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1、第八章第八章 齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)8-1 概述8-2 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則8-3 齒輪的常用材料8-4 圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析和計(jì)算載荷8-5 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算8-6 齒輪的許用應(yīng)力8-8 直齒錐齒輪傳動(dòng)8-10 齒輪的結(jié)構(gòu)8-9 齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑與效率8-7 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算8-18-1概述概述1 1一、齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)、類型和基本問題一、齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)、類型和基本問題3 3)效率高;)效率高;4 4)結(jié)構(gòu)緊湊;)結(jié)構(gòu)緊湊;1 1)工作可靠,壽命長(zhǎng);)工作可靠,壽命長(zhǎng);2 2)傳動(dòng)比恒定;)傳動(dòng)比恒定;齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一,其應(yīng)用范圍十分廣泛。是機(jī)

2、械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一,其應(yīng)用范圍十分廣泛。8-1 概 述1. 特點(diǎn):特點(diǎn):5 5)適用性廣。)適用性廣。可達(dá)可達(dá)99,在常用的機(jī)械傳動(dòng)中,其效率最高。,在常用的機(jī)械傳動(dòng)中,其效率最高。在相同條件下,齒輪傳動(dòng)所需的空間一般較小。在相同條件下,齒輪傳動(dòng)所需的空間一般較小。這也是齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用的原因之一。這也是齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用的原因之一。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)1)制造及安裝精度要求高;)制造及安裝精度要求高;2)成本高。)成本高。2. 類型類型按按軸的布置軸的布置分分平行軸齒輪傳動(dòng)平行軸齒輪傳動(dòng)相交軸齒輪傳動(dòng)相交軸齒輪傳動(dòng)交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng)交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng)(錐齒輪)(錐齒輪)(圓柱(圓柱齒輪齒輪)

3、概述概述2 2按齒向分:直齒輪傳動(dòng)斜齒輪傳動(dòng)人字齒輪傳動(dòng)按工作條件分:閉式傳動(dòng)開式傳動(dòng)軟齒面齒輪(齒面硬度350HBS)硬齒面齒輪(齒面硬度350HBS)按齒面硬度分:按齒廓分:漸開線齒輪擺線齒輪圓弧齒輪3. 基本問題:基本問題:1)傳動(dòng)平穩(wěn):即要求瞬時(shí)傳動(dòng)比i恒定。2)足夠的承載能力:即要求在預(yù)期的使用期限內(nèi)不失效。概 述8-28-2齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則8-2 齒輪傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一、失效形式一、失效形式輪齒折斷齒面點(diǎn)蝕齒面膠合齒輪傳動(dòng)的失效主要是輪齒的失效,常見的失效形式有:分為:疲勞折斷過載折斷:屬于靜強(qiáng)度破壞。多發(fā)生在輪齒的節(jié)線附近靠近齒根的

4、一側(cè)。是在重載條件下產(chǎn)生的粘著磨損現(xiàn)象。齒面磨粒磨損使輪齒變薄,最后導(dǎo)致輪齒折斷。塑性變形是重載軟齒面,在摩擦力作用下引起的材料塑性流動(dòng)。冷膠和熱膠合分為輪齒折斷齒面點(diǎn)蝕齒面膠合磨粒磨損塑性變形設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)一般工況下的對(duì)一般工況下的普通齒輪傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng),其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為:,其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為:為防止輪齒的疲勞折斷,需計(jì)算為防止輪齒的疲勞折斷,需計(jì)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。為防止齒面點(diǎn)蝕,需計(jì)算為防止齒面點(diǎn)蝕,需計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度齒面接觸疲勞強(qiáng)度。注:對(duì)注:對(duì)高速重載高速重載傳動(dòng),還應(yīng)按傳動(dòng),還應(yīng)按齒面抗膠合能力齒面抗膠合能力進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行計(jì)算。二、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則二、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1)閉式傳動(dòng)閉

