JP3641243B2 - ハイブリッド変速機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンやモータ等の動力源を複数搭載するハイブリッド車両に適したハイブリッド変速機に関し、特に遊星歯車機構等の差動装置により無段変速動作を行わせることが可能なハイブリッド変速機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の差動装置を用いたハイブリッド変速機としては従来、例えば特開２０００−１４２１４６号公報に記載のごとく、遊星歯車機構を構成するサンギヤ、キャリア、リングギヤの３個の回転メンバを有し、これらメンバのうち２個のメンバの回転状態を決定すると他の１個のメンバの回転状態が決まる２自由度の差動装置を備え、上記３個の回転メンバに回転速度の順に発電機と、エンジンからの入力と、駆動系への出力およびモータ／ジェネレータとを順次結合したハイブリッド変速機が知られている。
【０００３】
このハイブリッド変速機によれば、差動装置の差動機能を利用してエンジン出力の一部を発電機の駆動に供し、その発生電力をモータに供給することで無段変速および出力トルクの増減を行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来のハイブリッド変速機では、駆動力の発生源であるエンジンやモータ／ジェネレータの出力を増幅することができない機構上の制約から差動装置を通過する機械的エネルギを大きくしにくいため、発電機およびモータ／ジェネレータをそれだけ大きなものにする必要がある。
特に、差動装置を通過する動力に対して発電機およびモータ／ジェネレータを通過する動力の割合が低速側では１に近づいてそれ以上には大きくできないため、発進時に要求される駆動力を十分に確保するためには発電機およびモータ／ジェネレータ側にエンジンと同程度の高出力のものが必要になり、それだけハイブリッド変速機の寸法や重量が大きくなり、効率も低いものとなる。
【０００５】
本発明は、上記の問題がエンジンやモータ／ジェネレータの出力を増幅することができない事実に起因するとの事実認識に基づき、前進回転出力状態であるときに当該増幅が可能となるような改良を加えて上記の問題を解消し、併せて、当該改良のために付加したブレーキの作動と主動力源の停止状態とにより、登坂路前発進を難しい駐車ブレーキ操作なしに行い得るようにしたハイブリッド変速機を提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的が達成されるようにするため本発明のハイブリッド変速機は、請求項１に記載のごとく、
先ず差動装置を、キャリアが共通なシングルピニオン遊星歯車組およびダブルピニオン遊星歯車組により構成され、５個の回転メンバが存在する２自由度の差動装置とする。
そして、ダブルピニオン遊星歯車組のリングギヤに主動力源からの入力を結合し、両遊星歯車組に共通なキャリアに駆動系への出力を結合する。
【０００７】
またダブルピニオン遊星歯車組のサンギヤに第１のモータ／ジェネレータを結合し、シングルピニオン遊星歯車組のサンギヤに第２のモータ／ジェネレータを結合する。
更にシングルピニオン遊星歯車組のリングギヤを制動可能なブレーキを設け、
前記モータ／ジェネレータからの回転のみを前進回転出力状態となす場合の出力回転停止中は前記ブレーキを作動させるよう構成する。
【０００８】
【発明の効果】
かかる本発明のハイブリッド変速機によれば、
前進回転出力状態で前記のブレーキを作動させ、シングルピニオン遊星歯車組のリングギヤを制動させることで、差動装置は動力源と駆動系との間に大きな減速比を設定する変速比固定モードにより主動力源やモータ／ジェネレータの出力を増幅して伝達することができる。
従って前進回転出力状態で、モータ／ジェネレータの容量を大きくすることなく、つまりその大型化に頼ることなく発進時の動力性能を向上させることができる。
【０００９】
また本発明のハイブリッド変速機によれば、モータ／ジェネレータからの回転のみを前進回転出力状態となす場合の出力回転停止中は前記ブレーキを作動させる構成のため、
