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文檔簡介

蘭州工業(yè)學院教案

開課單位:機電工程學院授課時間:2013-2014第一學期

課程名稱機械力學及機械設計n課程編號

專業(yè)機電一體化、數(shù)控技術班級機電、數(shù)控12級

必修課公共基礎課口專業(yè)基礎課專業(yè)課口

課程類別

選修課限選課□;任選課口公選課口

總學時數(shù)74學分數(shù)考核方式考試

學時分配課堂講授58學時;實驗6+(4)學時

出版社及出版機械工業(yè)出

教材名稱機械設計基礎作者

柴鵬飛時間版社,2011

鄭增銘、

蘭州大學出

1.《機械力學與郭攀成

版社,2002;

機械設計》主編;

指定出版社及出版

作者?

參考書時間

2.《機械設計基李威穆

機械工業(yè)出

礎》璽清主

版社,2010

授課教師唐林虎職稱副教授單位機械工程系

教研室主任簽字:

教研室

年月日

意見

第L次課授課學時,教案完成時間:20137

第四章凸輪機構

章、節(jié)§^-1凸輪機構的類型和應用

§擊-2從動件的運動規(guī)律

主凸輪機構的應用及分類方法;從動件常用的運動規(guī)律及其選擇原則;

的(1)了解凸輪機構的應用及分類方法;

與(2)對從動件常用的運動規(guī)律及其選擇原則概念;

重點:從動件的常用運動規(guī)律。

重難點:從動件的常用運動規(guī)律。

八點、、

教學方法:從工程實例入手介紹凸輪機構的應用場合、工作原理,然后講

學解從動件的運動規(guī)律等內容。

方教學手段:課堂講授、提問;多媒體

第4章凸輪機構

4.1凸輪機構的應用和分類

4.1.1應用舉例

凸輪機構是機械中?種常用的高副機構,在自動機床、輕工機械、紡織機械、印刷機械、

食品機械、包裝機械和機電一體化產(chǎn)品中都得到了廣泛應用。

凸輪機構有如下基本特性:當凸輪轉動時,借助于本身的曲線輪廓或凹槽迫使從動桿作

一定規(guī)律的運動,即從動桿的運動規(guī)律取決于凸輪輪廓曲線或凹槽曲線的形狀。

凸輪機構的最大優(yōu)點:只需設計出適當?shù)耐馆嗇喞?便可使從動件得到任意的預期運動,

且結構簡單、緊湊、設計方便。

凸輪機構的主要缺點:凸輪與從動件間為點或線接觸,易磨損,只可用于傳力不大的場

合;凸輪輪廓精度要求較高,需用數(shù)控機床進行加工;從動件的行程不能過大,否則會使凸

輪變得笨重。

4.1.2凸輪機構的分類

凸輪機構的結構類型很多,通常按以下方法進行分類:

1.按凸輪形狀

(1)盤形凸輪這種凸輪是?個繞固定軸線轉動并具有變化半徑的盤形構件,這是凸輪

的最基本形式。

(2)移動凸輪當盤形凸輪的回轉中心趨于無窮遠時,則凸輪相對機架作直線移動,這

種凸輪稱為移動凸輪。當移動凸輪作往復直線運動時,可推動從動件在同一平面內作上下的

往復運動。有時,也可將凸輪固定,而使從動件相對于凸輪移動(如仿形車削)。

(3)圓柱凸輪將移動凸輪卷成圓柱體即為圓柱凸輪。該凸輪為一具有凹槽或曲形端面

的圓柱體。當其轉動時,可使從動件在與圓柱凸輪軸線平行的平面內運動。

盤形凸輪和移動凸輪與從動件之間的相對運動為平面運動,而圓柱凸輪與從動件之間的

相對運動為空間運動,所以前兩者屬于平面凸輪機構,后者屬于空間凸輪機構。

2.按從動件端部形狀

(1)尖頂從動件尖頂能與任意復雜的凸輪輪廓保持接觸,從而使從動件實現(xiàn)任意運動。

但因尖頂易于磨損,故只宜用于傳力不大的低速凸輪機構。

(2)滾子從動件這種從動件耐磨損,可承受較大的載荷,故應用最普遍。

(3)平底從動件該從動件的底面與凸輪之間易于形成楔形油膜,故常用于高速凸輪機

構中,但與之相配合的凸輪輪廓須全部外凸。

3.按從動件運動方式

(1)直動從動件即作往復直線運動的從動件。

(2)擺動從動件即作往復擺動的從動件。

4.按對心方式

根據(jù)從動件的中心軸線是否通過凸輪的回轉中心,凸輪機構可分為兩類:

(1)對心凸輪機構從動件中心軸線通過凸輪的回轉中心的凸輪機構。

(2)偏置凸輪機構從動件的中心軸線不通過凸輪的回轉中心的凸輪機構。從動件導路

中心和凸輪回轉中心之間偏置的距離e稱為偏距。

5.按凸輪與從動件保持高副接觸的方法

(1)力鎖合利用從動件的重力、彈簧力或其它外力使從動件與凸輪保持接觸。(2)形

鎖合依靠凸輪和從動件的特殊幾何形狀,始終維持接觸。

4.2從動件的常用運動規(guī)律

4.2.1凸輪機構的工作過程

下面以尖頂直動從動件盤形凸輪機構(圖4-11(a))為例,分析凸輪機構的工作過程。

如圖4-11(a)所示,在凸輪上,以凸輪的最小向徑%為半徑所繪制的圓稱為凸輪的基

圓。從動件尖頂與凸輪輪廓上的A點相接觸,該點為從動件上升的起始位置。凸輪以等角

速度0順時針方向轉動。當轉過角度戈時,從動件尖頂被凸輪輪廓推動,隨凸輪段廓線

上各點向徑逐漸增大,從動件從起始位置4點以一定的規(guī)律上升,達到最遠位置力。從動

件的這一運動過程稱為推程,與推程對應的凸輪轉角&稱為推程角,從動件上升的距離h

稱為從動件的行程。

當凸輪繼續(xù)轉過角度及時,從動件尖頂與8c段廓線相接觸。BC段廓線是以最大向徑

為半徑的圓弧,向徑大小不變,故在此過程中,從動件在最遠位置停留不動,這一運動行程

稱為遠停程,義稱為遠停程角。

當凸輪接著轉過角度汨時,從動件尖頂在外力作用下沿CD段廓線的各點依次接觸,

由于8段廓線上各點的向徑是逐漸減小的,因此從動件開始下降,以一定的運動規(guī)律從最

遠位置"逐漸返回到最低位置/點,從動件的這一運動過程稱為回程,與回程相對應的凸

輪轉角衣稱為回程角。

(a)尖頂直動從動件盤形H輪機構(b)位移線圖

圖4-11凸輪機構的工作過程

當凸輪再轉過角度£時,從動件尖頂與凸輪DA段廓線相接觸,山于D4段廓線上各點

的向徑大小不變,所以從動件在起始位置A處停留不動,從動件的這一運動過程稱為近停

程,與近停程相對應的凸輪轉角&稱為近停程角。

4.2.2從動件的常用運動規(guī)律

i.等速運動規(guī)律(直線運動規(guī)律)

當凸輪以等角速度3轉動時,從動件上升或下降過程

中速度保持不變,這種運動規(guī)律稱為等速運動規(guī)律。其推

程運動方程為

hI(4-1)

a=0"

由此可看出從動件的運動特性:等速運動規(guī)律中從動

件位移線圖為一條過原點的斜直線;速度線圖為一水平直

線;加速度為零,但在從動件推程開始位置力和終止位置

8'處,速度發(fā)生突變,瞬時加速度在理論上趨于無窮大,,+8

因而會產(chǎn)生極大的慣性力,其慣性力將引起剛性沖擊。因oU______________________________

此,等速運動規(guī)律一般只用于低速和從動件質量較小的凸

輪機構中。

-OO

2.等加速等減速運動規(guī)律(拋物線運動規(guī)律)

圖4-12等速運動規(guī)律

當凸輪以等角速度3轉動時,從動件在推程或回

程的前半行程作等加速,后半行程作等減速的運動規(guī)