5、式傳動(dòng)硬齒面硬齒面:按按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算(確定齒輪的進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算(確定齒輪的參數(shù)和尺寸),然后校核參數(shù)和尺寸),然后校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度齒面接觸疲勞強(qiáng)度軟齒面軟齒面:按按齒面接觸疲勞強(qiáng)度齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算(確定齒輪的進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算(確定齒輪的參數(shù)和尺寸),然后校核參數(shù)和尺寸),然后校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。2)開式傳動(dòng):開式傳動(dòng):只計(jì)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度只計(jì)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度,適當(dāng)加大模數(shù)(,適當(dāng)加大模數(shù)(預(yù)留磨損量預(yù)留磨損量)。)。齒輪傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則注:注:由于磨損比點(diǎn)蝕的形成快,故由于磨損比點(diǎn)蝕的形成快,故開式傳動(dòng)開式傳動(dòng)中中見不到

6、點(diǎn)蝕見不到點(diǎn)蝕現(xiàn)象?,F(xiàn)象。普通閉式傳動(dòng)普通閉式傳動(dòng)的主要失效形式為:輪齒的的主要失效形式為:輪齒的疲勞折斷疲勞折斷和和點(diǎn)蝕點(diǎn)蝕普通開式傳動(dòng)普通開式傳動(dòng)的主要失效形式為:輪齒的的主要失效形式為:輪齒的疲勞折斷疲勞折斷和和磨粒磨損磨粒磨損8-3 8-3 齒輪的常用材料齒輪的常用材料8-3 齒輪的常用材料對(duì)齒輪材料性能的要求對(duì)齒輪材料性能的要求:齒面硬、芯部韌齒面硬、芯部韌。 一、常用的齒輪材料一、常用的齒輪材料 鋼:鋼:鑄鐵:鑄鐵:(見表見表83) 用于用于低速、輕載、不太重要的場(chǎng)合低速、輕載、不太重要的場(chǎng)合; 非金屬材料:如尼龍、塑料等。適用于非金屬材料:如尼龍、塑料等。適用于高速、輕載高速、輕

7、載、且要求降低噪且要求降低噪 音的場(chǎng)合音的場(chǎng)合。 最常用最常用;碳鋼碳鋼合金鋼合金鋼(見見表表81)二、常用的熱處理方法二、常用的熱處理方法(見表見表82)齒輪的毛坯:齒輪的毛坯:鍛造鍛造鑄造鑄造:適用于形狀復(fù)雜、尺寸大的齒輪。:適用于形狀復(fù)雜、尺寸大的齒輪。:適用于中、小尺寸的齒輪。:適用于中、小尺寸的齒輪。調(diào)質(zhì)、正火:調(diào)質(zhì)、正火:得得軟齒面軟齒面,強(qiáng)度低,工藝簡(jiǎn)單強(qiáng)度低,工藝簡(jiǎn)單。齒輪的材料齒輪的材料2 2三、齒輪材料選用的基本原則三、齒輪材料選用的基本原則 q齒輪材料必須滿足工作條件的要求,如強(qiáng)度、壽命、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等; q應(yīng)考慮齒輪的尺寸大小,毛坯成型方法及熱處理和制造工藝; 鋼制軟

8、齒面齒輪,小輪的齒面硬度應(yīng)比大齒輪高2050HBS 。 硬齒面齒輪傳動(dòng),兩輪的齒面硬度可大致相同,或小輪硬度略高。整體淬火、表面淬火、滲碳淬火、滲氮等: 得硬齒面,強(qiáng)度高。淬火后需磨齒,工藝復(fù)雜。適用于中碳鋼適用于低碳鋼不需磨齒齒輪的常用材料8-4 8-4 圓柱齒輪的受力圓柱齒輪的受力分析載荷計(jì)算分析載荷計(jì)算一、輪齒的受力分析一、輪齒的受力分析11t2dTF tantrFF 嚙合傳動(dòng)中,直輪齒的受力分析嚙合傳動(dòng)中,直輪齒的受力分析切向力:切向力:徑向力:徑向力:costnFF 法向力:法向力:1T 為為小輪小輪的名義轉(zhuǎn)矩(的名義轉(zhuǎn)矩(Nmm)。)。式中:式中: 為為小輪小輪的分度圓直徑(的分度

