(57)【要約】【課題】異音や振動がなく、耐摩耗性に優れて安価に製造し得る転がり式のラックガイドによるラック軸支持装置及びこのようなラック軸支持装置を有するラックアンドピニオン式ステアリング装置を提供すること。【解決手段】回転する出力軸に形成されたピニオン軸と噛合うラック軸をラックガイドにより支持するラック軸支持装置において、前記ラックガイドを前記ラック軸を支持するローラーと、該ローラーの回転軸を両端で支持するローラーハウジングとにより構成し、前記ローラーの表面及び前記ローラーの回転軸の表面、及び前記ローラーハウジングの支持側内面の少なくともいずれか一箇所に表面硬化処理を施す。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する出力軸に形成されたピニオン軸と噛合うラック軸をラックガイドにより支持するラック軸支持装置において、前記ラックガイドを前記ラック軸を支持するローラーと、該ローラーの回転軸を両端で支持するローラーハウジングとにより構成し、前記ローラーの表面及び前記ローラーの回転軸の表面、及び前記ローラーハウジングの支持側内面の少なくともいずれか一箇所に表面硬化処理を施したことを特徴とするラック軸支持装置。
【請求項２】
前記表面硬化処理がセラミック系皮膜のコーティング処理であることを特徴とする請求項１に記載のラック軸支持装置。
【請求項３】
前記表面硬化処理または前記コーティング処理が前記ローラーと前記ラック軸との接触部にのみ、及び／または前記ローラーと前記ローラーハウジングとの接触部にのみ施されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のラック軸支持装置。
【請求項４】
前記ローラーと前記ローラーの回転軸とを別体とし、該ローラーと該ローラーの回転軸との接触部にのみ前記表面硬化処理または前記コーティング処理が施されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のラック軸支持装置。
【請求項５】
前記ローラーまたは前記ローラーの回転軸のスラスト面と前記ローラーハウジングの支持側内面のいずれか一方または両方に突起部が設けられ、該突起部のスラスト面に前記表面硬化処理が施されていることを特徴とする請求項１または請求項３に記載のラック軸支持装置。
【請求項６】
ステアリング軸の先端にラック軸と噛合するピニオン軸を形成し、該ピニオン軸の回転を前記ラック軸を介して横方向の動きに変換し操舵輪の向きを変えるラックアンドピニオン式ステアリング装置において、前記ラック軸を前記請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のラック軸支持装置により支持するようにしたことを特徴とするラックアンドピニオン式ステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラックアンドピニオン式ステアリング装置等に用いるラック軸支持装置に関し、更に詳細には、耐久性の向上を図った転がり式のラックガイドによるラック軸支持装置及びこのラック軸支持装置を有するラックアンドピニオン式ステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ラックアンドピニオン式ステアリング装置は、図９にその全体構成を概略的に示すように、上方端がステアリングホイール１０１に連結されたステアリング軸１０２の下方端にピニオン軸１０３を形成し、このピニオン軸１０３をラック軸１０４に噛合させてピニオン軸１０３の回転を横方向の動きに変換し、タイロッド１０５及びナックルアーム１０６を介して操舵輪１０７の向きを変えるものである。なお、点線円Ａで示すピニオン軸１０３と噛合するラック軸１０４の下側は後述するようなラック軸支持装置によって支持されている。
【０００３】
図７は、上記ラックアンドピニオン式ステアリング装置の一例であるピニオンアシストタイプ電動パワーステアリング装置の要部断面図である。すなわち、この電動パワーステアリング装置は、一端が図示しないステアリング軸に連結され、操舵により回転する出力軸１の他端に一体的に形成されたピニオン軸２をラック軸３に噛合させると共に、電動モータ４に結合された駆動軸５にウォームギヤ６を設け、このウォームギヤ６と噛合するウォームホイール７をピニオン軸２に接続し、電動モータ４のトルクをラック軸３に伝えることにより操舵アシストをするようになっている。なお、上流側、すなわちドライバー側にはトルクセンサ８が設けられており、入力軸９と出力軸１間のトルクに応じて生じたトーションバー１０の捩れ角を磁気的な変化として取り出し、この変化をコイルユニット１１で検出するようになっている。
