JP2005143183A - 車両用駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータを駆動源として備えた車両用駆動装置において、クラッチ締結要求発生時の応答時間をモータの動作条件に左右されずに所望値とする。
【解決手段】 後輪２０Ｌ、２０Ｒ駆動用のリアユニット４０は、リアモータ９０とクラッチ９５とを含む。ＥＣＵ６０は、各種センサ出力に基づいて検知される運転状況に基づいてクラッチ締結要求を発生する。ＥＣＵ６０は、クラッチ締結要求が発生されたときに、所望のクラッチ締結要求時間の経過後における推定車輪速度に対応したリアモータの目標回転数を算出する。リアモータ９０は、クラッチ締結要求時間の経過後において実際の回転数が目標回転数へ達するように、ＥＣＵ６０，ＰＣＵ７０によって制御される。クラッチ９５は、ＥＣＵ６０の指示に基づき、クラッチ締結要求時間の経過後に締結される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、車両用駆動装置に関し、より特定的には、電動機（モータ）によりクラッチを介して車軸を駆動する車両用駆動装置に関する。

最近、環境に配慮した自動車として、電動機（モータ）を駆動装置に組込んだハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）および電気自動車（Electric Vehicle）が大きな注目を集めている。そして、ハイブリッド自動車は、一部実用化されている。

一部のタイプのハイブリッド自動車では、モータによりクラッチを介して車軸を駆動する駆動装置の構成が用いられる。このような構成では、モータによる駆動を追加したとき、あるいは、モータによる駆動力に切換える際に発生するトルクショックの抑制が求められる。

このため、車輪側の回転数検出機構を設けて、クラッチ締結時には、モータ回転数が車輪側の回転数以上となるまでモータを空転させてから、クラッチを締結させる制御方式が開示されている（たとえば、特許文献１）。

また、駆動指令、すなわちクラッチ締結要求の出力時に、車軸速度のその後の変化を予測する予測方程式と、モータの速度立上がり特性とから、モータ回転速度が車軸速度と等しくなるまでの所用時間を演算し、当該所用時間の経過後にクラッチを締結させる制御方式も開示されている（たとえば、特許文献２）。
特開２００３−９７６００号公報 特開平１１−２４３６０８号公報

しかしながら、上記特許文献１および２に開示されたクラッチ締結制御方式では、クラッチ締結要求があってから実際にクラッチ締結が完了するまでの応答時間は、モータ速度の応答特性に依存することになる。

モータ速度の応答特性がモータ温度や出力トルク等により変化することを考慮すれば、上記のクラッチ締結制御方式では、クラッチ締結の際の応答時間を決定する支配的要因は、運転状況ではなく電動機の動作条件となってしまう。一方で、運転上望ましいクラッチ締結の際の応答時間は、運転状況に応じて変わってくるので、従来のクラッチ締結制御方式による車両用駆動装置では、運転者が意図するような走行を行なえないケースに至り、運転性が悪化してしまうことが懸念される。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、クラッチによって締結されるモータを駆動源として備えた車両用駆動装置において、クラッチ締結要求時に、モータの動作条件に左右されずにクラッチ締結までの応答時間を所望値とすることである。

この発明による車両用駆動装置は、電動機と、クラッチと、制御装置とを備える。電動機は、車輪を駆動可能である。クラッチは、電動機によって駆動される車輪および電動機の間に配置される。制御装置は、車両の駆動を制御するために設けられる。制御装置は、クラッチの締結要求があったときに、所望のクラッチ締結要求時間の経過後における推定車輪速度に対応した電動機の目標回転数を算出し、さらに、クラッチ締結要求時間の経過後において電動機の回転数が目標回転数へ達するように電動機の制御を行ない、クラッチは、制御装置の指示に基づき、クラッチ締結要求時間の経過後に電動機および車輪の間を締結する。

好ましくは、クラッチ締結要求時間は、運転状況に応じて決定される。

また好ましくは、車両用駆動装置は、電動機以外の車輪駆動源をさらに備える。

さらに好ましくは、クラッチの締結要求は、車両の走行中に運転状況に応じて発せられる。

また好ましくは、制御装置は、クラッチの締結要求があったときに、車輪の回転速度の検出値および車輪の駆動力の計算値に基づいて、推定車輪速度および目標回転数を算出する。

