rohre einer Abgasführung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der die aufeinander zu gerichteten, ineinandergreifenden Rohrenden über die Paarung von beiden Rohrenden zugeordneten, kalottenförmigen Ringflächen miteinander in dichter Verbindung stehen, wobei die dem äußeren Rohrende zugeordnete Ringfläche durch dieses selbst gebildet ist, und bei der die Ringflächen über wenigstens ein am äußeren Rohrende mit seinem einen Ende angreifendes Federelement zur Erzeugung der Dichtkräfte in Axialrichtung gegeneinander gehalten sind, wobei das äußere Rohrende eine koaxial das Innere unter Bildung eines Ringraumes zwischen den Rohrenden übergreifende Verlängerung aufweist, und wobei im Ringraum oder außerhalb der Verlängerung ein umlaufendes Federelement zu den Rohren koaxial angeordnet ist, und wobei die dem inneren Rohrende zugeordnete Ringfläche durch einen diese spielfrei umfassenden Gleitring mit Dichtungs- und Dämpfungseigenschaften gebildet ist, und wobei das Federelement mit seinem anderen Ende wenigstens mittelbar am Gleitring angreift.
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Die dort vorgeschlagenen Gelenkverbindungen sind allerdings kompliziert und ermöglichen keinen optimalen Positionsausgleich der verbundenen Rohre zueinander.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine gasdichte Gelenkverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Rohr zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine gasdichte Gelenkverbindung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch eine Rohranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 9.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine gasdichte Gelenkverbindung zwischen einem ersten Rohr und einem zweiten Rohr, insbesondere einer Abgasführung eines Kraftfahrzeugs, vorgeschlagen. Die Abgasführung kann insbesondere einflutig oder mehrflutig ausgebildet sein.
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Die Gelenkverbindung weist eine Kugelkalotte auf, die, insbesondere axial- und/oder drehfest, an einem zu verbindenden Ende des ersten Rohres angeordnet ist.
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Zudem weist die Gelenkverbindung einen Aufschiebeflansch zum Aufschieben auf die Kugelkalotte auf, der, insbesondere axial- und/oder drehfest, an einem Ende des zweiten Rohres angeordnet ist, welches dem zu verbindenden Ende des ersten Rohres zugordnet ist.
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Darüber hinaus weist die Gelenkverbindung ein Dichtungselement auf, welches die Gelenkverbindung zwischen der Kugelkalotte und dem Aufschiebeflansch abdichtet, wenn der Aufschiebeflansch auf die Kugelkalotte aufgeschoben ist. Unter Abdichten ist vorliegend insbesondere eine gasdichte Abdichtung bei typischen Einsatzbedingungen einer Abgasführung, wie hohe Temperaturen und ein korrosives abzudichtendes Medium, zu verstehen.
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Die Gelenkverbindung weist ferner eine Verspannungsanordnung zum Verspannen der Kugelkalotte, des Dichtelements und des Aufschiebeflanschs miteinander auf.
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Bei der Gelenkverbindung weist der Aufschiebeflansch eine umlaufende Nase zu der Kugelkalotte hin auf, welche radial innen einen kreisförmigen Querschnitt abgrenzt und im verspannten Zustand an der Kugelkalotte umlaufend anliegt und damit die Gelenkverbindung gegen die Kugelkalotte abdichtet. Der kreisförmige Querschnitt ist insbesondere zumindest im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Längsachse desjenigen Rohres angordnet, an welchem der Aufschiebeflansch angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Rohranordnung vorgeschlagen, aufweisend eine erste Flut mit wenigstens zwei Rohren, wobei zwischen den Rohren eine Gelenkverbindung gemäß einer Ausführung der Erfindung angeordnet ist.
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Bei mehrflutigen Rohranordnungen weist beispielsweise die Rohranordnung zusätzlich eine zweite Flut mit wenigstens zwei Rohren auf, wobei in der zweiten Flut ein Längenausgleichselement zwischen zwei Gelenkverbindungen angeordnet ist, die jeweils gemäß einer Ausführung der Erfindung ausgebildet sind. Beispielsweise kann das Längenausgleichselement als Dehnungsausgleichselement ausgebildet sein, das dazu eingerichtet ist, Längenänderungen und Verkippungen, insbesondere aus Toleranzvariationen und/oder Variationen der Umgebungsbedingungen wie Temperaturänderungen aufzunehmen.