9、圓直徑(mm)。)。1d主動(dòng)輪主動(dòng)輪 的方向與其轉(zhuǎn)向的方向與其轉(zhuǎn)向相反相反;tF從動(dòng)輪從動(dòng)輪 的方向與其的方向與其轉(zhuǎn)向相同轉(zhuǎn)向相同。tF徑向力徑向力 Fr 的方向的方向指向各自的輪心(外齒輪)指向各自的輪心(外齒輪)。1. 直齒圓柱齒輪直齒圓柱齒輪(81)8-4 圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析和載荷計(jì)算 用集中用集中作用于分度圓上齒寬中點(diǎn)作用于分度圓上齒寬中點(diǎn)處的法向處的法向力力 代替輪齒所受的分布力,將代替輪齒所受的分布力,將 分解,得:分解,得:nFnF圓柱齒輪的受力分析圓柱齒輪的受力分析嚙合傳動(dòng)中,輪齒的受力分析2. 斜齒圓柱齒輪斜齒圓柱齒輪11t2dTF costantrnFF 切向力:徑向力

10、:tanxtFF 軸向力:(82)斜齒輪受力 軸向力Fx的方向:用“主動(dòng)輪左右手法則”判斷。圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析和載荷計(jì)算1 主動(dòng)21tF2tF1xF2xF2rF1rF1 主動(dòng)21xF1 主動(dòng)21xF二級(jí)受力分析練 習(xí)受力分析練習(xí)受力分析練習(xí)計(jì)算載荷計(jì)算載荷1 1KKKKKAK 為載荷系數(shù)上述Fn 為輪齒所受的名義法向力。實(shí)際傳動(dòng)中由于原動(dòng)機(jī)、工作機(jī)性能的影響以及制造誤差的影響,載荷會(huì)有所增大。計(jì)算載荷為:nKFFnc式中:KA 使用系數(shù):動(dòng)載系數(shù):是考慮外部附加動(dòng)載荷的系數(shù),見表84。K是考慮內(nèi)部附加動(dòng)載荷的系數(shù),見圖811。修緣齒可以減小內(nèi)部附加動(dòng)載荷,見圖810。圓柱齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算

11、二、計(jì)算載荷二、計(jì)算載荷K 齒向載荷分布系數(shù):是考慮載荷沿齒寬方向分布不均的系數(shù)。 (見圖814)鼓形齒改善載荷沿齒寬分布不均的現(xiàn)象。齒輪遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)矩輸入(輸出)端,可改善偏載現(xiàn)象。 (見圖812)齒間載荷分配系數(shù):是考慮載荷在同時(shí)嚙合的齒對(duì)之間分配 不均的系數(shù)。K(見表85)計(jì)算載荷計(jì)算載荷2 2計(jì)算載荷計(jì)算載荷2 2圓柱齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算輪齒變形傾斜1 主動(dòng)2TT8-58-5直齒圓柱齒輪的強(qiáng)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算度計(jì)算1 1HH一、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算一、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 基本公式: 赫茲公式, 式(81)。接觸應(yīng)力的計(jì)算點(diǎn): 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)式:23HHEd11)(12ZZZuuKTd力學(xué)模型:

12、 將一對(duì)輪齒的嚙合簡(jiǎn)化為 兩個(gè)圓柱體接觸的模型。目的:防止“點(diǎn)蝕”。 強(qiáng)度條件:校核式: uubdKTZZZ12211HEHH1O2OCN2N1HH8-5 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算式(85)式(86)3)影響接觸強(qiáng)度的尺寸是:d( 或 a )和 b,而與模數(shù) m 無關(guān) 。直齒輪接觸強(qiáng)度計(jì)算直齒輪接觸強(qiáng)度計(jì)算Z34Z重合度系數(shù);注意:1)“”用于外嚙合;“”用于內(nèi)嚙合。2) ,應(yīng)按 較小者計(jì)算接觸強(qiáng)度。21HHH4)采用正變位、斜齒輪可提高齒輪的強(qiáng)度,參見圖912。直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算式中:ZE 彈性系數(shù);(見表86 )(見圖816 )u 齒數(shù)比。ZH 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù);112zzu齒數(shù)比:主從