律,稱為等加速等減速運動規(guī)律。在通常情況下,兩

部分加速度的絕對值相等。在這種運動規(guī)律中等加速

段的運動方程為

(4-2)

根據(jù)運動線圖的對稱性,可得等減速段的運動方

程為

4ha)只片

V=

(4-3)圖4-13等加速等減速運動規(guī)律

4ha)2

山此可看出在該運動規(guī)律中從動件的運動特性:位移線圖山彎曲方向相反的兩段拋物線

組成,故該運動規(guī)律又稱為拋物線運動規(guī)律;速度線圖由兩條斜直線組成;加速度線圖為平

行于橫坐標軸的兩段直線,其絕對值都等于火。在運動規(guī)律的起始點0點、等加速等減速

的轉折點m點和運動規(guī)律的終止點e點,從動件的加速度有限值的突然變化,從而產(chǎn)生有

限的慣性力。機構由此產(chǎn)生的沖擊,稱為柔性沖擊。因此,等加速等減速運動規(guī)律適用于中

速、輕載的場合。

圖4-13所示的位移線圖為簡易畫法:根據(jù)所選的比例尺,在s-d坐標系中的橫坐標軸和

縱坐標軸上,將R2和。/2對應分成相同的四等分(也可分為更多等分),得分點1、2、3、

4和1\2\3\41連接0-02\03,和0染。過點1、2、3、4作縱坐標的平行線,使與01,、

02\03,和0染分別交于1"、2"、3"、4";再將點1"、2"、3"、4"連成光滑曲線,即得等加速

段的位移曲線。等減速段的拋物線可以用同樣的方法依相反的次序繪出。

3.簡諧運動規(guī)律(余弦加速度運動規(guī)律)

質點在圓周上作等速運動忖,它在該圓直徑上的投影所構成的運動稱為簡諧運動。按簡

諧運動規(guī)律可作出其位移線圖,如圖4-14所示。

作法如下:以從動件的行程〃為直徑,原點為起始點,作出半圓,并將此半圓分成若干

等分(圖中為六等分),得點1"、2"、3"、4"、5"、6",然后把凸輪的推程角人也分成相應

等分1、2、3、4、5、6,過各等分點作鉛垂線,然后將圓周等分點投影到相應的垂線上得

2\3M…點,最后用光滑曲線連接這些點,即得到從動件的位移線圖,其方程式為:

s=-cose)(4-4)

由圖可知,當外/時,44,即6=(力(5。3,

即可導出從動件推程作簡諧運動的運動方程:

S=cos(?b)](4-5)

24

Tdico./萬

V=—r-sin(—J)(4-6)

2a3、

(4-7)

由上式可作出速度和加速度線圖。由于加速度

曲線為余弦曲線,所以也可將此運動規(guī)律稱為余弦

加速度運動規(guī)律。一般情況下,從動件作簡諧運動

時,在行程的始點和終點也產(chǎn)生有限值的變化,故

有柔性沖擊,但減少了沖擊次數(shù)。因此,簡諧運動

規(guī)律適用于中速、中載場合?只有當從動件作無停

留區(qū)間的升-降-升連續(xù)往復運動時,才能避免沖

擊,從而可用于高速運動。

圖4-14簡諧運動規(guī)律

除了上述幾種常用的從動件運動規(guī)律外,有時

還要求從動件實現(xiàn)特定的運動規(guī)律,其動力性能的好壞及適用場合。

4.2.3從動件運動規(guī)律的選擇

在選擇或設計從動件運動規(guī)律時,應從機器的工作要求、凸輪機構的運動性能、凸輪輪

廓加工工藝性等方面進行考慮,具體應注意以下問題:

(1)當機器的工作過程對從動件的運動規(guī)律有特殊要求,而凸輪的轉速不太高時,應

首先從滿足工作需要出發(fā)來選擇或設計從動件的運動規(guī)律。

(2)當機器的工作過程只需要從動件有一定位移,而對其無一定運動要求時,如夾緊、

送料等凸輪機構,可只考慮加工方便,一般采用圓弧、直線等組成的凸輪輪廓。

(3)當機器對從動件運動性能有特殊要求,而凸輪的轉速又較高,并且只用種基本

運動規(guī)律又難于滿足這些要求時,可考慮采用滿足要求的組合運動規(guī)律。

(4)在設計從動件運動規(guī)律時,除了要考慮其沖擊特性之外,還要考慮從動件的最大

速度Vmax和最大加速度Omax。

蘭州工業(yè)學院教案

本本單元主要講授凸輪機構的應用及分類方法;從動件常用的運動規(guī)