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Die Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, die Gelenkverbindung mit einer zweifach abgedichteten kugeligen Verbindung auszubilden. Die mit dem ersten Rohr verbundene, insbesondere geschweißte, Kugelkalotte wird mit einen Aufschiebeflansch verspannt. Der Aufschiebeflansch dichtet im Krafthauptfluss mittels einer Linienberührung am Kontakt mit der Kalotte ab, wobei die Linienberührung an der Abgrenzung des kreisförmigen Querschnitts durch die radial nach innen ragende Nase des Aufschiebeflanschs erfolgt.
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Im Kraftnebenfluss dichtet die Gelenkverbindung durch eine Glimmerdichtung ein zweites Mal ab. Aufgrund der kugeligen Verbindungsauslegung ist die Abgasführung an der Verbindungsstelle um den Kugelmittelpunkt der Kugelkalotte rotierbar und aus einer Verbindungsachse auslenkbar. So kann der benötigte Positionsausgleich zum Ausgleich von Toleranzen und gleichzeitig eine zuverlässige, gasdichte Verbindung bereitgestellt werden.
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Beispielsweise kann so eine bekannte, mit einer Bandschelle ausgeführte, Verbindung zwischen einer Abgasanlage und eine Motorradkatalysator durch eine Gelenkverbindung („kugelige Verbindung“) nach einer Ausführung der Erfindung ersetzt werden. Bei zweiflutigen Abgasanlage können beispielsweise in der einen Flut der Abgasanlage eine kugelige Verbindung und in der anderen Flut zwei kugelige Verbindungen mit einem dazwischenliegendem Längenausgleich verbaut werden.
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Um die Verwendung eines Standardrohres oder eines einfach gestalteten Rohres als erstes Rohr zu ermöglichen, ist gemäß einer Ausführung die Kugelkalotte an dem Ende des ersten Rohres angeschweißt. Gemäß anderen Ausführungen kann sie auch aufgeschrumpft, eingeschrumpft, aufgepresst oder eingepresst sein.
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Um die Verwendung eines Standardrohres oder eines einfach gestalteten Rohres als zweites Rohr zu ermöglichen, ist gemäß einer Ausführung der Aufschiebeflansch an dem Ende des zweiten Rohres angeschweißt oder eingepresst. Gemäß anderen Ausführungen kann er auch aufgeschrumpft, eingeschrumpft oder aufgepresst sein.
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Um durch die Verspannung der Kugelkalotte und des Aufschiebeflanschs aneinander nicht die neugewonnenen Freiheitsgrade der Gelenkverbindung zu behindern, weist gemäß einer Ausführung die Verspannungsanordnung eine an der Kugelkalotte anliegende Manschette auf, die mit dem Aufschiebeflansch verspannt ist. Insbesondere ist die Manschette so ausgebildet, dass sie sich der Kugelkalotte anformt. Zum verspannen, insbesondere zum Verschrauben, der Manschette mit dem Aufschiebeflansch sind sowohl an der Manschette als auch am Aufschiebeflansch geeignete Elemente zur Aufnahme eines Verspannungsmittels, beispielsweise einer Schraube, angeordnet.
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Wenn die Gelenkverbindung Rohre verbinden soll, die ein Hochtemperatur-Medium wie beispielsweise Motorabgase leiten, müssen nicht nur die Rohre, sondern auch die Kugelkalotte und der Aufschiebeflansch jeweils aus einem entsprechend temperaturfesten Werkstoff ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführung sind daher die Kugelkalotte und der Aufschiebeflansch aus einem Metallwerkstoff, insbesondere einem Stahl ausgebildet. Auch die Verspannungsanordnung kann gemäß einer Ausführung aus einem Metallwerkstoff ausgebildet sein, beispielsweise sind mehrere geeignete Schrauben vorgesehen.
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Um die zweite Dichtung temperaturbeständig zu gestalten, ist gemäß einer Ausführung das Dichtungselement eine Glimmerdichtung, beispielsweise mit einem Phlogopit-Glimmer.
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Um die primäre Dichtwirkung der Linienberührung zwischen der Kugelkalotte der Nase des Aufschiebeflanschs möglichst umfassend auszunutzen (Krafthauptfluss), ist gemäß einer Ausführung das Dichtungselement im Kraftnebenfluss angeordnet. Während sich die Dichtwirkung der Linienberührung insbesondere aus dem engen Toleranzband bei der Fertigung der Kugelkalotte und der Flanschnase sowie aus kleineren Werkstoffelastizitäten dieser beiden Elemente ergibt, resultiert die Dichtwirkung des Dichtungselement insbesondere aus einer größeren Elastizität des Dichtungselement, beispielsweise eine Glimmerdichtung, welches bei der Montage der Gelenkverbindung gegen die Kugelkalotte komprimiert wird.
