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Willkommen im MKL Workshop B14 Wiki

Am Karlsruher Institut für Technologie - KIT , findet jährlich ein 2 Semester umfassender Workshop für angehende Maschinenbauer und Maschinenbauerinnen statt. Veranstaltet wird dieser durch das IPEK , dem Institut für Produktentwicklung und beschäftigt sich dieses Jahr mit dem Konstruieren eines Renn-Rollers.

Ziel des Workshops ist der Erwerb von fächerübergreifenden Kompetenzen und die Anwendung der Theorie auf die Praxis, den angehenden Ingenieuren stehen viele Werkzeuge zur Verfügung, wie etwa CAD Software, Simulationstools, das klassische - wenn auch in die Jahre gekommende - Zeichenbrett und natürlich, wer hätte es anders erwartet, der messerscharfe Verstand, die grenzenlose Kreativität und ein wenig Schwachsinn der Studenten.

Euro Scooter Challenge

In Malaysia und Indien längst Volkssport und obwohl oft verhöhnt und von den großmotorigen Rennserien oft belächelt, findet auch die Renn-Roller-Serie Einzug in Europa und nicht zuletzt in der extra dafür gegründeten Euro Scooter Challenge. Es finden reguläre Rennen statt mit Siegerehrung und selbstverständlich auch der Vorstellung des Projektes mit allem was dazu gehört, wie der Instruktion vor dem Rennen, die technische Abnahme des Fahrzeug und natürlich dem Qualifying.

Der KIT-SchniPoSa14

Federgabel(3D)

Im Rahmen der Lehrveranstaltung Maschinenkonstruktionslehre III am KIT, wird ein Renn-Roller konstruiert, welcher Anforderugen, gestellt durch das IPEK , unterliegt und Lösungen entsprechend der Vorgaben realisiert werden müssen.

Im ersten Teil des Workshops wird der Vorbau konstruiert, die Konstruktion umfasst, dass aufstellen von Konzepten, welche ausgewertet und besprochen werden, des weiteren wird im Rahmen einer Projektsitzung festgelegt welches Konzept umgesetzt werden muss. Die Konzepte werden dann zu Papier in Form von technischen Handzeichnungen und Berechnungen zur Dimensionierung der Komponenten gebracht und mittels CAD Software werden dreidimensionale Modelle erzeugt.

Die Systemkomponenten in MKL III - der Vorderbau sind:

  • Drehzahl-/Geschwindigkeitsmesser - rein mechanische Funktionsweise
  • Teleskopgabel
  • Rahmen mit Interface - als Schweißkonstruktion aus Rohrverbund
  • Bremsanlage Vorderrad
  • Schnellverschluss für Vorderrad
  • Lagerung von :

1. Lenkopfllagerung

2. Lagerung der Vorderachse

  • Vorderachse

Die Systemkomponenten in MKL IV - das Heck sind:

  • Getriebe
  • Fahrwerk
  • Bremse
  • Antrieb

Drehzahl- / Geschwindigkeitsmesser - mechanisch

Anforderungen an den Drehzahlmesser

Damit der SchniPoSa14 auch sicher und kontrolliert gefahren werden kann ist es wichtig, dass der Fahrer zu jeder Zeit über Motordrehzahl und Geschwindigkeit bescheid weiß. Der Drehzahlmesser rückt in den Vordergrund, da mit der Drehzahl auch der Schaltvorgang optimiert werden kann, was den entscheidenden Unterschied zwischen Niederlage und Sieg. Er muss zuverlässig laufen und sollte störungsfrei laufen . Ebenfalls gefordert, durch die Euro-Scooter Challenge und didaktischen Gründen in der Workshop-Aufgabenstellung , muss der Drehzahlmesser analog, also rein mechanisch funktionieren. Es gab im wesentlichen 4 Konzepte für einen analog Tacho, wobei sich zwei durch ihre Funktionalität , Zuverlässigkeit und geringerem Konstruktionsaufwand heraus kristallisiert haben.

Die zwei gewählten Konzepte sind der Wirbelstromtacho und der Fliehkraft-Tacho.

Tacho

Tacho Kozepte für den KIT-SchniPoSa14

Wirbelstromtacho

Beim Wirbelstromtacho, einer der bekanntesten Vertreter der mechanischen Drehzahlmesser, werden die durch Rotation von Magneten verursachten Wirbelströme zu nutzen gemacht.