登坂路を前進中に停車するとき前記ブレーキの作動と主動力源の停止状態とで停車状態を保つことができ、当該停車状態からの発進に際して駐車ブレーキの解放操作なしにアクセル操作だけで容易に当該発進を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、前進回転出力状態であるときに、登坂路発進の容易化を含む本発明の前記目的が達成されるようにした一実施の形態になるハイブリッド変速機を示し、これを本実施の形態においては、前輪駆動車（ＦＦ車）用のトランスアクスルとして用いるのに有用な以下の構成とする。
【００１１】
図において１は変速機ケースを示し、該変速機ケース１の軸線方向（図の左右方向）における右側のエンジンENG（主動力源）側にラビニョオ型プラネタリギヤセット２を、また反対側の後端に例えば複合電流２層モータ３を可とするモータ／ジェネレータ組を内蔵し、
これらラビニョオ型プラネタリギヤセット２および複合電流２層モータ３を変速機ケース１の軸線上に同軸に配置する。
【００１２】
ラビニョオ型プラネタリギヤセット２は、ピニオンP1およびリングギヤRsを共有するシングルピニオン遊星歯車組４およびダブルピニオン遊星歯車組５の組み合わせになり、シングルピニオン遊星歯車組４を複合電流２層モータ３の側に、またダブルピニオン遊星歯車組５をエンジン側にそれぞれ配置する。
【００１３】
シングルピニオン遊星歯車組４はサンギヤSsおよびリングギヤRsにそれぞれピニオンP1を噛合させた構造とし、
ダブルピニオン遊星歯車組５はサンギヤSdおよび共有ピニオンP1の他に、共有リングギヤRsとは別に付加したリングギヤRｄおよび大径ピニオンP2を備え、大径ピニオンP2をサンギヤSd、リングギヤRｄおよび共有ピニオンP1の３者に噛合させた構造とする。
そして遊星歯車組４，５のピニオンP1,P2を全て、共通なキャリアCにより回転自在に支持する。
【００１４】
以上の構成になるラビニョオ型プラネタリギヤセット２は、サンギヤSs、サンギヤSd、リングギヤRs、リングギヤRｄおよびキャリアCの５個の回転メンバを主たる要素とし、これら５個のメンバのうち２個のメンバの回転速度を決定すると他のメンバの回転速度が決まる２自由度の差動装置を構成する。
【００１５】
かかるラビニョオ型プラネタリギヤセット２に対し本実施の形態においては、図の右側に同軸に配置した図示せざるエンジンENGからの回転がダブルピニオン遊星歯車組５のリングギヤRdに入力されるよう、リングギヤRdにエンジンクランクシャフトを結合する。
一方で、ラビニョオ型プラネタリギヤセット２からの出力回転を共通なキャリアCより取り出すよう、このキャリアCに車輪駆動系Out（例えばディファレンシャルギヤ装置）を結合する。（請求項１）
【００１６】
複合電流２層モータ３は、内側ロータ３riと、これを包囲する環状の外側ロータ３roとを、変速機ケース１内の後軸端に同軸に回転自在に支持して備え、これら内側ロータ３riおよび外側ロータ３ro間における環状空間に同軸に配置した環状コイルよりなるステータ３ｓを変速機ケース１に固設して構成する。
かくして、環状コイル３ｓと内側ロータ３riとで内側のモータ／ジェネレータである第１のモータ／ジェネレータMG1が構成され、環状コイル３ｓと外側ロータ３roとで外側のモータ／ジェネレータである第２のモータ／ジェネレータMG2が構成される。
ここでモータ／ジェネレータMG1,MG2はそれぞれ、複合電流を供給される時は供給電流に応じた個々の方向の、また供給電流に応じた個々の速度（停止を含む）の回転を出力するモータとして機能し、複合電流を供給されない時は外力による回転に応じた電力を発生する発電機として機能する。
【００１７】
かかる複合電流２層モータ３と、ラビニョオ型プラネタリギヤセット２との間の結合に当たっては、ダブルピニオン遊星歯車組５のサンギヤSdに第１のモータ／ジェネレータMG1（詳しくは内側ロータ３ri）を結合し、
シングルピニオン遊星歯車組４のサンギヤSsに第２のモータ／ジェネレータMG2（詳しくは外側ロータ３ro）を結合する。
本実施の形態においては更に、シングルピニオン遊星歯車組４のリングギヤRsを適宜制動可能にするためにフォワードブレーキF/Bを設ける。（請求項１）
【００１８】