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Um das Dichtungselement entsprechend zu positionieren, ist gemäß einer Ausführung das Dichtungselement durch einen axialen und umlaufenden Vorsprung und die umlaufende Nase des Aufschiebeflanschs gehalten.
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Um die Dichtung und den Dichtungsdeckel bei der Baugruppenmontage zu fixieren, ist gemäß einer Ausführung ist das Dichtungselement durch eine Federsicherung gegen ein axiales Abheben von der Nase gesichert.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
- 1 zeigt eine gasdichte Gelenkverbindung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
- 2 zeigt die Gelenkverbindung nach 1 in einer Schnittansicht.
- 3 zeigt eine Detailansicht aus der Schnittansicht nach 2.
- 4 zeigt die Gelenkverbindung nach 1 in einer anderen Schnittansicht, die als technische Zeichnung ausgeführt ist.
- 5 zeigt eine zweiflutige Rohranordnung mit mehreren gasdichten Gelenkverbindungen nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
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1 zeigt eine gasdichte Gelenkverbindung 1 zwischen einen ersten Rohr 2 und einem zweiten Rohr 4 einer Abgasführung eines Kraftfahrzeugs.
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Das erste Rohr 2 weist an einem dem zweiten Rohr 4 zugewandten Ende eine Kugelkalotte 6 auf, die auf das Rohr 2 aufgeschweißt und damit axialfest und drehfest mit dem Rohr 2 verbunden ist.
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Das zweite Rohr 4 weist einen Aufschiebeflansch 8 auf, der in dem dargestellten, montierten Zustand der Gelenkverbindung 1 auf die Kugelkalotte 6 aufgeschoben ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Aufschiebeflansch 8 an einem dem ersten Rohr 2 zugewandten Ende des Rohres 4 gasdicht verschweißt.
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An die Kugelkalotte 6 ist auf derjenigen längsaxialen Seite, auf welche nicht der Aufschiebeflansch 8 aufgeschoben ist, eine Manschette 10 einer Verspannungsanordnung 12 zum verspannen der Gelenkverbindung 1 aufgesetzt. Die Manschette 10 ist im Ausführungsbeispiel an ihrer Innenseite der Außenkontur der Kugelkalotte 6 nachgeformt, insbesondere derart, dass die Kugelkrümmung der Kalotte 6 nachempfunden ist oder derart, dass die Manschette 10 tangential auf der Kugel aufliegt und somit eine Berührungslinie zur Kugelkalotte 6 aufweist. In 4 ist die zweite dieser beiden Alternativen gezeigt.
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Die Verspannungsanordnung 12 weist zudem wenigstens zwei Schrauben 14 auf, welche einerseits an der Manschette 10 und andererseits an Befestigungvorsprüngen 16 des Aufschiebeflanschs 8 wirken, sodass mittels der Verspannungsanordnung 12 der Gelenkverbindung 1 verspannt ist.
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Die Art der Verspannung der Gelenkverbindung 1 ist zudem der 2 zu entnehmen, die einen Schnitt entlang der in 1 eingezeichneten Schnittlinie I - I zeigt.
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2 ist auch die Position eines Dichtungselements 18 zu entnehmen. Zudem ist in 2 eine umlaufende Nase 20 des Aufschiebeflanschs 8 dargestellt, die sich einer linienförmig umlaufenden Berührungsstelle 22 (siehe 3 und 4) an der Kugelkalotte 6 abstützt und damit die Gelenkverbindung abdichtet.
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Details der Dichtungsmechanismen der Gelenkverbindung 1 werden nachfolgend anhand der Darstellung der 3 erläutert, in welcher das in 2 markierte Detail II dargestellt ist.
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Die Nase 20 des Aufschiebeflanschs 8 stützt sich mit der linienförmigen Berührungsstelle 22 umlaufend an der Kugelkalotte 6 ab und grenzt dabei einen Querschnitt 21 des Aufschiebeflanschs 8 ab. Durch die mittels der Verspannungsanordnung 12 aufgebrachte Axialkraft entsteht dabei eine Dichtwirkung im Krafthauptfluss zwischen den beiden verbundenen Rohren 2 und 4.
