(57)【要約】【課題】実物の「ころ軸受」の「ころ」と「保持器」との相対運動を模擬することが可能な試験装置の実現。【解決手段】供試ころ１４をモータ４で回転される主軸１０に固定し回転（自転）させる。供試ころ１４の転動面には、荷重可変な荷重負荷装置２０にて供試保持器２６を押し当て可能である。試験制御コンピュータ１００は、予め実測に基づく荷重パターンデータ１５２を記憶しており、供試ころ１４の自転回転数に相当する公転周期に基づく周期で荷重パターンデータ１５２で定義した荷重変動を実現するように、荷重負荷装置２０へ荷重制御信号（Ｐａｃ）を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ころ軸受を構成するころ（以下「供試ころ」という。）を自転回転させる供試ころ回転部と、
ころへの接触部を少なくとも含む一部又は全部でなる前記ころ軸受を構成する保持器（以下「供試保持器」という。）の当該接触部を、前記供試ころの転動面にしゅう動接触させる押圧部と、
前記ころ軸受におけるころの公転位置に応じて定められた所与の荷重パターンに基づいて前記押圧部による試験荷重を周期的に制御する制御部と、
を備えたすべり摩擦評価試験装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記供試ころ回転部による自転回転数に相当する公転周期に基づいて、前記試験荷重の周期を制御する、
請求項１に記載のすべり摩擦評価試験装置。
【請求項３】
前記供試ころの自転回転のトルクを計測するトルク計測部と、
前記供試保持器の温度を計測する保持器温度計測部と、
前記供試ころの自転回転数と、前記トルク計測部及び前記保持器温度計測部の計測結果とを関連づけて記録する記録部と、
を備えた請求項１又は２に記載のすべり摩擦評価試験装置。
【請求項４】
前記保持器温度計測部の計測温度、前記トルク計測部の計測トルク、及び、当該計測トルクに基づいて算出される摩擦係数の値のうちの何れかが所定の異常条件を満たした場合に前記供試ころ回転部による回転及び前記押圧部による試験荷重を抑制する異常時処理部、
を更に備えた請求項３に記載のすべり摩擦評価試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ころ軸受のころと保持器とのすべり摩擦を評価するための試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品の材料や製造方法等の評価試験として、転動に伴うすべり摩擦・摩耗の試験があり、様々な試験方法や試験装置が提案され、利用されている。例えば、ブロックオンリングやピンブロック試験装置の他、シーソー状に回転できる部材の一方の端部に試験片を取付、その上方に荷重負荷用のおもりを保持できる試験片保持部の試験片を、駆動機構により回転する円筒状の相手材の表面に押しつけてすべり摩擦を発生させて、試験片を摩耗させる試験装置などが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１６２３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
「ころ軸受」の「ころ」と「保持器」との関係は、すべりを伴って使用される機械部品の関係に該当する。ころは、保持器のポケット内（ころを収容する空間内）で転動しながらポケット面（ポケットの内面；接触面）に接触することが知られており、その関係は円筒ころ軸受でも円錐ころ軸受でも同じである。従って、ブロックオンリング試験やピンブロック試験はもとより上記の特許文献１の試験装置をころ軸受に利用することも考えられる。しかし、これら公知の試験方法や試験装置は、特定の条件下における定性的な評価結果しか得られず、荷重や潤滑条件、物体間の形状と言った各種の条件に複雑に影響される実物の「ころ軸受」の「ころ」と「保持器」との接触状態を模擬した試験はできなかった。
【０００５】