Eine flexible, biegsame Welle wird direkt von der Nockenwelle angetrieben. Am Ende der Welle befindet sich ein Dauermagnet der in einer Schale aus wahlweise Aluminium oder Kupfer, hauptsächlich einem Metall, dass magnetisch ist, rotiert. Diese Schale besteht in der Regel aus Aluminium und Kupfer, prinzipiell sind auch andere Metalle möglich, solange sie magnetisch sind. Durch die sich in der rotatorischen Bewegung entstehenden Wirbelströme am Magneten, wird die Alu-Schale ebenfalls zu einer Drehbewegung angeregt

Je schneller der Magnet dreht, desto größer ist der Verdrehwinkel der Schale zu ihrer Ausgangsposition, was optisch durch eine Scheibe und einem Zeiger sehr gut dargestellt werden kann. Der Zeiger wird auf der Schale befestigt und auf dieser befindet sich eine Kunststoffscheibe mit entsprechender Skalierung, welche nicht linear ist, sodass die aktuelle Drehzahl abgelesen werden kann. Vorteile des Wirbelstromtachometers sind :

  1. geringer Konstruktionsaufwand
  2. schlichtes System, somit wenig Wartungsaufwand und wenn Wartung notwendig, ist diese schnell von statten gelaufen
  3. unabhängig von äußerem Faktoren , nur von der Drehzahl
  4. geringe Abweichungen zwischen angezeigter Drehzahl und tatsächlicher(reeler) Drehzahl

Nachteile des Wirbelstromtachos:

  1. der verwendete Dauermagnet verliert mit der Zeit seine magnetische KRaft, was zur Folge hat, dass die Messergebnisse mit der Zeit ungenau werden
  2. die Messwerte unterscheiden sich im unteren Drehzahlbereich nur geringfügig
  3. eine Unterteilung ist schwierig, da das Meßewrgebnis unter anderem vom verwendetem Magneten, der Schale usw. abhängt

Fliehkraft-Tacho - verworfen

Ein sehr beliebtes Konzept bei Nutzfahrzeugen der 40-60er Jahre ,überwiegend in amerikanischen Modellen. Dieses Konzept beruht auf der Fliehkraft und unterscheidet sich nur geringfügig vom Wirbelstromtacho.

Die Drehzahl wird über ein Schneckengetriebe direkt vom Vorderrad abgenommen. Auch hier findet die flexible Welle ihren Einsatz, sie führt hoch in das Gehäuse des Drehzahlmessers, in welchem sie, durch Rotation, zwei Gewichte nach außen drückt. Dabei gilt natürlich, je schneller die Welle angetrieben wird, desto stärker werden die Fliehkräfte und somit wandern die Gewichte weiter nach außen. Die Gewichte sind einmal rotatorisch über Zugfedern verbunden, die dafür sorgen, dass die Gewichte wieder die Ursprungsposition einnehmen und natürlich bei niedrigerer Drehzahl wieder zurückgezogen werden. Durch die Verbindung von den Gewichten zum Tachonadelgelenk und einer Scheibe, mittels einem Seilzug, wird die Bewegung der Tachonadel realisiert .

Das Geschieht dadurch, dass durch die Größer werdenden Fliehkräfte der Abstand zwischen Punkt Oben ( Stange Tachogelenk) und Punkt Unten, kann durch simple Scheibe realisiert werden, immer kleiner wird und die Stange der Tachonadel nach unten gezogen wird und sich die Tachonadel um das Gelenk dreht. Eine Feder zwischen den beiden Punkten, verhindert zum einen, dass nicht durch Eigengewicht ein Tachoausschlag hervor gerufen wird und das bei niedriger werdenden Drehzahlen, die Tachonadel wieder zurückgeht.

Im Konzept der SchniPoSa 14 Ingenieure wurden anstatt zwei Gewichte eine "massive" schrägstehende Scheibe verwendet, die auf einer Drehfeder sitzt und sich durch höhere Drehzahlen in eine horizontale Lage drückt . Das Prinzip ist analog, jedoch kompakter, als das genannte Fliehkraft-Tachokonzept.