【０００４】
ラック軸３はシリンダ部１２の内部に設けられたラック軸支持装置１３により支持されている。従来、このラック軸支持装置１３は、シリンダ部１２の開口部１４に被着されたキャップ１５により背面側を支持されて弾圧するばね１６によりラックガイド１７をラック軸３を介してピニオン軸２に押し付けるようにし、ラック軸３の一端側を摺動自在に支持するようにした滑り式のラックガイドが一般に用いられている。（例えば、特許文献１参照。）。なお、ラック軸３の他端側は図示しない軸受により支持され、また、ラック軸３の中間部には図示しないタイロッドが連結されている。
【０００５】
なお、このような滑り式のラックガイドは上述した電動パワーステアリング装置に限らず、油圧式のパワーステアリング装置等においても用いられている。（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
ところが、最近、電動パワーステアリングの利用に伴い、従来多用されていた滑り式のラックガイドによるラック軸支持装置に対し、例えば図８に断面図で示すような転がり式のラックガイドによるラック軸支持装置２０が増えてきている。
【０００７】
図示するように、この転がり式のラックガイドによるラック軸支持装置２０は、底板２１ａの両端側に側板２１ｂ，２１ｂが立設されて凹字状に形成されたローラーハウジング２１と、側板２１ｂ，２１ｂにより回転自在に軸支されたローラー軸２２を有し、前記ラック軸３の外周面と転がり接触が可能に鼓状に形成されたローラー２３とからなり、例えば前記シリンダ部１２内に装着され、ピニオン軸２の回転に伴い軸方向に往復するラック軸３をローラー２３が回転しながら支持するようになっている。なお、ローラーハウジング２１、ローラー軸２２、ローラー２３等の材料にはクロム鋼をはじめとする特殊鋼等が一般に用いられている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３０１６３１号公報（第３頁、図１、図２）
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−１６０６５１号公報（第３頁、第１図）
【００１０】
【非特許文献１】
精密工学会編「スーパーコーティング」硬質膜の機能と利用技術、大河出版、１９９２年９月２０日発行、第３８頁〜第５３頁、（とくに第４１頁  表３）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような転がり式のラックガイドによるラック軸支持装置２０においては、ローラー２３のラジアル面２３ｒとラック軸３の外周面とが転がり接触をし、同時に、ローラー２３のスラスト面２３ｔとローラーハウジング２１の側板内面２１ｂｓとが滑り接触をするため、異音や振動を発生し、また各接触面が摩耗するという問題がある。とくに、電動パワーステアリング化に伴いラックガイドにかかる荷重および衝撃荷重が増大するようになり、これによってラックガイド各部の接触面がさらに摩耗、過熱してローラー２３に不具合を生じることがあった。
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、従来のラック軸支持装置、すなわち転がり式ラックガイドによるラック軸支持装置が有する上述したような欠点を解消し、異音や振動がなく、耐摩耗性に優れて安価に製造し得る転がり式ラックガイドによるラック軸支持装置及びこのようなラック軸支持装置を有するラックアンドピニオン式ステアリング装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、回転する出力軸に形成されたピニオン軸と噛合うラック軸をラックガイドにより支持するラック軸支持装置において、前記ラックガイドを前記ラック軸を支持するローラーと、該ローラーの回転軸を両端で支持するローラーハウジングとにより構成し、前記ローラーの表面及び前記ローラーの回転軸の表面、及び前記ローラーハウジングの支持側内面の少なくともいずれか一箇所に表面硬化処理を施したラック軸支持装置によって達成される。