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Als zusätzliche Dichtung ist das Dichtungselement 18 angeordnet, welches als Glimmerdichtung ausgebildet ist. Das Dichtungselement 18 ist dabei derart radial innerhalb des Aufschiebeflanschs 8 und axial zwischen dem Aufschiebeflansch 8 und einer Federsicherung 26 angeordnet, dass das Dichtungselement 18 durch die Verspannungs-Axialkraft radial komprimiert wird. Somit wird eine radial nach innen wirkende Kraft auf die Kugelkalotte 6 und eine radial nach außen wirkende Kraft auf den Aufschiebeflansch 8 aufgebracht, wodurch die Dichtungswirkung des Dichtungselements 18 eintritt. Damit weist die Gelenkverbindung 1 einen doppelten Dichtungsmechanismus auf: im Krafthauptfluss dichtet die Nase 20 des Aufschiebeflanschs 8 gegen die Kugelkalotte 6 ab; im Kraftnebenfluss dichtet das Dichtungselement 18 gegen die Kugelkalotte 6 und den Aufschiebeflansch 8 ab. Auf diese Weise kann zuverlässig ein Austreten von Abgasen aus der Abgasführung verhindert werden.
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4 zeigt eine technische Zeichnung der Gelenkverbindung 1 aus 1 entlang einer Schnittlinie I - I.
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In 5 ist eine als zweiflutige Rohranordnung 30 gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung ausgebildete Abgasführung zwischen einer nur schematisch eingezeichneten Brennkraftmaschine 34 und einer motornahen Katalysatoranordnung 36 dargestellt.
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An einer ersten Flut 31 weist die Rohranordnung 30 ein erstes Anbindungsrohr 38 von der Brennkraftmaschine 34 und ein weiteres Rohr 40 auf, das zumindest mittelbar an die Katalysatoranordung 36 angeschlossen ist. Zur gasdichten Verbindung der Rohre 38 und 40 zwischen den Rohren eine Gelenkverbindung 1.1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1-4 angeordnet.
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An einer zweiten Flut 32 weist die Rohranordnung 30 ein zweites Anbindungsrohr 42 von der Brennkraftmaschine 34, ein Verbindungsrohr 44 mit einem Längenausgleichselement 48 und ein weiteres Rohr 46 auf, das zumindest mittelbar an die Katalysatoranordung 36 angeschlossen ist. Zur gasdichten Verbindung der Rohre 42, 44 und 46 ist jeweils zwischen den Rohren 42 und 44 und zwischen den Rohren 44 und 46 eine Gelenkverbindung 1.2 bzw. 1.3 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1-4 angeordnet.
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Auf diese Weise kann der benötigte Positionsausgleich zum Ausgleich von Bauteil- und Lagetoleranzen, beispielsweise der Rohre und/oder der Position der Brennkraftmaschine 34 und der Katalysatoranordnung 36 zueinander, und gleichzeitig eine zuverlässige, gasdichte Verbindung bereitgestellt werden. Dafür ist bei einer zweiflutigen Rohranordung 30 an einer Flut das Längenausgleichselement 48 erforderlich.
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Die Freiheitsgrade der Gelenkverbindung 1 ergeben sich unter anderem daraus, dass im Zusammenwirken der Kugelkalotte 6, des darauf gespannten Aufschiebeflanschs 8 und der Verspannungs-Manschette 10, die der Kalotte 6 angeformt ist, der Aufschiebeflansch an der Kugelkalotte um eine Längsachse des zweiten Rohres 4 bzw. 40, 44 oder 46 gedreht werden kann. Zudem kann der Aufschiebeflansch - mit dem Kugelmittelpunkt der Kalotte 6 als Drehpunkt aus einer Längsachse des ersten Rohres 2 bzw. 38, 42 oder 44 herausgedreht werden, und zwar in alle Umfangsrichtungen der Längsachse des ersten Rohres.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- gasdichte Gelenkverbidnung
- 2
- erstes Rohr
- 4
- zweites Rohr
- 6
- Kugelkalotte
- 8
- Aufschiebeflansch
- 10
- Manschette
- 12
- Verspannungsanordnung
- 14
- Schrauben
- 16
- Befestigungsvorsprünge
- 18
- Dichtungselement
- 20
- Nase des Aufschiebeflanschs
- 21
- durch die Nase abgegrenzter Querschnitt
- 22
- Berührungsstelle
- 26
- Federsicherung
- 30
- zweiflutige Rohranordnung
- 31
- erste Flut
- 32
- zweite Flut
- 34
- Brennkraftmaschine
- 36
- motornahe Katalysatoranordnung
- 38
- erstes Anbindungsrohr
- 40
- Rohr
- 42
- zweites Anbindungsrohr
- 44
- Verbindungsrohr
- 46
- Rohr
- 48
- Längenausgleichselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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