上記の構成とした本実施の形態になるハイブリッド変速機は、図２に示す共線図により表すことができる。
ところで、サンギヤSsに噛合するピニオンP1がサンギヤSdに噛合しないことから、サンギヤSs,Sd間には直径に関してSd＜Ssの関係が存在し、同様の理由からリングギヤRs,Rd間には直径に関してRs＜Rdの関係が存在し、またシングルピニオン遊星歯車組４においてリングギヤRsの直径はサンギヤSsのそれに較べて遙かに大きい（Rs＞＞Ss）。
【００１９】
ここで、キャリアCおよびモータ／ジェネレータMG1（サンギヤSd）間における距離はリングギヤRdの歯数で決まるため、リングギヤRdおよびキャリアC間の距離（これを図２では１として示した）に対するキャリアCおよびサンギヤSd間の距離の比で表されるレバー比β（＝Rd/Sd）は、ラビニョオ型プラネタリギヤセットを用いて構成する場合に考えられる中で最も大きいことが判る。
【００２０】
上記のようにレバー比βを大きく取れるということはモータ／ジェネレータMG1の回転数が比較的大きくなり、結果として、出力（Out）が一定であると仮定すれば必要トルクが小さくなるように設計することができることを意味する。
なお、リングギヤRdおよびサンギヤSd間の歯数比をRd/Sd＝２．１と仮定し、リングギヤRsおよびサンギヤSs間の歯数比をRs/Ss＝１．８５と仮定すると、図２におけるα，β，γはそれぞれα＝１．１、β＝２．４、γ＝１．１４となる。
【００２１】
かかるハイブリッド変速機の前進（正）回転出力状態の時の変速動作を、図４の参考例に基づき説明するに、図４のステップS１で前進走行（D）レンジと判定し、ステップS２で、段差乗り越えなどのため所定駆動力Ts以上の大きな駆動力が要求されていると判定する時（発進時）は、ステップS３でフォワードブレーキF/Bを作動させてリングギヤRsを停止させる。
この時ラビニョオ型プラネタリギヤセット２は、エンジンENGからリングギヤRdへの回転を、図９中の共線図A1で示すように、出力要素OutであるキャリアCより前進（正）方向の回転として出力させ、ここにおける出力トルクは線A1をレバーとし、フォワードブレーキF/Bを支点とし、エンジンENGを力点とし、出力（Out）を作用点とするレバー比でエンジンENGのトルクを増幅した値で表され、発進時に要求される大きなトルクをモータ／ジェネレータMG1,MG2の大型化に頼ることなくエンジン出力から得ることができる。（請求項４）
【００２２】
ところでフォワードブレーキF/Bを作動させたままにすると、キャリアCからの出力（Out）回転を大きく上昇させようとしても、エンジンENGの回転限界に起因して回転上昇がかなわない。
そこで、ステップS２で大きな駆動力が要求されていないと判定する時は、ステップS４でフォワードブレーキF/Bを非作動にしてリングギヤRsを自由に回転可能にする。
この時エンジンENGの回転が同じであっても、モータ／ジェネレータMG1の正回転出力方向への駆動により、キャリアCからの出力（Out）回転を大きく上昇させることができ、燃費の悪化を回避することができる。
【００２３】
図５は、図１のハイブリッド変速機が前進（正）回転を出力する時における変速動作の他の参考例で、図４におけると同様の処理を同一符号にて示す。
本参考例では、ステップS１で前進走行（D）レンジと判定し、ステップS５でエンジン出力を使用しない前進と判定する時、つまり、モータ／ジェネレータMG1および／またはモータ／ジェネレータMG2の駆動により前進する時に、ステップS２〜ステップS４で図４におけると同様の制御を行い、
ステップS５でエンジン出力を使用する前進と判定する時は、ステップS６で無条件にフォワードブレーキF/Bを作動させてエンジンENGのトルクを増幅することにより、モータ／ジェネレータMG1,MG２の大型化に頼ることなくエンジン出力から要求駆動力を得ることができるようにする。（請求項５）
【００２４】
図６は、図１のハイブリッド変速機が前進（正）回転を出力する時における変速動作の更に他の参考例で、図４および図５におけると同様の処理を同一符号にて示す。
本参考例では、ステップS１で前進走行（D）レンジと判定し、ステップS５でエンジン出力を使用しない前進と判定する時、つまり、モータ／ジェネレータMG1および／またはモータ／ジェネレータMG2の駆動により前進する時は制御をそのまま終了し、