【００１３】
また、本発明の上記目的は、前記表面硬化処理がセラミック系皮膜のコーティング処理であるラック軸支持装置によって、より効果的に達成される。
【００１４】
また、本発明の上記目的は、前記表面硬化処理または前記コーティング処理が前記ローラーと前記ラック軸との接触部にのみ、及び／または前記ローラーと前記ローラーハウジングとの接触部にのみ施されているラック軸支持装置によって、より低コストで達成される。
【００１５】
また、本発明の上記目的は、前記ローラーと前記ローラーの回転軸とを別体とし、該ローラーと該ローラーの回転軸との接触部にのみ前記表面硬化処理または前記コーティング処理が施されているラック軸支持装置によって、より低コストで達成される。
【００１６】
また、本発明の上記目的は、前記ローラーまたは前記ローラーの回転軸のスラスト面と前記ローラーハウジングの支持側内面のいずれか一方または両方に突起部が設けられ、該突起部のスラスト面に前記表面硬化処理が施されている互いにスラスト接触する前記ローラーのスラスト面および前記ハウジングの支持側内面のいずれか一方に突起部が設けられ、該突起部のスラスト面に前記表面硬化処理が施されているラック軸支持装置によって、より低コストで、かつ効率的に達成される。
【００１７】
さらにまた、本発明の上記目的は、ステアリング軸の先端にラック軸と噛合するピニオン軸を形成し、該ピニオン軸の回転を前記ラック軸を介して横方向の動きに変換し操舵輪の向きを変えるラックアンドピニオン式ステアリング装置において、上述した各ラック軸支持装置のいずれかを用いて支持するようにしたラックアンドピニオン式ステアリング装置によって、有効に達成される。
【００１８】
このように、本発明は、（イ）接触面および摺動面の表面に硬化処理を施すこと（ロ）表面処理の対象面を限定すること、および（ハ）接触面積を小さくすることに課題を解決する手段を見出したものである。以下、本発明のこの内容を、本発明の実施の形態を示す添付図面に基づき詳述する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる転がり式のラックガイドによるラック軸支持装置２０Ａの断面図である。なお、図１以下に示す実施形態において、前述した従来のラック軸支持装置２０と同一の構成部品には同一の符号を付して説明する。
【００２０】
図示するように、本ラック軸支持装置２０Ａは、ローラー軸２２とローラー２３とが別体で構成され、ローラーハウジング２１の内面、すなわち側板内面２１ｂｓと、ローラー軸２２の全表面と、ローラー２３のラジアル面２３ｒ及びスラスト面２３ｔの各面に対し表面硬化処理が施され、表面にコーティング皮膜ｃｏが設けらたものである。
このコーティング皮膜ｃｏ材としては、例えば、ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＣ，ＣｒＮや多層コート皮膜ＴｉＣ／ＴｉＮ，ＴｉＣ／ＴｉＣＮ／ＡＩ２０３，ＴｉＣ／ＡＩ２０３／ＴｉＮ，ＴｉＣ／ＴｉＣＮ／ＴｉＣ／ＡＩ２０３等のセラミック系皮膜材が好ましく用いられ、またＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン薄膜材）等が用いられる。ここに、このようなセラミック系皮膜のコーティング処理による皮膜の形成方法には種々の方法が選択できるが、中でもＰＶＤ法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理蒸着法）が、具体的にはＰＶＤ―スパッタリングーマグネトロン法による、粒子エネルギーが０．２〜１０ｅＶ、動作ガス圧が０．０１〜１Ｐａで行なったものが推奨される。（例えば、非特許文献１参照。）。なお、耐摩耗性、耐熱性、耐摺動性、低摩耗係数等の向上を図る表面処理方法としては、上記のコーティングのほか、例えば窒化や浸硫窒化等の表面処理も有効であり、さらに浸炭処理も可能である。
【００２１】