Vorteile Fliehkraft-Tacho:

  1. keine Verfälschung des Ergebnisses durch Umwelteinflüsse (Luftdruck, Temperatur, ...)
  2. Kein Magnet, der seine Kraft mit der Zeit verliert
  3. kompakt und gute technische Umsetzbarkeit
  4. linearer Verlauf der Drehzahl am Tacho

Nachteile Fliehkraft-Tacho

  1. Federn leiern mit der Zeit aus
  2. benötigt mehr Bauraum als der Wirbelstromtacho , vor allem die erste Ausführung
  3. Drehazhlen im unteren Bereich sehr ungenau
  4. Anfällig für Erschütterungen

Es werden noch kurz zwei weitere Konzepte vorgestellt, welche Aufgrund technischer Umsetzbarkeit, Konstruktionsaufwand, Schwierigkeit bei Wartung und Reparatur, Zuverlässigkeit , Messgenauigkeit und höherer Kosten bereits verworfen wurden.

Chronometrischer Tacho - verworfen

Der Chronometrische Tacho ist sehr beliebt bei englischen Oldtimern und basiert auf einem mechanischen Uhrwerk und arbeitet sehr präzise.Mit Sperrfedern wird die Tachonadel, über die rotierende Welle, auch hier wieder flexibel, aufgezogen - ähnlich wie bei alten Chronomaten, daher auch der Name. Ohne auf die genaue Funktionsweise einzugehen, werden hier nur Vor und Nachteile aufgelistet.

Vorteile:

  1. sehr präzise
  2. kompakte Bauweise
  3. unabhängig von äußeren Einflüssen

Nachteile:

  1. hohe Kosten, Herstellung und Instandhaltung
  2. Konstruktiver Aufwand und Instandhaltung sehr aufwendig
  3. Anfällig für Erschütterungen

Luftreibungsprinzip - verworfen

Die Flexible Welle treibt ein Windflügel an , welcher in Rotation versetzt wird, die Tachonadel ist direkt auf die Trommel montiert, in der sich der Windflügel dreht und auch diese wird wieder durch eine Feder in Position gebracht, mit größerer Drehzahl, erhöht sich die Reibung und die Trommel würde sich mitdrehen, jedoch zurückgehalten von der Drehfeder, kommt es zum Zeigerausschlag wie beim Wirbelstromtacho. Vor- und Nachteile sind :

Vorteile

  1. sehr kompakt
  2. unempfindlich gegenüber Stößen etc.
  3. günstig und geringer konstruktiver Aufwand

Nachteile

  1. abhängig vom Luftdruck ~ Messungenauigkeiten
  2. bei niedrigen Drehzahlen nicht sehr genau

Teleskopgabel

Anforderungen an die Teleskopgabel

Die Anforderungen an die Teleskopgabel sind, das Aufnehmen von Kräften und Dämpfen dieser. Des weiteren gab es technische Anforderungen die berücksichtigt werden mussten :

  1. Der Federweg muss nach Aufsitzen des Fahrers mindestens 50mm betragen
  2. Es sind Schraubenfedern im Inneren zu verwenden, welche eine lineare Kennung aufweisen
  3. Für Set-Up-Änderungen sollen die Schraubenfedern leicht auszutauschen sein

Eine Federgabel soll den Fahrcomfort und vor allem die Fahrsicherheit erhöhen, indem Unebenheiten auf der Strecke ausgeglichen werden. Des weiteren muss die Teleskopgabel so ausgelegt sein, um den Belastungen während eines Rennens standzuhalten, insbesondere den Spitzenbelastungen bei Beschleunigungs- und Bremsvorgängen. Deshalb wurde eine Doppelbrückengabel verwendet, welche eine hohe Steifigkeit und Belastbarkeit aufweist, sowie einfache Montierbarkeit von Bremse, Vorderrad und der Gabel an sich ermöglicht. Leider zugunsten des Gewichtes, da eine Doppelbrückengabel im Gegensatz zu einer einseitigen Dämpfungseinheit deutlich schwerer ist.