13、主從從主ddzznni傳動(dòng)比:設(shè):1 為小輪,2為大輪。減速傳動(dòng):i = u增速傳動(dòng):ui1直齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算直齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算1 1二、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算二、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算Ysa應(yīng)力修正系數(shù),見圖819。 FaFYmbdKT112式中:YFa齒形系數(shù)。只與齒形有關(guān),而 與模數(shù)m無關(guān),見圖818。YFa與Ysa表目的:防止疲勞斷齒。FF將輪齒簡(jiǎn)化為懸臂梁。按30切線法確定齒根危險(xiǎn)截面。按在齒頂嚙合計(jì)算齒根應(yīng)力。saYYF校核式: F30 30FnF1F2sl危險(xiǎn)截面cFY重合度系數(shù),見式(811)。(89)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度條件:直齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算直齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算2 2引入齒

14、寬系數(shù) 和 d1= m z1,可得1dbd32F211YYYzKTmsaFad設(shè)計(jì)式: (810)2)影響齒根彎曲強(qiáng)度的尺寸是: m 和 b 。3)采用正變位、斜齒輪可提高齒輪的強(qiáng)度,參見圖818。注意: 1) ,應(yīng)按 較小者計(jì)算齒根彎曲強(qiáng)度。21FFSaFaFYY4)動(dòng)力傳動(dòng),一般 m1.52mm。直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)見表87。直齒輪的靜強(qiáng)度計(jì)算直齒輪的靜強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)輪齒的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)少,或工作中有短時(shí)過載時(shí)。應(yīng)計(jì)算輪齒的靜強(qiáng)度。 對(duì)于輪齒的靜強(qiáng)度,一般是在疲勞強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)進(jìn)行校核計(jì)算。 計(jì)算工作應(yīng)力時(shí),不計(jì)入使用系數(shù) KA 和動(dòng)載系數(shù) 。1. 齒面靜強(qiáng)度計(jì)算公式 見P166 式

15、(812)2. 輪齒的抗彎靜強(qiáng)度計(jì)算公式 見P166 式(813)K直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算三、靜強(qiáng)度計(jì)算三、靜強(qiáng)度計(jì)算直齒輪主要參數(shù)的選擇直齒輪主要參數(shù)的選擇1 1四、主要參數(shù)的選擇四、主要參數(shù)的選擇2)齒數(shù)的選擇當(dāng)d1已按接觸疲勞強(qiáng)度確定時(shí),z1m重合度 傳動(dòng)平穩(wěn)抗彎曲疲勞強(qiáng)度降低齒高h(yuǎn) 減小切削量、減小滑動(dòng)率1)齒寬系數(shù) dd 齒寬 b 有利于提高強(qiáng)度,但 d 過大將導(dǎo)致 K見表88。直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算1b1dbd齒寬:bb 2大輪齒寬:小輪齒寬:mm105(21) bb2b(應(yīng)圓整)1dbd齒寬系數(shù):直齒輪主要參數(shù)的選擇直齒輪主要參數(shù)的選擇2 23)中心距 a 應(yīng)通過調(diào)整齒數(shù)或模數(shù),

16、將中心距調(diào)整為整數(shù),最好是以0或5結(jié)尾的整數(shù)。大批量生產(chǎn)時(shí),按有關(guān)推薦值選取。直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 閉式軟齒面: z1 = 20 40 閉式硬齒面和開式傳動(dòng): z1 = 17 20因此,在保證彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下,齒數(shù)多一些好!4)齒輪的精度等級(jí)國標(biāo)中對(duì)圓柱齒輪規(guī)定了十三個(gè)精度等級(jí),常用 5 9 級(jí)。(見表89 )齒輪精度分為:第一公差組:控制運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。第二公差組:控制傳動(dòng)的平穩(wěn)性。第三公差組:控制載荷分布的均勻性。 應(yīng)遵循 “ 需要可能 ” 的原則。例如: 877 HK選擇精度等級(jí)根據(jù)傳動(dòng)的用途、使用條件和齒輪的圓周速度等選擇精度等級(jí)。ZN 壽命系數(shù),是考慮應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 對(duì)疲勞極限