このような表面硬化処理が施された各表面は、硬度が上がると共に耐摩耗性や摺動特性が向上し、これらの特性の向上により、過熱や焼付きが防止されてローラーハウジング２１、ローラー軸２２、ローラー２３間の接触時に発生する異音や振動が低減される。とくに、ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＣ／ＴｉＣＮ／ＡＩ２０３，ＴｉＣ／ＡＩ２０３／ＴｉＮ，ＴｉＣ／ＴｉＣＮ／ＴｉＣ／ＡＩ２０３等のコーティングやＤＬＣ、窒化処理は耐摩耗性の向上に、また、ＴｉＣＮ，ＣｒＮ等のコーティングや浸硫窒化処理は摺動特性の向上に結びつくことが明らかにされている。さらにまた、このようにラック軸支持装置２０Ａを構成する全部品の表面にコーティング処理を施すようにすると、コーティング処理箇所の選定作業が不要となる利点がある。
【００２２】
なお、本ラック軸支持装置２０Ａでは本装置を構成する全部品の表面にコーティング処理を施したが、これらのうちの何れか１部品、あるいは２つの部品の接触箇所にのみこのような処理を施すようにしても有効である。
【００２３】
図２は、本発明の第２の実施形態に係わる転がり式のラックガイドによるラック軸支持装置２０Ｂの断面図である。
【００２４】
図示するように、本ラック軸支持装置２０Ｂは、鼓状ローラー２３のラジアル面断面がゴシックアーチ形状となっており、上述したコーティング皮膜ｃｏをそのラジアル面２３ｒの一部、すなわちラック軸３の外周面と接触する面ないしこの近傍に設け、さらにローラー２３のスラスト面２３ｔに設けたものである。なお、コーティング皮膜ｃｏは必要に応じて設け、例えばラジアル面２３ｒの接触部だけに設けてもよい。また、スラスト面２３ｔについては、ローラー２３の接触部とローラーハウジング２１の側板内面２１ｂｓの両方に設けるようにしてもよい。この際、片側を前記耐摩耗性向上に結びつく表面硬化処理とし、もう一方側を前記摺動特性の向上に結びつく表面硬化処理としてもよい。
【００２５】
このように、表面硬化処理を施す面を限定することにより、各接触面における耐摩耗性や摺動特性が向上することに加え、表面処理に要する材料費を削減することができる。浸炭処理においては、硬化不要の部分に事前に銅メッキや防炭剤塗布を施して熱処理をすることにより得られる。
【００２６】
図３は、本発明の第３の実施形態に係わる転がり式のラックガイドによるラック軸支持装置２０Ｃの要部断面図である。
【００２７】
図示するように、本ラック軸支持装置２０Ｃは、ローラーハウジング２１の側板内面２１ｂｓとローラースラスト面２３ｔとの間に位置するローラー軸２２に突起部２２ｄを設け、この突起部２２ｄのスラスト面にのみ上述したコーティング皮膜ｃｏを設けたものである。
【００２８】
このように、表面硬化処理を施す面をさらに限定することにより、上記同様に各接触面における耐摩耗性や摺動特性が向上することに加え、表面処理に要する材料費をさらに削減することができる。
【００２９】
図４は、本発明の第４の実施形態に係わる転がり式のラックガイドによるラック軸支持装置２０Ｄの要部断面図である。前記ラック軸支持装置２０Ｃではローラー軸２２に突起部２２ｄを設けたが、本ラック軸支持装置２０Ｄはローラーハウジング２１の内面側、すなわち側板内面２１ｂｓ側のローラー軸２２の支持部に突起部２１ｂｄを設け、この突起部２１ｂｄのスラスト面、すなわちローラー軸２２の端面と接触する面にコーティング皮膜ｃｏを設けたものである。本ラック軸支持装置２０Ｄによっても、上述した第３の実施形態と同様な効果を奏する。
【００３０】
以上の実施形態に係わるラック軸支持装置２０Ａ〜２０Ｄは、いずれも、ローラー軸２２とローラー２３とが別体に作られ、ローラー軸２２に対しローラー２３が回転するように構成されたものであるが、両者、すなわちローラー軸２２とローラー２３を一体化した次のようなラック軸支持装置としてもよい。このように両者を一体化したラック軸支持装置によれば、部品点数や製造工程が削減されるので生産コストを低減することができ、また両者間における摩耗や発熱による焼付き等の接触問題がなくなる利点がある。なお、このようなラック軸支持装置では、ローラー軸２２とローラーハウジング２１の内面、すなわち側板内面２１ｂｓとの間のすべり摩擦が大きくなるので、前記表面処理はローラー軸２２の接触面と側板内面２１ｂｓの接触面のうち少なくともいずれか一方に施すことが望ましい。
【００３１】
図５（Ａ）は本発明の第５の実施形態に係わるラック軸支持装置２０Ｅの要部の断面図で、前記第３の実施形態と関連し、ローラー２３’とローラー軸２２’とを一体化し、突起部２２ｄのスラスト面にのみコーティング皮膜ｃｏを設けたものである。