あるいは好ましくは、制御装置は、推定車輪速度に対応して算出された目標回転数を、電動機の実際の回転数、クラッチ締結要求時間および電動機の予測応答時間に応じて修正して電動機の制御を行なうことにより、目標回転数に対する電動機の実際の回転数の応答特性がクラッチ締結要求時間に依存するような制御系を構成する。

さらに好ましくは、推定車輪速度に対応して算出された目標回転数をＭＶｒ、修正された目標回転数をＭＶｒ♯、電動機の予測応答時間をＴｍｔ、クラッチ締結要求時間に基づくクラッチ締結要求時定数をＴｒｑｃ、電動機の実際の回転数をＭＶとすると、ＭＶｒ♯＝（Ｔｍｔ／Ｔｒｑｃ）・ＭＶｒ−（Ｔｍｔ／Ｔｒｑｃ−１）・ＭＶ、に従って求められる修正された目標回転数ＭＶｒ♯を用いて、電動機の制御が行なわれる。

好ましくは、電動機の予測応答時間は、電動機の動作条件に応じて求められ、動作条件は、電動機の温度、電流および回転数のうちの少なくとも１つを含む。

この発明による車両用駆動装置は、所望のクラッチ締結要求時間の経過時において、推定車輪速度に対応した目標回転数に達するように電動機を制御した上で、クラッチを実際に締結する。したがって、クラッチ締結までの応答時間を、電動機の動作条件に依存しない所望のクラッチ締結要求時間とすることができる。

特に、クラッチ締結要求時間を運転状況に応じて決定することにより、電動機の動作条件に左右されるのではなく、運転状況に応じてクラッチ締結までの応答時間を設定できるので、運転性を高めることができる。

また、電動機以外に車両駆動源を備える構成とすることにより、車両の走行中に、トルクショックを抑制してクラッチ締結を行ない、電動機による車輪駆動トルクを追加可能な構成とすることができる。

さらに、クラッチ締結要求時間の経過時での推定車輪速度に対応する目標回転数を、電動機の実際の回転数、クラッチ締結要求時間および電動機の予測応答時間に応じて修正して電動機の制御を行なうことにより、モータ目標回転数を入力としてモータ回転数（実績値）を出力とする応答特性がクラッチ締結要求時間に依存するように制御する。この結果、電動機の動作条件に左右されることなく、クラッチ締結要求時間の経過時にトルクショックを抑制してクラッチを締結できる。

特に、電動機の温度、電流および回転数のうちの少なくとも１つを含む電動機の動作条件に応じて、電動機の予測応答時間を求めることにより、電動機の実際の応答時間変化に追随させて、電動機の予測応答時間を定めることができる。この結果、クラッチ締結要求後の電動機速度制御を高精度化できる。

以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
［実施の形態１］
図１は、本発明に従う車両用電動式駆動装置を備えた自動車の構成を説明するブロック図である。

図１を参照して、本発明による自動車１００は、前輪１０Ｌ，１０Ｒと、後輪２０Ｌ，２０Ｒと、前輪駆動用のフロント駆動ユニット３０と、後輪駆動用のリア駆動ユニット４０と、エンジン５０と、ＥＣＵ（Electrical Control Unit）６０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）７０と、バッテリ８０を備える。

リア駆動ユニット４０は、後輪２０Ｌ，２０Ｒ駆動用の電動機であるリアモータ９０と、クラッチ９５とを含む。クラッチ９５は、リアモータ９０および後輪２０Ｌ，２０Ｒと接続された車軸との間に設けられる。

クラッチ９５の締結時には、リアモータ９０による発生トルクが車軸に伝達されて、後輪２０Ｌ，２０Ｒを駆動することができる。また、減速時等において、後輪２０Ｌ，２０Ｒによってリアモータ９０が回転されるときには、リアモータ９０は発電機として動作する。