17、影響的系數(shù),一、疲勞強(qiáng)度許用接觸應(yīng)力一、疲勞強(qiáng)度許用接觸應(yīng)力 HNHSZlimH式中:Hlim 齒輪的接觸疲勞極限,見圖820 圖823。SH安全系數(shù),見表811。見圖824。按式(815)計(jì)算二、疲勞強(qiáng)度許用彎曲應(yīng)力二、疲勞強(qiáng)度許用彎曲應(yīng)力 FxNFFSYYlim2式中:Flim 齒輪的齒根彎曲疲勞極限,見圖825 圖828。(816)輪齒雙向彎曲時(shí),圖中Flim值需乘以0.7。8-6 齒輪的許用應(yīng)力(814)SF安全系數(shù),見表811。YN壽命系數(shù),是考慮應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 對(duì)疲勞極限影響的系數(shù),按式(815)計(jì)算Yx尺寸系數(shù),見圖830。(見圖829)三、靜強(qiáng)度許用應(yīng)力三、靜強(qiáng)度許用應(yīng)力 1

18、. 靜強(qiáng)度許用接觸應(yīng)力 (見式817)2. 靜強(qiáng)度許用彎曲應(yīng)力 (見式818)8-78-7斜齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算斜齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算cosZ一、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算一、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 用螺旋角系數(shù) Z 計(jì)入輪齒傾斜使齒面接觸應(yīng)力減小的影響,對(duì)直齒輪的接觸強(qiáng)度公式進(jìn)行修正,得斜齒輪的強(qiáng)度計(jì)算公式: 式中:螺旋角系數(shù) :重合度系數(shù) Z : 校核式: uubdKTZZZZHE12211HH(820)設(shè)計(jì)式: 32H1112ZZZZuuKTdHEd(821)1時(shí),)1 (34Z1時(shí),1Z(823) 端面重合度 , 縱向重合度 ,見式(824)。8-7 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度

19、計(jì)算斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計(jì)算2 2二、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算二、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 通常按斜齒輪的當(dāng)量直齒輪計(jì)算其齒根彎曲疲勞強(qiáng)度,并引入螺旋角系數(shù)Y 計(jì)入輪齒傾斜的影響,得: 設(shè)計(jì)式:3F2121ncos2YYYYzYKTmSaFad標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計(jì)算式中:YFa按當(dāng)量齒數(shù) 查圖818。Y螺旋角系數(shù)的數(shù)值可查 圖831。 輪齒受載及折斷校核式: YYYYmbdKTsaFaFn112F3vcoszz YSa按當(dāng)量齒數(shù) 查圖819。vzY重合度系數(shù),按式(827)和式(828)計(jì)算。 強(qiáng)度公式中其他參數(shù)與直齒圓柱齒輪完全相同。 8-8 8-8直齒直齒錐齒輪傳動(dòng)軸交角為90的直齒錐齒輪傳動(dòng): 8

20、-8 直齒錐齒輪傳動(dòng)一、主要參數(shù)和尺寸一、主要參數(shù)和尺寸直齒錐齒輪的大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值。直齒錐齒輪傳動(dòng)的幾何參數(shù)211212tancotddzzu2122212221udddRRbRbRdddd5 . 015 . 022m11m)5 . 01 ()5 . 01 (RmRmmmdd以及則有:令 R = b/R齒寬系數(shù),設(shè)計(jì)中常取R =0.250.35。齒數(shù)比:錐距:b2/bCt錐齒輪傳動(dòng)2二、輪齒的受力分析二、輪齒的受力分析 用集中作用于齒寬中點(diǎn)處的法向力 Fn 代替輪齒所受的分布力。 將Fn分解為:切向力Ft,徑向力Fr和軸向力Fx。 cos2cos1m1tndTFF軸向力Fx的方向總是由錐齒輪的小端指向大端。 錐齒輪的受力分析見圖8-33211costanxtrFFF2r11sintanFFFtxttFdTF1m12直齒錐齒輪傳動(dòng)錐齒輪傳動(dòng)3三、強(qiáng)度計(jì)算三、強(qiáng)度計(jì)算 按齒寬中點(diǎn)處的當(dāng)量圓柱齒輪計(jì)算直齒錐齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度。H31215 . 0171. 4udKTZZRRHEH 校核式: 忽略重合度的影響。(83

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