【００３２】
また、図５（Ｂ）は本発明の第６の実施形態に係わるラック軸支持装置２０Ｆの要部の断面図で、前記第４の実施形態と関連し、突起部２１ｂｄのスラスト面、すなわちローラー軸２２’の端面と接触する面にコーティング皮膜ｃｏを設けたものである。
【００３３】
また、図５（Ｃ）は本発明の第７の実施形態に係わるラック軸支持装置２０Ｇの要部の断面図で、ローラー軸２２’がハウジング２１の側板内面２１ｂｓの端面と接触する面にのみコーティング皮膜ｃｏを設けたものである。とくにこのラック軸支持装置２０Ｇによれば、ローラー軸２２’に集中荷重やモーメント荷重がかかって摩耗が進行する場合等において有効かつ経済的である。
【００３４】
さらにまた、図５（Ｄ）は本発明の第８の実施形態に係わるラック軸支持装置２０Ｈのローラーハウジング２１の斜視図で、側板２１ｂに穿設されたローラー軸２２’（図示せず）の支持孔２１ｂｈから径方向に離れた任意の箇所に３箇所以上の突起部２１ｂｅを設け、この支持孔２１ｂｈの内面、すなわちラジアル接触面、及び突起部２１ｂｅの端面、すなわちスラスト接触面に夫々コーティング皮膜ｃｏを設けたものである。なお、突起部２１ｂｅの端面の角部には面取り（またはＲ付け）加工が施され、引っ掛かり防止が図られている。このようにラジアル接触面とスラスト接触面とが分けられた本ラック軸支持装置２０Ｈによれば、発熱箇所が分散されるので、過熱による部品の損傷を防止することができる。
【００３５】
図６は、本発明の第９の実施形態に係わるラック軸支持装置２０Ｉの要部の断面図である。すなわち、本ラック軸支持装置２０Ｉは、前記第５の実施形態に係わるラック軸支持装置２０Ｅのローラーハウジング２１を、底板２１０ａの両端側に側板２１０ｂ，２１０ｂが立設されて凹字状に形成されたハウジング２１０の内部下方に固設されたばね２１１により上下方向に摺動可能に支持するようにしたものである。本ラック軸支持装置２０Ｈによれば、とくに振動や衝撃荷重の減衰につながり有効である。
【００３６】
なお、以上の実施形態においてはローラーハウジングを底板及び側板を組み付けて構成したが、これを例えば成型等により一体的に形成することも可能である。このように一体的化することにより、製造コストを低減させることができる。
【００３７】
また、ローラーハウジングの側板内面とローラー軸端との支持構造は、必ずしも円形凹部に限定されるものではなく、例えば、ローラー軸端が装着可能な開口を上部に有する凹部とした支持構造を側板内面に設け、このスラスト面に表面硬化処理を施すようにしてもよい。
【００３８】
以上、本発明に係るラック軸支持装置について説明したが、このラック軸支持装置をラックアンドピニオン式ステアリング装置に用いると、当該装置の長寿命化を図ることができ、これにより信頼性を向上させることができる。なお、このステアリング装置はマニュアルステアリング、パワーステアリングのいずれでもよく、またパワーステアリングは電動、油圧のいずれであってもよい。さらにまた、電動パワーステアリングは、コラムアシストタイプ、ピニオンアシストタイプ、ラックアシストタイプのいずれであってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明は、ラック軸を支持するローラーと、該ローラーの回転軸を両端で支持するローラーハウジングとにより転がり式のラックガイドを構成すると共に、前記ローラーの表面及び前記ローラーの回転軸の表面、並びに前記ローラーハウジングの支持側内面の少なくともいずれか一箇所に表面硬化処理を施したラック軸支持装置であるので、耐摩耗性や摺動特性が向上し、以下のとおりの効果を奏する。
【００４０】
（イ）ラックガイドのローラー、ローラーハウジング、ローラー軸の摩耗が低減され、ローラーやローラー軸の過熱、焼付きが防止される。
【００４１】
（ロ）ローラー、ローラーハウジング、ローラー軸の各間の接触時に発生する異音が低減され、騒音防止が図れる。
【００４２】
（ハ）ラックガイドの耐久性が向上する。
【００４３】
（ニ）ローラーハウジングとラックガイドの接触、振動によって生じる各面の摩耗が抑えられる。
【００４４】
とくに、上述した表面硬化処理を特定の箇所に限定して施したラック軸支持装置によれば、接触面積の減少に伴いつぎのような効果を奏する。