エンジン５０は、前輪１０Ｌ，１０Ｒの駆動に用いられる。フロント駆動ユニット３０は、フロント駆動用モータ（図示せず）を内蔵し、エンジン５０および／またはフロント駆動用モータによって発生したトルクによって、前輪１０Ｌ，１０Ｒを駆動する。フロント駆動用モータについても、前輪１０Ｌ，１０Ｒあるいはエンジン５０によって回転されるときには、発電機として動作させることができる。

「制御装置」として設けられるＥＣＵ６０へは、アクセルペダル１５に配置された位置センサによって検出されるアクセル踏込み量／踏込み速度を始めとする各種センサからの運転状況・車両状況を示す情報が入力される。運転状況を示す情報には、上記のアクセル位置センサの出力の他に、特に本実施の形態に関連しては、車輪速度センサ出力、車体勾配センサ出力が含まれる。さらに、車両状況として、モータの動作条件を示す、リアモータ９０の温度センサ・電流センサ・回転速度センサ出力等が入力される。ＥＣＵ６０は、入力されたこれらの情報に基づき、自動車１００に関する種々の制御を統合的に行なう。

ＰＣＵ７０は、自動車１００内で必要となる電力変換器を総括的に示すものである。すなわち、ＰＣＵ７０は、直流電力を交流電力に変換するインバータ（図示せず）や直流電圧の電圧レベルを変換するＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）等を含む。特に、このインバータは、バッテリ８０から供給される直流電力をモータ駆動のための交流電力に変換し、かつ、エンジン５０によってジェネレータ（モータ）が駆動された際、あるいはモータ自身の回生制動動作の際に発電された交流電圧をバッテリ８０を充電する直流電圧に変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、主として、エアコン等補機用の電源電圧に適したレベルへ直流電圧を変換するために用いられる。

バッテリ８０、フロント駆動ユニット３０およびリア駆動ユニット４０と、ＰＣＵ７０との間には、給電ケーブル８１，８２，８３がそれぞれ配設されて電力が伝達される。

本実施の形態では、自動車１００の走行は、基本的には、フロント駆動ユニット３０による前輪１０Ｌ，１０Ｒの駆動（ＦＦモード）によって行なわれる。しかし、発進時、急加速時および低摩擦係数路走行時（以下、「低μ走行時」と称する）には、安定した駆動トルク配分とするために４輪駆動走行（４ＷＤモード）が行われる。

４ＷＤモード時には、ＥＣＵ６０内でクラッチ締結要求フラグがオンされ、これに応答してクラッチ９５を締結することにより、リアモータ９０の出力トルクを後輪２０Ｌ，２０Ｒの車軸へ伝達して、前輪１０Ｌ，１０Ｒに加えて後輪２０Ｌ，２０Ｒが駆動される。また、減速・制動時にも、クラッチ９５を締結することにより、リアモータ９０を発電機として作動させて、バッテリ８０充電用のエネルギーを回収することができる。

走行中に、すなわち後輪２０Ｌ，２０Ｒが回転している状態でクラッチ９５を締結する場合には、クラッチ締結時においてリアモータ９０の速度（回転数）と後輪２０Ｌ，２０Ｒの速度とは同期している必要がある。本実施の形態では、以下に述べるようなクラッチ締結制御方式によって、クラッチ９５の締結要求発生時におけるクラッチ締結までの応答時間を、モータの動作条件に左右されることなく所望のクラッチ締結要求時間に制御する。

図２は、本発明の実施の形態に従うクラッチ締結制御方式を説明するフローチャートである。図２のフローチャートは、ＥＣＵ６０の動作を示すものである。

図２を参照して、ＥＣＵ６０へ入力される各種センサ出力に基づいて、運転状況に応じて、クラッチ締結要求フラグがオン（“１”）されてクラッチ締結要求が発生される（ステップＳ１００）。たとえば、アクセル踏込み量および踏込み速度から「急加速」が認識された場合、車輪回転速度の急激な変化からのスリップ検出により「低μ走行」が認識された場合、あるいは、減速・制動時等において、クラッチ締結要求フラグがオン（“１”）される。