Screenshot (126)

Die Teleskopgabel weist folgende Komponenten auf:

  • Gabelbrücken und Gabelschaft
  • Tauchrohre
  • Standrohre
  • Dämpfungseinheit - offenes Ölbad
  • Schraubenfeder und Kolbenstange
  • Dichtung und Schmierung

Gabelbrücken und Gabelschaft

Die Doppelbrückengabel besteht aus zwei Brücken, welche Guss- oder Frästeile sind, die an zwei Stellen mit Schlitzen und jeweils zwei Bohrungen, mit Gewinden, versehen sind. Durch jeweils zwei Schrauben, werden die Standrohre geklemmt. In die untere Gabelbrücke,auch Gabelkrone genannt, wird der Gabelschaft eingepresst. Die Gabelbrücken dienen zur Führung und verbessern die Steifigkeit im oberen Teil der Federgabel.

Der Gabelschaft ist ein einfaches Stahlrohr welches keine besondere Oberflächenbehanlung benötigt, damit ein gewisses Maß an Reibung zwischen den Innenringen der Lenkkopflager und der Schaft autritt, da sich sonst der Schaft in den Innenringen drehen würde, was nicht erwünscht ist.

Standrohre

Im Gegensatz zu den Tauchrohren ist bei den Standrohren eine extrem hohe Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen um die unerwünschte Reibung , zwischen Dichtung, Gleitbuchsen und Standrohren, zu verringern. Mit steigenden Reibwerten zwischen diesen Wirkflächenpaaren nimmt die Performance der Federgabel ab, des weiteren muss die Oberflächenbehandlung sehr fein sein, damit beim ein- und ausfedern die Dichtungen nicht beschädigt werden , was zur Folge hat, dass Öl austritt und somit das System ausfällt.

Gabel(voll)

In die Standrohre wird ein Gewinde geschnitten um die Innenleben in der Gabel zu fixieren.

Dämpfungseinheit -Offenes Ölbad

Damit der SchniPoSa eine möglichst ruhige Straßenlage hat, müssen auftretende Straßenfhg

Das SPS Twin Shock System

Der KIT-SchniPoSa14 verfügt über das SPS Twin Shock System , bei dem es sich um eine Doppel-Brücken-Teleskopgabel handelt, ein Doppelbrückenkonzept sorgt für mehr Verwindungsteifigkeit und ermöglicht stets eine optimale Führung des Laufrades. Durch die verschlossene , mit Gas gefüllte , Kartusche wird in jeder Situation stets optimale Performance gewährleistet und sorgt für ein schnelles Ansprechverhalten.

SPS Twin-Shock

SPS Twin-Shock Federgabel des SchniPoSa 14 (Technische Zeichnung)

Die beschichteten Standrohre sorgen für minimale Reibwerte und folge dem flüssiges ein- und ausfedern, abgedichtet wird das ganze

System durch einen Radialwellendichtring mit integrierter Staubkappe die durch eine Schlauchfeder an das Standrohr gepresst wird.

Dies hat im wesentlichen zwei Vorteile:

  1. Kein Eindringen von Dreck - Schmutzpartikel können fatale Auswirkungen auf die Gabel haben und im schlimmsten Falle zu einem Totalausfall des Systems führen. Die kleinen Schmutzpartikel können durch wiederholtes ein- und ausfedern die Dichtung beschädigen, was zur Folge hat, dass Öl aus der Gabel austritt und noch größerer Dreck ins System gelangt .
Gabel(geschnitten)
  1. Abdichten der Gabel nach außen - so gelangt kein Öl in die Umwelt und auf die Fahrbahn, letzteres kann, besonders auf der Rennstrecke, zu schweren Unfällen führen. Des weiteren braucht das Federelement das Öl zur Schmierung, da es sonst keine optimalen Leistungen abrufen kann.

Die Befestigung der Gabelbrücken erfolgt über eine Klemmung mit zwei Schrauben je Klemme, diese werden mit etwa 5-6Nm (Newtonmeter Drehmoment) verschraubt und bei Bedarf ggf. mit Gewindesicherung fixiert. Dies ermöglicht eine einfache , komfortable und schnelle Montierbarkeit . Das Verwenden von zwei Gabelbrücken, ist wieder zurückzuführen auf die überlegenere Steifigkeit der Teleskopgabel, gegenüber einem einbeinigem Federelement.