【００４５】
（ホ）稼動時の接触面積が少なくなり、摩擦によるエネルギー損失の低減および過熱の防止が図れると共に、コーティング等の表面効果処理に要する費用が削減できる。
【００４６】
また、本発明に係わるラック軸支持装置は、上述したような種々の効果を有するので、このラック軸支持装置をラックアンドピニオン式ステアリング装置に適用すると有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わるラック軸支持装置の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係わるラック軸支持装置の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係わるラック軸支持装置の要部の断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係わるラック軸支持装置の要部の断面図である。
【図５】（Ａ）本発明の第５の実施形態に係わるラック軸支持装置の要部の断面図である。
（Ｂ）本発明の第６の実施形態に係わるラック軸支持装置の要部の断面図である。
（Ｃ）本発明の第７の実施形態に係わるラック軸支持装置の要部の断面図である。
（Ｄ）本発明の第８の実施形態に係わるラック軸支持装置の要部の断面図である。
【図６】本発明の第９の実施形態に係わるラック軸支持装置の要部の断面図である。
【図７】従来のラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置の要部断面図である。
【図８】従来のラック軸支持装置の断面図である。
【図９】従来のラックアンドピニオン式ステアリング装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１                      出力軸
２、１０３              ピニオン軸
３、１０４              ラック軸
４、Ｍ                  電動モータ
５                      駆動軸
６                      ウォームギャ
７                      ウォームホイール
８                      トルクセンサ
９                      入力軸
１０                    トーションバー
１１                    コイルユニット
１２                    シリンダ部
１３                    ラック軸支持装置
１４                    開口部
１５                    キャップ
１６                    ばね
１７                  ラックガイド
２０                （従来の）ラック軸支持装置
２０Ａ〜２０Ｉ      （本発明に係わる）ラック軸支持装置
２１                  ローラーハウジング
２１ａ                底板
２１ｂ                側板
２１ｂｄ            （側板の）突起部
２２                  ローラー軸
２２ｄ              （ローラー軸の）突起部
２３                  ローラー
２３ｒ              （ローラーの）ラジアル面
２３ｔ              （ローラーの）スラスト面
ｃｏ                  コーティング皮膜
【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】
2004322716.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004322716.tif 000009
【図８】
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【図９】
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