ステップS５でエンジン出力を使用する前進と判定する時は、ステップS７で無条件にフォワードブレーキF/Bを作動させて前記のレバー比によるトルクの増幅を可能にする。
【００２５】
次いで、ステップS８においてエンジン出力のみで前進可能か否かを判定し、可能ならステップS９で、モータ／ジェネレータMG1,MG２を出力トルク０の非駆動状態にしてエンジン出力のみによる前進を、また不可能ならステップS１０で、エンジン出力とモータ／ジェネレータMG1,MG２の出力とで前進を行わせる。
かかる構成によれば、エンジンからの出力を増幅すればエンジン出力のみで前進走行が可能であるにもかかわらずモータ／ジェネレータMG1,MG２からの動力を追加して出力するような無駄を排除することができ、燃費の向上を図ることができる。（請求項６）
【００２６】
図７は、図１のハイブリッド変速機が前進（正）回転を出力する時における変速動作の一実施の形態で、図４〜６の参考例におけると同様の処理を同一符号にて示す。
本実施の形態では、ステップS１で前進走行（D）レンジと判定し、ステップS１１でモータ／ジェネレータMG1および／またはモータ／ジェネレータMG2の駆動のみにより前進すると判定する時に以下の制御を行う。
つまりステップS１２で登坂路を前進するか否かを判定し、登坂路を前進する走行でないと判定するとき、ステップS２〜ステップS４で図４におけると同様の制御を行う。
【００２７】
しかし、ステップS１２で登坂路を前進すると判定する時は、ステップS１３で無条件にフォワードブレーキF/Bを作動させて前進させる。
かかる制御形態によれば、登坂路を前進中に停車するときフォワードブレーキF/Bの作動とエンジンENGの停止状態とで停車状態を保つことができ、その後の停車状態からの発進に際して駐車ブレーキの解放が不要となり、アクセルペダルを踏み込むだけで容易に当該発進を実現することができる。（請求項１）
【００２８】
なお、図１の構成になるハイブリッド変速機においては、シングルピニオン遊星歯車組４をモータ／ジェネレータMG1,MG2の側に配置し、ダブルピニオン遊星歯車組５をエンジンENG側に配置したから、
シングルピニオン遊星歯車組４がダブルピニオン遊星歯車組５よりも小径であるため、これら遊星歯車組４，５で構成されるラビニョオ型プラネタリギヤセット２（差動装置）に対する２個のモータ／ジェネレータMG1,MG2の結合構造を図示のように簡単なものにすることができる。（請求項２）
【００２９】
図８は、一定スロットル開度のもとで車両を発進させる時における図１に示すハイブリッド変速機の動作特性で、車速VSPがエンジン出力最大点に相当する車速値VSP1になるまでの間フォワードブレーキF/Bの作動により変速比固定モードで機能させ、車速VSPがVSP1になるブレーキ締結／解放ポイントでフォワードブレーキF/Bの非作動により電気変速比モードに切り替えた場合における、エンジントルクに対するモータ必要トルク（共線図上で平衡を取るのに必要なトルク）の比としての外側ロータトルクT1および内側ロータトルクT2の変化特性を、モータパワーPの変化特性と共に示す。
【００３０】
図１のようにシングルピニオン遊星歯車組４をモータ／ジェネレータMG1,MG2の側に、またダブルピニオン遊星歯車組５をエンジンENG側に配置する場合、前記のα，βとの間には（１＋α）＜βの関係が成立し、当該配置において前記の数値例α＝１．１、β＝２．４、γ＝１．１４を当てはめた時、図８のブレーキ締結／解放ポイントVSP1における外側ロータトルクT1は、図９に示すように０．２６となり、同VSP1における内側ロータトルクT2は同図に示すように０．６４となり、同VSP1におけるモータパワーPは同図に示すように０．３９となる。
【００３１】
ここで図１とは反対に、シングルピニオン遊星歯車組４とダブルピニオン遊星歯車組５とを入れ替えて配置し、共線図が図３のごときものとなるように構成した場合、前記のα，βとの間には（１＋α）＞βの関係が成立し、当該配置において図９に示すように数値例α＝１．１、β＝１．８５、γ＝０．８８を当てはめた時、ブレーキ締結／解放ポイントにおける外側ロータトルクT1は、図９に示すように０．２９となり、内側ロータトルクT2は同図に示すように０．８６となり、モータパワーPは同図に示すように０．４１となる。