本発明は、こうした事情を鑑みてなされたものであり、実物の「ころ軸受」の「ころ」と「保持器」との相対運動を模擬することが可能な試験装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するための第１の発明は、ころ軸受を構成するころ（例えば、図１の供試ころ１４）を自転回転させる供試ころ回転部（例えば、図１のモータ４、軸受８、主軸１０、図３の供試ころ回転部１３１）と、
ころへの接触部を少なくとも含む一部又は全部でなる前記ころ軸受を構成する保持器（例えば、図１の供試保持器２６）の当該接触部を、前記供試ころの転動面にしゅう動接触させる押圧部（例えば、図１の荷重負荷装置２０、ホルダ２４、図３の押圧部１３２）と、
前記ころ軸受におけるころの公転位置に応じて定められた所与の荷重パターンに基づいて前記押圧部による試験荷重を周期的に制御する制御部（例えば、図１の試験制御コンピュータ１００、図３の演算部１１０、荷重制御部１１２）と、
を備えたすべり摩擦評価試験装置である。
【０００７】
第１の発明によれば、所与の荷重パターンで押し当てる荷重を変動させながら、試験体としての保持器を試験体としてのころへ押し当ててしゅう動させることができる。実物の「ころ軸受」において「ころ」が「保持器」へ及ぼす荷重の計測結果に基づく荷重パターンとすることで、実物のころ軸受におけるころと保持器のしゅう動を模擬したすべり摩擦の評価試験が可能となる。
【０００８】
第２の発明は、前記制御部が、前記供試ころ回転部による自転回転数に相当する公転周期に基づいて、前記試験荷重の周期を制御する、第１の発明のすべり摩擦評価試験装置である。
【０００９】
第２の発明によれば、第１の発明と同様の効果に加え、ころの公転周期に応じて保持器を押し付ける荷重を周期的に制御できるようになる。周期の設定に関しては適宜可能であるから、ころと保持器の様々な周期的なしゅう動を模擬することが可能になる。
【００１０】
第３の発明は、前記供試ころの自転回転のトルクを計測するトルク計測部（例えば、図１のトルクメータ６、図３のトルク計測部１４２）と、前記供試保持器の温度を計測する保持器温度計測部（例えば、図１の熱電対３０、図３の温度計測部１４３）と、前記供試ころの自転回転数と、前記トルク計測部及び前記保持器温度計測部の計測結果とを関連づけて記録する記録部（例えば、図１の試験制御コンピュータ１００、記憶媒体１０２、図３の記憶部１５０、計測データ１５５）と、を備えた第１又は第２の発明のすべり摩擦評価試験装置である。
【００１１】
第３の発明によれば、第１又は第２の発明と同様の効果に加えて、「焼き付き」や「かじり」などの摩擦面における損傷現象の発生タイミングを推測する重要なデータを記録することが可能になる。
【００１２】
第４の発明は、前記保持器温度計測部の計測温度、前記トルク計測部の計測トルク、及び、当該計測トルクに基づいて算出される摩擦係数の値のうちの何れかが所定の異常条件を満たした場合に前記供試ころ回転部による回転及び前記押圧部による試験荷重を抑制する異常時処理部（例えば、図１の試験制御コンピュータ１００、図３の演算部１１０、異常時制御部１１４）、を更に備えた第３の発明のすべり摩擦評価試験装置である。
【００１３】
第４の発明は、第３の発明と同様の効果に加えて、更に異常なしゅう動が発生すると、試験荷重を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用したすべり摩擦評価試験装置のハードウェア構成例を示す図。
【図２】荷重パターンの例を示す図。
【図３】すべり摩擦評価試験装置の機能構成例を示す図。
【図４】試験制御コンピュータによる試験制御の処理の流れについて説明するためのフローチャート。
【図５】計測データの一例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を適用したすべり摩擦評価試験装置について説明する。尚、本発明が適用可能な形態は、以下に示す実施形態に限られるものではない。