まず、ＥＣＵ６０は、クラッチ締結要求発生時の運転状況からクラッチ締結要求時間Ｔｒｑを決定するとともに、モータ条件からモータ予測応答時間Ｔｍｔを決定する（ステップＳ１１０）。たとえば、運転状況として上記のような「急加速」や「低μ走行」が認識される場合には、クラッチ締結要求時間Ｔｒｑは相対的に短く設定され、それ以外の場合では相対的に長く設定される。

具体的には、図３に示すように、運転状況を示す、アクセル踏込み量／踏込み速度、車速、勾配センサ出力、スリップ検出有無等のパラメータに応じて、所望のクラッチ締結要求時間Ｔｒｑが予め割り付けられたマップ１１０をＥＣＵ６０内に作成しておき、クラッチ締結要求の発生時に当該マップ１１０を参照することで、運転状況に応じた所望のクラッチ締結要求時間Ｔｒｑを決定できる。

同様に、モータ条件としては、モータの等価回路定数の変動要因となるモータ温度、モータ回転数あるいはモータ電流等のうちの少なくとも１つに応じて、予め実験等で求められたデータを基に、モータ予測応答時間Ｔｍｔを設定する。

たとえば、リアモータ９０の速度制御系（閉ループ系）でのステップ応答を測定することにより、当該モータ速度制御系を一次遅れ系１／（Ｔｍｔ♯・ｓ＋１）でモデル化できる。したがって、上記モータ条件ごとにステップ応答を予め測定して、測定したモータ応答時間（時定数）Ｔｍｔ♯に基づいたマップ１１５をＥＣＵ６０内に作成しておく。その上で、クラッチ締結要求の発生時に当該マップ１１５を参照すれば、モータ条件に応じたモータの応答特性の変化に追随させて、モータ予測応答時間（時定数）Ｔｍｔを決定できる。

図３に示されたマップ１１０，１１５については、入力される複数のパラメータによる多次元のマップとしてもよいし、パラメータごとにマップを作成してもよい。複数のマップを作成した場合には、それぞれのマップから求められた値より、所定条件（最大値・最小値・平均値等）に応じて、クラッチ締結要求時間Ｔｒｑ，モータ予測応答時間Ｔｍｔを決定する。

所望のクラッチ締結要求時間Ｔｒｑが決定されると、次に、クラッチ締結要求の発生からクラッチ締結要求時間Ｔｒｑ経過後における推定車輪速度および、これに対応するモータ目標回転数ＭＶｒが算出される（ステップＳ１２０）。たとえば、特許文献２と同様に、クラッチ締結要求時の車輪速度（実績値）および車両駆動力（算出値）に基づく予測方程式等を予め作成しておくことにより、上記推定車輪速度を算出することができる。

本発明では、実際のモータ速度（回転数）制御において、モータ目標回転数が、モータ回転数の実績値ＭＶ、モータ予測応答時間Ｔｍｔおよびクラッチ締結要求時間Ｔｒｑに応じて修正される（ステップＳ１３０）。

このように修正されたモータ目標回転数ＭＶｒ♯を用いて、クラッチ締結要求時間Ｔｒｑ経過後におけるモータ回転速度が本来のモータ目標回転数ＭＶｒと一致するように、リアモータ９０の速度は制御される（ステップＳ１４０）。

図４は、この実施の形態によるモータ速度（回転数）の制御方式を示すブロック図である。

図４を参照して、この実施の形態によるモータ速度制御系１５０は、本来のモータ速度制御系１６０と、モータ目標回転数算出部１７０と、モータ目標回転数修正部１８０とを有する。

モータ速度制御系１６０は、リアモータ９０の実績回転数（速度）ＭＶが目標回転数（速度）ＭＶｒ♯と一致するように、周知のＰＷＭ制御方式等に基づいて制御する閉ループ制御系に相当する。既に説明したように、モータ速度制御系１６０は、モータ条件に応じて時定数が変化する一次遅れ系：１／（Ｔｍｔ♯・ｓ＋１）で近似される。

モータ目標回転数算出部１７０は、上記ステップＳ１２０に相当する処理を実行する。すなわち、モータ目標回転数算出部１７０は、入力された、車輪速度（実績値）ＷＶおよび車両駆動力（算出値）ＤＦに応じて、クラッチ締結要求からクラッチ締結要求時間Ｔｒｑ経過後の推定車輪速度を算出し、さらに、これに対応したモータ目標回転数ＭＶｒを算出する。