【００３２】
図９における（１＋α）＜βの欄と、（１＋α）＞βの欄との比較から明らかなように、図１のようなシングルピニオン遊星歯車組４およびダブルピニオン遊星歯車組５の配置によれば、これらを入れ替えた逆の配置の場合に較べ、回転数N1,N2の上昇分だけ、外側ロータトルクT1を０．２９から０．２６へと低下させることができ、内側ロータトルクT2を０．８６から０．６４へと低下させることができ、モータパワーPも０．４１から０．３９へと低下させることができる。
従って図１のハイブリッド変速機は、前進回転出力状態で、モータ／ジェネレータMG1,MG2の容量を大きくすることなく、つまりその大型化に頼ることなく発進時の動力性能を向上させることができる。（請求項１）
【００３３】
図８のブレーキ解放／締結ポイントVSP1は、前記のγが大きくなるにつれて車速（VSP）軸の右方向にずれるが、図１のようなシングルピニオン遊星歯車組４およびダブルピニオン遊星歯車組５の配置によれば、これらを入れ替えた逆の配置の場合に較べてγが大きくなることから、外側ロータトルクT1、内側ロータトルクT2、およびモータパワーPの全てを小さくすることができる。
【００３４】
また図１に示すように、モータ／ジェネレータMG1,MG2をエンジンENGから遠いラビニョオ型プラネタリギヤセット２（差動装置）の側における軸端に配置する場合、
当該軸端の周囲にディファレンシャルギヤ装置のような大型の邪魔物がないことが多いため、大型部品であるモータ／ジェネレータMG1,MG2の設置スペースを確保しやすくて設計の自由度が高まる。（請求項３）
【００３５】
図１ではモータ／ジェネレータMG1,MG2を、内側ロータ３riと、これを包囲する環状の外側ロータ３roと、これらロータ３ri，３ro間の環状空間に同軸に配置したステータ３ｓとよりなる複合電流２層モータ３により構成したが、この代わりに図１０に示すごとく、ロータ３ri，３roを軸線方向横並びに配置することもできる。
しかし、いずれにしてもモータ／ジェネレータMG1,MG2をラビニョオ型プラネタリギヤセット２（差動装置）に同軸に配置する構成によれば、ハイブリッド変速機を径方向にコンパクトな構成にすることができる。（請求項７）
【００３６】
図１１は、第１のモータ／ジェネレータMG1および第２のモータ／ジェネレータMG2を上記のように同軸とせず、相互に径方向へオフセットさせて配置した実施の形態を示す。
本実施の形態においては、サンギヤSsに係わるモータ／ジェネレータMG2をラビニョオ型プラネタリギヤセット２に同軸に配置したロータ３roおよびステータ３soにより構成し、サンギヤSdに係わるモータ／ジェネレータMG1をラビニョオ型プラネタリギヤセット２からオフセットした副軸線上に配置したロータ３riおよびステータ３siにより構成する。
そして、サンギヤSdに結合した駆動軸をモータ／ジェネレータMG2のロータ３roに貫通し、この駆動軸とモータ／ジェネレータMG1のロータ３riとの間をギヤ列１１により駆動結合する。
【００３７】
かようにモータ／ジェネレータMG1， MG2を相互に径方向へオフセットさせて配置した構成によれば、両モータ／ジェネレータの配置の自由度が増す。
そして図１１の場合そうではないが、サンギヤSsに係わるモータ／ジェネレータMG2のロータ３roにサンギヤSdに係わるモータ／ジェネレータMG1の軸を貫通させる必要をなくして、モータ／ジェネレータMG2のロータ３roを大きな体積となし得るようにし、これによりモータ／ジェネレータMG2の駆動トルクを大きくすることができる。（請求項８）
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態になるハイブリッド変速機を模式的に示す概略縦断側面図である。
【図２】 同ハイブリッド変速機の共線図である。
【図３】 図１のハイブリッド変速機による効果を説明するための比較対象として開示したハイブリッド変速機の共線図である。
【図４】 同実施の形態になるハイブリッド変速機の前進回転出力時における変速制御プログラムの参考例を示すフローチャートである。