Bremsanlage

Anforderungen an das Bremssystem

Neben der Beschleunigung ist das Verzögern eines der elementaren Bestandteile im Rennsport. Deswegen sind die Anforderungen sehr hoch an diese Systemkomponente. Die Bremsanlage soll sich sehr gut dosieren lassen, um optimale Kontrolle über die Geschwindigkeit zu gewinnen, jedoch muss sie auch in entsprechenden Situationen voll zugreifen. Des weiteren muss das System möglichst gut von äußeren Einflüssen und betrieblichen Einflüssen geschützt werden. Das können zum Beispiel Betriebsfähigkeit bei hohen Temperaturen oder Probleme in der Funktionsfähigkeit , verursacht durch Erosion . Des weiteren sollte die Bremse möglichst leicht zu betätigen sein und nur mit minimaler Verzögerung.

Folgende Bauformen und Funktionsprinzipien für ein Bremssystem sind möglich:

  • Hydraulische Bremse
  • Mechanische Bremse
  • Schwimmsattel
  • Festsattel

Anhand dieser Punkte wurde konstruktiv ermittelt, welche Prinzipien umgesetzt wurden

Hydraulisches System

Bei einem hydraulischen System liegt ein komplett geschlossenes und dichtes System vor welches mit einer speziellen Bremsflüssigkeit, zum Beispiel DOT, gefüllt ist. Die Kraftübertragung erfolgt direkt und ohne Verzögerung, welches dem mechanischen System gegenüber ein klarer Vorteil ist, da dort durch den Seilzug Reibung und somit Verzögerung im Bremsvorgang, entsteht. Die Reibung im Seilzug erhöht auch die benötigte Kraft, um die Bremse voll zu betätigen. Mit der schnelleren Kraftübertragung, der hydraulischen Bremse, folgt auch eine bessere Dosierbarkeit. Grundprinzip der hydraulischen Bremse ist das Übertragen von Druckkräften.

Das Bremssystem besteht im wesentlichen aus 3 Komponenten. Zum einen der Bremssattel, der Handhebel und der Hydraulik.

Bremssattel

Der Bremssattel lässt sich noch in seine einzelnen Komponenten unterteilen:

  • Bremssattel Innenseite
  • Bremssattel Außenseite
  • Bremsbelag inkl. Sicherungssplint
  • Bremskolben inkl Bremskolbendichring
  • Anschlußschrauben für Hydraulik - Entlüftungsschraube
  • Befestigungsschrauben und Gehäuseschrauben

Handbremse

Die Handbremse ist ein Sammelbegriff für folgende Komponenten:

  • Hauptzylindergehäuse inkl. Lenkerklemmung
  • Ausgleichsbehälter
  • Handhebel
  • Innenkolben , aus mehreren Teilen bestehend.
  • Anschlußschrauben Hydraulik
  • Befestigungsschrauben

Vor- und Nachteile der hydraulischen Bremsanlage

Die Vorteile der Bremsanlage sind:

  • Sehr gute Dosierbarkeit
  • schnelles Ansprechverhalten
  • geringerer Wartungsaufwand
  • auch unter extremen Belastungen sehr ausfallsicher
  • gut geschützt gegen äußere Einflüsse , Umwelt , Temperatur im Betrieb etc.

Die Nachteile dieser Umsetzung sind:

  • höheres Gewicht gegenüber der mechanischen Bremse
  • deutlich teuerer
  • höherer Konstruktions- und Fertigungsaufwand
  • bei sehr hohren Temparaturen besteht die Gefahr des " zu machen" --> Bremse blockiert

Mechanisches System - verworfen

Der Grundlegende Aufbau einer mechanischen Bremse ähnelt stark dem der hydraulischen Bremse, jedoch mit dem Unterschied, dass hier die Kraftübertragung mittels Zug erfolgt. Diese Variante besticht durch das gute Gewicht und schnelle bzw. einfache Reparaturmöglichkeiten.

Das mechanische Bremssystem besteht ebenfalls aus dem Bremssattel und der Handbremse, verbunden werden beide über den Seilzug inkl. Hülle.

Bremssattel

die Komponenten entscheiden sich nur geringfügig, jedoch ist die Funktionsweise entscheidend.