モータ目標回転数修正部１８０は、モータ予測応答時間Ｔｍｔおよびクラッチ締結要求時定数Ｔｒｑｃを用いて、モータ目標回転数を下記（１）式に従って修正する。

ＭＶｒ♯＝（Ｔｍｔ／Ｔｒｑｃ）・ＭＶｒ−（Ｔｍｔ／Ｔｒｑｃ−１）・ＭＶ …（１）
ここで、クラッチ締結要求時定数Ｔｒｑｃは、クラッチ締結要求時間Ｔｒｑに基づいて、たとえばＴｒｑｃ＝Ｔｒｑ／４と定められる。

これにより、モータ速度制御系１６０およびモータ目標回転数修正部１８０によって構成される閉ループ系における、モータ目標回転数ＭＶｒからモータ回転数（実績値）ＭＶの伝達関数は、モータ予測応答時間Ｔｍｔが実際のモータ応答時間Ｔｍｔ♯とほぼ合致していれば、下記（２）式となる。

ＭＶ（ｓ）／ＭＶｒ（ｓ）＝１／（Ｔｒｑｃ・ｓ＋１） …（２）
上記のようにＴｒｑｃ＝Ｔｒｑ／４と定めることにより、クラッチ締結要求時間Ｔｒｑの経過時におけるモータ回転数（実績値）ＭＶは、モータ目標回転数ＭＶｒに対して整定される。

再び図２を参照して、図４に示したモータ速度制御系１５０によるリアモータ９０の速度制御は、クラッチ締結要求時間Ｔｒｑ（Ｔｒｑ＝４・Ｔｒｑｃ）が経過するまで継続される（ステップＳ１５０）。クラッチ締結要求時間Ｔｒｑが経過すると、ＥＣＵ６０からクラッチ９５に対して締結指示が実際に発せられる（ステップＳ１６０）。これに応答してクラッチ９５が機械的に締結され、クラッチ締結は完了する（ステップＳ１７０）。

図５は、本発明の実施の形態に従うクラッチ締結制御の一例を示す動作波形図である。

図５を参照して、時刻ｔ０において、アクセル踏込み量がＰ１からＰ２へ急激に増加すると、「急加速」が認識されて時刻ｔ１にクラッチ締結要求フラグがオン（“１”）される。

また、アクセルの踏込みに応じた駆動力の増加により、車輪速度ＷＶが上昇する。アクセル踏込み量の変化は、ＥＣＵ６０による車両駆動力の算出値ＤＦへも反映される。

クラッチ締結要求フラグのオンに応答して、図４に示したフローチャートに従って、時刻ｔ１での運転状況に応じたクラッチ締結要求時間Ｔｒｑが決定され、さらに、リアモータ９０が起動されて、図４に示したモータ速度制御系１５０によってその速度（回転数）が制御される。

図５に示されるように、モータ条件に応じたモータ応答時間Ｔｍｔ♯の違いに応じて、モータ電流の応答波形は異なってくる。しかしながら、上記式（２）から理解されるように、クラッチ締結要求発生後の時刻ｔ１以降におけるモータ速度応答は、クラッチ締結要求時定数Ｔｒｑｃ、すなわち所望のクラッチ締結要求時間Ｔｒｑのみに依存することになる。

したがって、時刻ｔ１からクラッチ締結要求時間Ｔｒｑが経過した時刻ｔ２において、モータ条件に左右されることなく、リアモータ９０の回転数（速度）ＭＶは、時刻ｔ２での後輪２０Ｌ，２０Ｒの車輪速度ＷＶｒと同期した目標回転数ＭＶｒに制御される。これにより、時刻ｔ２において、トルクショックを抑制してクラッチ９５が実際に締結され、クラッチトルクが発生する。

したがって、本実施の形態による電動式車両用駆動装置を備えた自動車では、モータの動作条件に左右されることなく、運転状況に応じて決定されたクラッチ締結要求時間経過時にトルクショックを抑制してクラッチを締結できる。この結果、モータの動作条件に左右されずにクラッチ締結までの応答時間を運転状況に応じた所望値とすることができるので、運転性が高められる。