【００１６】
図１は、本実施形態のすべり摩擦評価試験装置２のハードウェア構成例を示す図である。すべり摩擦評価試験装置２は、モータ４の駆動軸にカップリング５でトルクメータ６の軸の一端を連結し、更にトルクメータ６の軸の他端をカップリング７で主軸１０を連結する。
【００１７】
モータ４は、外部から入力される回転制御信号（Ｐｍ）に応じて駆動軸を回転制御できる。
【００１８】
トルクメータ６は、モータ４の駆動軸と主軸１０との間に生じるトルク（Ｔｒｑ）を計測し、計測値に応じた電気信号を出力することができる。
【００１９】
主軸１０は、両端が軸受８により支持されている。
【００２０】
主軸１０の中間部には、試験対象となる供試ころ１４（試験評価されるころの試験体）が、当該ころの回転軸と主軸１０の回転軸とが一致するように固定されている。主軸１０と供試ころ１４との固定方法は適宜選定可能である。例えば、圧入やねじ込み、溶接などでも良い。
【００２１】
供試ころ１４の外周面すなわち供試ころ１４の転動面には、試験対象となるもう一方の試験体である供試保持器２６が荷重負荷装置２０により押し付けられる。
【００２２】
供試保持器２６は、保持器の一部（特にころとしゅう動するポケット内側の接触面を有する部位）を切り出し、或いは模擬して作製した試験体である。勿論、保持器の一部のみならず全体を試験体として用いるとしても良い。
【００２３】
荷重負荷装置２０は、押し付け荷重を可変できるアクチュエータである。動力源は、電動式・油圧式・空圧式・重錘式など適宜選択できる。また、駆動機構の形態も、回転式・伸縮式・屈伸式・圧電式など適宜選択できる。荷重を可変する方法は手動式でも良いが、本実施形態の荷重負荷装置２０は駆動制御回路２１を搭載し、外部から入力される荷重制御信号（Ｐａｃ）に応じて発生させる荷重を調整できる圧電式アクチュエータとする。
【００２４】
荷重負荷装置２０と供試保持器２６のホルダ２４との間には、ロードセル２２が取り付けられている。ロードセル２２は、供試保持器２６を供試ころ１４に押し付ける荷重（Ｗ）を計測し、計測値に応じた電気信号を出力することができる。
【００２５】
また、すべり摩擦評価試験装置２は、供試保持器２６の温度を計測する手段として熱電対３０を備える。本実施形態では、供試保持器２６の所定位置の温度（℃）を計測し、計測値に応じた電気信号を出力することができる。尚、供試保持器２６の温度を計測する方法は、サーモグラフィーなどその他の方法でも良い。
【００２６】
トルクメータ６から出力されるトルク（Ｔｒｑ）に応じた電気信号と、ロードセル２２から出力される荷重（Ｗ）に応じた電気信号と、熱電対３０から出力される供試ころ１４の温度（℃）に応じた電気信号とは、Ｉ／Ｏコントローラ９０を介して、試験制御コンピュータ１００へ入力される。
【００２７】
Ｉ／Ｏコントローラ９０は、ＣＰＵ（中央演算装置）やＩＣメモリ、信号端子、センサの種類に応じたキャリブレーション回路、センサの補償回路、アンプ回路、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路などを搭載する電子装置である。Ｉ／Ｏコントローラ９０は、各種センサで得られた電気信号を適宜増幅・演算処理して適当なサイクルでデジタル信号に変換して試験制御コンピュータ１００へ出力することができる。また、試験制御コンピュータ１００からの制御信号を必要に応じて増幅しＤ／Ａ変換して外部出力することができる。図１では、Ｉ／Ｏコントローラ９０を一つとして図示しているが、センサ毎に個別に設けるとしても良い。
【００２８】
試験制御コンピュータ１００は、当該試験装置全体を統合的に制御するコンピュータであり、試験中の各種計測結果のデジタルデータを記憶するデータロガーとなるコンピュータである。試験制御コンピュータ１００は、ＩＣメモリやハードディスク等の記憶媒体１０２に、試験制御プログラム１５１を記憶し、ＣＰＵ等でそれらを実行することで、試験及び試験中の計測に必要なさまざまな機能を実現する。尚、記憶媒体１０２は、試験制御コンピュータ１００の内蔵型、有線／無線による外部接続型の何れでも良い。