  • Bremssattel links
  • Bremssattel rechts
  • Kolben
  • Befestigung und Aufnahme Seilzug
  • Gehäuseschrauben

Handbremse

Der Aufbau ist gleich, jedoch wird auf alle Komponenten

Lagerkonzepte

Die Lagerung ist ebenfalls ein wichtiger Baustein für den KiT SchniPoSa14, denn nur dank ihr ist ein möglichst reibungsarmer und folglich auch verschleißarmer Betrieb des Rollers möglich. Für diesen Zweck haben wir je 2 Lagerkonzepte für Radlagerung und Lenkkopflagerung ausgearbeitet.

Radlagerung

Aufgrund der leichteren Montierbarkeit und des geringeren Konstruktionsaufwandes haben wir uns zu Gunsten einer Fest-Los-Lagerung an Stelle einer angestellten O-Lagerung entschieden. Diese lässt eine günstigere Gestaltung der Achswelle zu. Ausßerdem ist die FLL sehr gut mit dem Konzept des Schnellverschlusses kombinierbar.

Letzte Aktivitäten

Schnellverschluss

Klappkonzept: (verworfen)

Die Achse wird durch zwei nach unten Abklappbare Scharniere in die Gabelfaust geklemmt. Dieses Konzept wurde zu Gunsten einer leichteren Kombinierbarkeit mit unserem Lagerungskonzept verworfen. Beim Wechselvorgang müssen auf beiden Seiten der Gabel jeweils nur eine Schraube aufgedreht werden und schon kann die Aufnahme nach unten aufgeklappt werden und das Rad mitsamt der Achse entnommen werden. Das neue Rad wird dann mit schon vormontierter Achse wieder eingesetzt und durch die Scharniere wieder fest geklemmt. Ein Vorteil wäre der deutlich schnellere Radwechselvorgang gewesen.

Exzenterkonzept: (verwendet)

Die Achse wird durch einen Exzenter auf der einen Seite vor dem Durchrutschen und einer Rotation gehindert. Auf der Gegenseite wird sie durch eine in die Achse eingeschraubte Schraube gesichert. Beim Wechseln der Radachse muss nur die Schraube abgeschraubt werden und die Achse in Richtung des Exzenters abgezogen werden. Das Rad kann dann mitsamt Zahnrad für die Abnahme der Raddrehzahl nach unten abgezogen werden. Die Schnellverschlüsse werden auf beiden Seiten jeweils durch zwei Klemmschrauben an den Tauchrohren der Gabel befestigt.

Getriebe

Ziehkeilgetriebe:

Bei diesem Konzept für ein Vier-Gang Schaltgetriebe handelt es sich um ein Ziehkeilgetriebe mit Leerlauffunktion. Die Getriebeeingangswelle ist eine Vollwelle auf der Vier Zahnräder sitzen die fest durch eine Wellen-Nabenverbindung gekoppelt sind. Bei der Ausgangswelle handelt es sich um eine Hohlwelle auf der sich Vier freilaufende Zahnräder befinden. Die Koppelung der freilaufenden Zahnräder erfolgt durch das herausdrücken von Ziehkeile aus dem innern der Welle, wodurch eine Wellen-Nabenverbindung hergestellt wird. Die Ziehkeile werden durch eine axial verschiebbare Welle die durch die Hohlwelle läuft aus- oder eingefahren. Die axiale Verschiebung der inneren Welle, erfolgt durch betätigen des Schalthebels. Durch Rastkeile die durch Federn in dafür vorgesehene Nuten in der Hohlwelle Gedrückt werden, sind die einzelnen Gänge arretiert. Der Leerlauf befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Gang. Im beigefügter Abbildung befindet sich das Getriebe gerade im Leerlauf. Die Durchmesser der Zahnräder betragen:

Im 1. Gang: 30 mm (Eingang) & 90 mm (Ausgang) i=3

Im 2. Gang: 40 mm (Eingang) & 80 mm (Ausgang) i=2

Im 3. Gang: 48 mm (Eingang) & 72 mm (Ausgang) i=1,5

Im 4. Gang: 60 mm (Eingang) & 60 mm (Ausgang) i=1

Vorteile:

Gewichtung:

Nachteile :

Gewichtung:

geringer Bauraum

2

Kosten (Rennsport)

1

Gewichtsersparnis

3

konstruktiver Aufwand

0

Montageaufwand

1

geringe Robustheit

2

Gesamt:

5

Gesamt:

4

Vorgestellt

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