また、クラッチ応答遅れや係合ショック等の問題なく、モータのひきずり損やフリクション損を低減できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明に従う車両用電動式駆動装置を備えた自動車の構成を説明するブロック図である。 本発明の実施の形態に従うクラッチ締結制御方式を説明するフローチャートである。 モータの予測応答時間およびクラッチ締結要求時間の決定方式を説明する概念図である。 モータ速度（回転数）の制御系を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に従うクラッチ締結制御の一例を示す動作波形図である。

符号の説明

１０Ｌ，１０Ｒ 前輪、 １５ アクセルペダル、 ２０Ｌ，２０Ｒ 後輪、 ３０ フロント駆動ユニット、 ４０ リア駆動ユニット、 ５０ エンジン、 ８０ バッテリ、９０ リアモータ、９５ クラッチ、１００ 自動車、１１０，１１５ マップ、１５０，１６０ モータ速度制御系、１７０ モータ目標回転数算出部、１８０ モータ目標回転数修正部、ＭＶｒ 本来のモータ目標回転数、ＭＶｒ♯ 実際の（修正された）目標回転数、Ｔｍｔ♯ モータ応答時間（実際の時定数）、Ｔｍｔ モータ予測応答時間（時定数）、Ｔｒｑ クラッチ締結要求時間、Ｔｒｑｃ クラッチ締結要求時定数、ＷＶ 車輪速度。

Claims (8)

1. 車輪を駆動可能な電動機と、
   前記電動機によって駆動される車輪および前記電動機の間に配置されたクラッチと、
   車両の駆動を制御するための制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記クラッチの締結要求があったときに、所望のクラッチ締結要求時間の経過後における推定車輪速度に対応した前記電動機の目標回転数を算出し、さらに、前記クラッチ締結要求時間の経過後において前記電動機の回転数が前記目標回転数へ達するように前記電動機の制御を行ない、
   前記クラッチは、前記制御装置の指示に基づき、前記クラッチ締結要求時間の経過後に前記電動機および前記車輪の間を締結する、車両用駆動装置。
2. 前記クラッチ締結要求時間は、運転状況に応じて決定される、請求項１記載の車両用駆動装置。
3. 前記電動機以外の車輪駆動源をさらに備える、請求項１記載の車両用駆動装置。
4. 前記クラッチの締結要求は、前記車両の走行中に運転状況に応じて発せられる、請求項３記載の車両用駆動装置。
5. 前記制御装置は、前記クラッチの締結要求があったときに、前記車輪の回転速度の検出値および前記車輪の駆動力の計算値に基づいて、前記推定車輪速度および前記目標回転数を算出する、請求項１記載の車両用駆動装置。
6. 前記制御装置は、前記推定車輪速度に対応して算出された前記目標回転数を、前記電動機の実際の回転数、前記クラッチ締結要求時間および前記電動機の予測応答時間に応じて修正して前記電動機の制御を行なうことにより、前記目標回転数に対する前記電動機の回転数の応答特性が前記クラッチ締結要求時間に依存するような制御系を構成する、請求項１記載の車両用駆動装置。
7. 前記推定車輪速度に対応して算出された前記目標回転数をＭＶｒ、修正された目標回転数をＭＶｒ♯、前記電動機の予測応答時間をＴｍｔ、前記クラッチ締結要求時間に基づくクラッチ締結要求時定数をＴｒｑｃ、前記電動機の実際の回転数をＭＶとすると、
   ＭＶｒ♯＝（Ｔｍｔ／Ｔｒｑｃ）・ＭＶｒ−（Ｔｍｔ／Ｔｒｑｃ−１）・ＭＶ
   に従って求められる前記修正された目標回転数ＭＶｒ♯を用いて、前記電動機の制御が行なわれる、請求項６記載の車両用駆動装置。
8. 前記電動機の予測応答時間は、前記電動機の動作条件に応じて求められ、
   前記動作条件は、前記電動機の温度、電流および回転数のうちの少なくとも１つを含む、請求項６記載の車両用駆動装置。

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