【００２９】
また、試験制御コンピュータ１００は、計測データ１５５として、Ｉ／Ｏコントローラ９０から入力される信号（値）を時刻情報（例えばクロックカウンタ値）と対応付けて蓄積的に記録する。これにより、後から、各種センサの計測結果を互いに紐付けて分析することが可能である。尚、試験制御コンピュータ１００が、Ｉ／Ｏコントローラ９０を備える構成としてもよい。
【００３０】
本実施形態では、試験に先だって、荷重パターンデータ１５２と、軸回転パターンデータ１５３と、試験終了条件データ１５４とが用意され、試験制御コンピュータ１００が読取り可能な記憶媒体１０２に記憶される。
【００３１】
荷重パターンデータ１５２は、実際の「ころ軸受」を用いて、ころの公転位置にて計測されたころにかかる荷重の時系列変化データに基づいて任意に作成されたパターンデータである。例えば、図２に示すように、１公転周期当たりの目標荷重値と荷重開始／荷重終了タイミングが設定されたデータである。図２の横軸は公転位置（公転角度）を示し、公転方向に沿って、０度を最高位置（頭頂位置）、１８０度を最低位置としている。荷重パターンデータ１５２は、実物の「ころ」が「保持器」に及ぼす荷重の時間変化を計測した図２に示すような実測データでもよいし、当該実測データの一部または全部を適宜平均化・平滑化するなどの処理を施して作成することとしてもよい。
【００３２】
例えば、図２に示すように、公転位置が９０度〜１８０度の間に第１ピークＷ１の第１波、１８０度〜３６０度の間に第２ピークＷ２（Ｗ２＞Ｗ１）の第２波が生じる荷重パターンデータとしたり、第１波が無く、第２波を与えるような荷重パターンデータとしてもよい。また、第２波の幅（公転角度範囲）を第１波の幅よりも広くしたり、第２波の幅を１８０度〜３６０度までとする矩形波とする荷重パターンデータとしてもよい。さらに、０〜３６０度までを一定の荷重パターンとしてもよい。
【００３３】
試験制御コンピュータ１００は、試験制御プログラム１５１を実行することにより、試験開始とともに、荷重負荷装置２０へ荷重パターンデータ１５２で定義されたパターンに基づく周期的な荷重を発生させるための荷重制御信号（Ｐａｃ）を出力することができる。荷重の周期（ｔｐ）は、計測される供試ころ１４の自転回転数（Ｎｒ）に基づいて決定される。例えば、供試ころ１４の１回の自転に係る時間に比例した値を周期（ｔｐ）として定める。すなわち、自転回転数（Ｎｒ）は単位時間当たりの回転数であるため、１／自転回転数（Ｎｒ）に所定係数を乗じた値を周期（ｔｐ）として定める。
【００３４】
軸回転パターンデータ１５３は、主軸１０の軸回転数すなわち供試ころ１４の目標回転数を定義する。例えば、試験開始からの経過時間や、主軸１０の回転回数に応じて目標回転数が定義されている。試験制御コンピュータ１００は、試験制御プログラム１５１を実行することにより、試験開始とともに、モータ４へ軸回転パターンデータ１５３で定義されたパターンに従った回転数で主軸１０、すなわち供試ころ１４を回転させるための回転制御信号（Ｐｍ）を出力することができる。
【００３５】
試験終了条件データ１５４は、試験を終了するための条件を定義する。例えば、ａ）試験開始からの経過時間、ｂ）主軸１０の回転回数、ｃ）トルクメータ６で計測されるトルク（Ｔｒｑ）の値、ｄ）トルク（Ｔｒｑ）から算出される供試ころ１４と供試保持器２６との摩擦係数、ｅ）トルクや摩擦係数の単位時間当たりの変化量、ｆ）熱電対３０で計測される供試保持器２６の温度（℃）や温度の変化量、などを条件に含めることができる。
本実施形態では、少なくとも、（１）トルク又は摩擦係数の値と、（２）供試保持器２６の温度（℃）又は温度の変化量とを、含むこととする。
【００３６】