【図５】 同変速制御プログラムの他の参考例を示すフローチャートである。
【図６】 同変速制御プログラムの更に他の参考例を示すフローチャートである。
【図７】 同変速制御プログラムの本発明に係わる一実施の形態を示すフローチャートである。
【図８】 図１に示すハイブリッド変速機の前進回転出力時における動作タイムチャートである。
【図９】 図１のハイブリッド変速機による動作特性を、図３の共線図で表されるハイブリッド変速機の動作特性と比較して示す動作比較説明図である。
【図１０】 図１に示すハイブリッド変速機に用い得るモータ／ジェネレータの他の構成例を示すハイブリッド変速機の略線図である。
【図１１】 図１に示すハイブリッド変速機に用い得るモータ／ジェネレータの更に他の構成例を示すハイブリッド変速機の略線図である。
【符号の説明】
１ 変速機ケース
２ ラビニョオ型プラネタリギヤセット（差動装置）
ENG エンジン（主動力源）
３ 複合電流２層モータ
MG1 モータ／ジェネレータ
MG2 モータ／ジェネレータ
４ シングルピニオン遊星歯車組
５ ダブルピニオン遊星歯車組
Ss サンギヤ
Sd サンギヤ
P1 ピニオン
P2 大径ピニオン
Rs リングギヤ
Rd リングギヤ
C キャリア
F/B フォワードブレーキ

Claims (8)

1. キャリアを共有したシングルピニオン遊星歯車組およびダブルピニオン遊星歯車組により構成されて５個の回転メンバを有し、これらメンバのうち２個のメンバの回転状態を決定すると他のメンバの回転状態が決まる２自由度の差動装置を備え、
   前記ダブルピニオン遊星歯車組のリングギヤに主動力源からの入力を結合し、
   前記共通なキャリアに駆動系への出力を結合し、
   前記ダブルピニオン遊星歯車組のサンギヤに第１のモータ／ジェネレータを結合し、
   前記シングルピニオン遊星歯車組のサンギヤに第２のモータ／ジェネレータを結合し、
   前記シングルピニオン遊星歯車組のリングギヤを制動可能なブレーキを設け、
   前記モータ／ジェネレータからの回転のみを前進回転出力状態となす場合の出力回転停止中は前記ブレーキを作動させるよう構成したことを特徴とするハイブリッド変速機。
2. 請求項１に記載のハイブリッド変速機において、前記シングルピニオン遊星歯車組をモータ／ジェネレータの側に配置したことを特徴とするハイブリッド変速機。
3. 請求項１または２に記載のハイブリッド変速機において、前記モータ／ジェネレータを前記主原動機から遠い前記差動装置の側における軸端に配置したことを特徴とするハイブリッド変速機。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のハイブリッド変速機において、前進回転出力状態で所定以上の大きな駆動力が要求される時に前記ブレーキを作動させるよう構成したことを特徴とするハイブリッド変速機。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のハイブリッド変速機において、主原動機からの回転を前進回転出力状態となす場合に前記ブレーキを作動させるよう構成したことを特徴とするハイブリッド変速機。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のハイブリッド変速機において、前記ブレーキの作動時は第１および第２のモータ／ジェネレータを共に出力トルク０の非駆動状態にさせるよう構成したことを特徴とするハイブリッド変速機。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のハイブリッド変速機において、前記モータ／ジェネレータを前記差動装置に同軸に配置したことを特徴とするハイブリッド変速機。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のハイブリッド変速機において、前記第１のモータ／ジェネレータおよび第２のモータ／ジェネレータを相互に径方向へオフセットさせて配置したことを特徴とするハイブリッド変速機。

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