図３は本実施形態のすべり摩擦評価試験装置２の機能構成例を示す機能ブロック図である。すべり摩擦評価試験装置２は、演算部１１０と、入出力信号制御部１２０と、供試ころ回転部１３１と、押圧部１３２と、荷重計測部１４１と、トルク計測部１４２と、温度計測部１４３と、記憶部１５０とを備える。
【００３７】
演算部１１０は、記憶部１５０に記憶されているプログラムを実行することにより、本試験装置を統合的に制御し試験を実行制御する。演算部１１０は、図１の試験制御コンピュータ１００、より具体的には搭載された制御基板やＣＰＵ等により実現される。そして、本実施形態では、演算部１１０は、供試ころ自転制御部１１１と、荷重制御部１１２と、計測データ記憶制御部１１３と、異常時制御部１１４と、計時部１１５とを含む。
【００３８】
供試ころ自転制御部１１１は、供試ころ１４の自転を制御する。具体的には、モータ４の駆動軸の回転すなわち供試ころ１４の自転回転が、軸回転パターンデータ１５３によって定義されるパターンを実現するための回転制御信号（Ｐｍ）を、入出力信号制御部１２０を介して供試ころ回転部１３１へ出力する。図１では、試験制御コンピュータ１００や駆動制御回路２１がこれに該当する。
【００３９】
入出力信号制御部１２０は、演算部１１０への信号入力および演算部１１０から外部への信号出力を管理制御する。例えば、信号の増幅、Ａ／Ｄ変換やＤ／Ａ変換などの信号変換、フィルタ処理などを実現する。その他、キャリブレーションやセンサ類の温度補償などの機能を適宜持たせることができる。本実施形態では、図１のＩ／Ｏコントローラ９０がこれに該当するが、センサ別に用意されるコントローラで構成されるとしても良い。
【００４０】
供試ころ回転部１３１は、供試ころ１４を自転回転させる。図１のモータ４がこれに該当する。
【００４１】
荷重制御部１１２は、供試ころ１４と供試保持器２６との接触荷重、換言すれば供試保持器２６の押し付け荷重を制御する。具体的には、供試ころ１４の自転回転数に相当する公転周期に基づいて、荷重パターンデータ１５２に従った周期的な試験荷重を実現するように、入出力信号制御部１２０を介して押圧部１３２へ荷重制御信号（Ｐａｃ）を出力する。荷重変化の周期（ｔｐ）は、計測される供試ころ１４の自転回転数に相当する公転周期に基づいて決定される。例えば、供試ころ１４の１回転の自転に係る時間を１周期（ｔｐ）に比例させる。
【００４２】
押圧部１３２は、供試保持器２６の所定の接触部を供試ころ１４の外周面に荷重可変にしゅう動接触させる。図１の荷重負荷装置２０がこれに該当する。
【００４３】
計測データ記憶制御部１１３は、各種計測データを時刻情報（例えばクロックカウンタ値）と対応付けて記憶部１５０へ計測データ１５５として蓄積的に記録する制御をする。本実施形態では、トルク計測部１４２で計測されたトルク（Ｔｒｑ）に基づいて、供試ころ１４と供試保持器２６との間で作用する摩擦係数値を算出し、計測データの一部に含める。
【００４４】
異常時制御部１１４は、試験終了条件データ１５４の定義に従って、トルク、摩擦係数、及び、供試保持器の温度並びに温度変化のうちの何れかが、試験を終了すべき所定の異常条件を満たしたことを検出する。そして、異常条件を満たした場合には所定の手順に従って試験を終了させる。本実施形態では、供試ころ回転部１３１による回転と押圧部１３２による試験荷重を抑制し、徐々に低下させて停止させる異常時制御をする。
【００４５】
計時部１１５は、試験の経過時間や、計測データの記録周期などの計時に係る処理を実行する。計時の方法はシステムクロックのクロックカウントを利用するなど公知技術により実現できる。
【００４６】
記憶部１５０は、プログラム及びデータを記憶する。図１の試験制御コンピュータ１００が搭載するＩＣメモリやハードディスク、磁気ディスクなどの記憶媒体１０２がこれに該当する。
【００４７】
次に、試験制御コンピュータ１００による処理の流れについて説明する。尚、試験に先立ち、供試ころ１４の外周面（転動面）に潤滑剤を塗布してもよい。
【００４８】
図４は、試験制御の処理の流れについて説明するためのフローチャートである。
試験制御コンピュータ１００は、熱電対３０による供試保持器２６の温度（℃）の計測を開始する（ステップＳ６）。
【００４９】
更に、ロードセル２２による荷重（Ｗ）の計測を開始し（ステップＳ１０）、供試ころ１４の自転回転数に相当する公転周期に基づいた周期で荷重パターンデータ１５２で定義された荷重のパターンを実現するように荷重制御信号（Ｐａｃ）の出力を開始し、荷重負荷装置２０の荷重制御を開始する（ステップＳ１２）
【００５０】
次いで、トルクメータ６によるトルク（Ｔｒｑ）の計測を開始し、計測されるトルク（Ｔｒｑ）に基づいて供試ころ１４と供試保持器２６との間の摩擦係数を算出する処理を開始する（ステップＳ１４）。尚、トルクから摩擦係数を算出する方法は、公知技術によるものとする。
【００５１】
次に、試験制御コンピュータ１００は、所定の計測開始操作の入力を検出すると、計測データ１５５の記録制御を開始する（ステップＳ２０）。
そして、計測を開始すると、軸回転パターン１５３で定義される回転数を実現するように、モータ４への回転制御信号（Ｐｍ）の出力を開始し、供試ころ１４の自転制御を開始する（ステップＳ２２）。
【００５２】
次に、試験終了条件を満たしているかを判定する（ステップＳ２４）。
例えば、図５は、モータ４の軸回転数すなわち供試ころ１４の自転回転数を段階的に上昇させるように制御した場合に、供試保持器２６に焼き付きが発生するまで試験した場合の計測データ１５５の例のグラフである。中段の「時間−温度のグラフ」および下段の「時間−トルク，摩擦係数」に示すように、焼き付きが発生すると、供試保持器２６の温度（℃）やトルク（Ｔｒｑ）が急激に上昇する。よって、このケースでは、温度やトルク、摩擦係数の時間当たりの変化量を適当に設定し試験終了条件データ１５４の要素に含めると好適である。勿論、試験終了条件は、これ以外にも試験の内容に応じて適宜設定することができる。
【００５３】
そして、試験終了条件を満たしたと判定されたならば（ステップＳ２４のＹＥＳ）、試験制御コンピュータ１００は、異常時制御（試験終了フェーズ制御）を行う（ステップＳ２６）。本実施形態では、温度の時間当たりの変化量及び／又はトルクの時間当たりの変化量が基準値を超過してから所定時間（図５；ｔ１〜ｔ２）経過の後、モータ４の回転及び荷重負荷装置２０による荷重を徐々に抑制・低下させてそれぞれ「０」にする（図５；ｔ３）。そして、異常時制御の後、計測データの記録を終了し（ステップＳ２８）、一連の処理を終了する。
【００５４】
以上、本実施形態によれば、実際に測定した実物の「ころ軸受」の「ころ」と「保持器」の相対運動を模擬して、供試ころ１４と供試保持器２６のすべり摩擦を評価するための装置を実現することができる。
【００５５】
尚、本発明を適用した実施形態はこれに限らず、適宜構成要素の追加・省略・変更を施すことができる。
【符号の説明】
【００５６】
２…摩擦評価試験装置
４…モータ
５…カップリング
６…トルクメータ
７…カップリング
８…軸受
１０…主軸
２０…荷重負荷装置
２１…駆動制御回路
２２…ロードセル
２４…ホルダ
２６…供試保持器
３０…熱電対
９０…Ｉ／Ｏコントローラ
１００…試験制御コンピュータ
１０２…記憶媒体
１１０…演算部
１１１…供試ころ自転制御部
１１２…荷重制御部
１１３…計測データ記憶制御部
１１４…異常時制御部
１１５…計時部
１２０…入出力信号制御部
１３１…供試ころ回転部
１３２…押圧部
１４１…荷重計測部
１４２…トルク計測部
１４３…温度計測部
１５０…記憶部
１５１…試験制御プログラム
１５２…荷重パターンデータ
１５３…軸回転パターンデータ
１５４…試験終了条件データ
１５５…計測データ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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