單律及其選擇原則;

考習題

題一、二相關習題;

業(yè)

第L次課授課學時,教案完成時間:20137

章、節(jié)§4-3圖解法設計凸輪機構

主圖解法設計盤形凸輪輪廓的方法

的掌握用圖解法設計盤形凸輪輪廓的方法。

重點:盤形凸輪輪廓曲線的設計。

重難點:盤形凸輪輪廓曲線的設計。

教學手段:課堂講授、提問;多媒體

§4-3圖解法設計凸輪機構

一、反轉法原理

反轉原理:

給整個凸輪機構施以時,不影響各構件

之間的相對運動,此時,凸輪將靜止,而從動

件尖頂復合運動的軌跡即凸輪的輪廓曲線。

依據(jù)此原理可以用幾何作圖的方法設計凸

輪的輪廓曲線。

二、直動從動件盤形凸輪廓線設計

1、對心直動尖頂推桿盤形凸輪

對心直動尖頂推桿凸輪機構中,己知凸輪的基圓半徑rO,角速度。和推桿的運動規(guī)律,

設計該凸輪輪廓曲線。

設計步驟小結

①選比例尺M1作基圓rOo

②反向等分各運動角。原則是:陡密緩疏。

③確定反轉后,從動件尖頂在各等份點的位置。

④將各尖頂點連接成一條光滑曲線。

2、對心直動滾子推桿盤形凸輪

對心直動滾子推桿凸輪機構中,已知凸輪的基圓半徑rO,角速度。和推桿的運動規(guī)律,

設計該凸輪輪廓曲線。

設計步驟:

①選比例尺U/作基圓rO。

②反向等分各運動角。原則是:陡密緩疏。

③確定反轉后,從動件滾子中心在各等份點的位置。

④將各中心點連接成一條光滑曲線。

⑤作各位置滾子圓的內(外)包絡線(中心軌跡的等距曲線)。

3、對心直動平底推桿盤形凸輪

對心直動平底推桿凸輪機構中,已知凸輪的基圓半徑rO,角速度。和推桿的運動規(guī)律,

設計該凸輪輪廓曲線。

d

設計步驟:

①選比例尺口/作基圓rO。

②反向等分各運動角。原則是:陡密緩疏。

③確定反轉后,從動件平底直線在各等份點的位置。

④作平底直線族的內包絡線。

4、偏置直動尖頂推桿盤形凸輪

偏置直動尖頂推桿凸輪機構中,已知凸輪的基圓半徑rO,角速度。和推桿的運動

規(guī)律和偏心距e,設計該凸輪輪廓曲線。

三、擺動尖頂推桿盤形凸輪機構

擺動尖頂推桿凸輪機構中,已知凸輪的基圓半徑rO,角速度。,擺動推桿長度,以及

擺桿回轉中心與凸輪回轉中心的距離d,擺桿角位移方程,設計該凸輪輪廓曲線。

蘭州工業(yè)學院教案

本本單元主要講授圖解法設計盤形凸輪輪廓的方法

考習題

題一、二相關習題;

業(yè)

第紅次課授課學時,教案完成時間:20137

』什§4T凸輪機構設計中的幾個問題

早、刀§4T凸輪的結構與材料

主(1)滾子半徑的選擇、壓力角、基圓半徑的確定;

要(2)凸輪的結構、材料。

的掌握滾子半徑的選擇、壓力角、基圓半徑的確定。

重點:滾子半徑的選擇、壓力角、基圓半徑的確定。

重難點:無

教學手段:課堂講授、提問;多媒體

§4-4凸輪機構設計中的幾個問題

一、滾子半徑的確定

下面對滾子半徑大小與實際廓線曲率間的關系進行分析。如圖4-20所示,設凸輪理論

輪廓外凸部分或內凹部分的曲率半徑用Po表示,滾子半徑用行表示,相應位置的實際輪廓

的曲率半徑用"表示。

二、凸輪機構傳力性能的校核

1、壓力角與傳力性能的關系

從動件的受力方向F與從動件運動方向之間所夾的銳角,稱為凸輪機構的壓力角。

研究凸輪機構的壓力角有二個意義:

①壓力角的大小表示了機構傳力的難易程度;

②壓力角的大小是機構產(chǎn)生自鎖的重要原因。

2、壓力角的許用值

工作行程:

直動從動件,許用壓力角[a]=30°;

擺動從動件,許用壓力角[a]=45°

空行程:--般可取[a]=80°

3、壓力角的校核

凸輪輪廓曲線上各點的壓力角是不同的,凸輪輪廓越陡,壓力角就越大,因為輪廓曲線

上每一點的切線與法線的夾角越大。如凸輪輪廓曲線就是基圓,那樣壓力角就等于零。

可用圖4-24的方法對凸輪輪廓曲線的壓力角進行檢驗。

如壓力角超過許用值,可用圖4-25、4-26的方法減小壓力角。

直動平底從動件的凸輪機構,其壓力角始終等于零(圖4-27),故傳力性能最好。

圖4-26偏置從動件

三、基圓半徑的確定

應用實例:一對心直動尖端從動件盤形凸輪機構,60=45°,h=14mm,從動件以簡

諧運動規(guī)律上升,要求°max=30°,試確定凸輪的基圓半徑r0。

§4-5凸輪的結構與材料

基圓半徑也是凸輪設計中的?個重要參數(shù)。在設計凸輪機構時,凸輪的基圓半徑rb取

的越小,所設計的凸輪機構越緊湊。但基圓半徑過小又會引起壓力角增大,如圖4-23所示,

當凸輪轉過相同的轉角J且從動件上升相同的位移〃時,基圓半徑較小者,凸輪輪廓較陡,

壓力角較大;而基圓較大的凸輪輪廓較平緩,壓力角較小。因此,在滿足a1ras[a]的條件下,

應選取盡可能小的基圓半徑。

設計時,,基圓半徑可按凸輪的結構選?。寒斖馆喤c軸做成一體時(圖4-25),尸心什廠T+

(2-5)mmo當凸輪通過鍵等形式裝在軸上時(圖4?26),啥(2-5)mm,其中,

尸為凸輪軸的半徑,0為滾子半徑,?為凸輪輪轂半徑。當從動件不帶滾子時:rT=0,rh=

(1.5?1.7)ro

凸輪軸

4.4.2凸輪的結構與材料

1.凸輪在軸上的固定方式

當凸輪輪廓尺寸接近軸徑尺寸時,凸輪與軸可做成一體,即為凸輪軸,當二者尺寸相差

比較大時,凸輪與軸的固定采用鍵(圖4-26)或銷(圖4-27)等聯(lián)接形式。當凸輪與軸的

角度需經(jīng)常調整,可采用彈性錐套和圓螺母聯(lián)接(圖4-28)。

2.凸輪和滾子的材料

凸輪機構工作時,通常承受沖擊載荷,凸輪與從動件接觸部分有嚴重磨損,因此必須合

理選擇凸輪和滾子的材料,并進行適當?shù)臒崽幚?,使?jié)L子和凸輪的工作表面具有較高的硬度

和耐磨性,而心部要有較好的韌性以承受沖擊。凸輪和滾子常用的材料有45鋼、20Cr、

18CrMnTi或T9、T10等,并經(jīng)表面淬火處理。

用圓錐銷聯(lián)接用彈性開口錐套和螺母聯(lián)接

蘭州工業(yè)學院教案

本本單元主要講授滾子半徑的選擇、壓力角、基圓半徑的確定;

單凸輪的結構、材料。

考習題

2

、三一

三一1

題;

關習

二相

或一、

業(yè)

7

013

間:2

成時

教案完

學時2

授課

乙次課

用機

他常

章其

第五

節(jié)

章、

應用

型和

、類

原理

工作

機構

槽輪

構、

輪機

L棘

。

應用

型和

、類

作原理

的工

機構

、螺旋

機構

齒輪

完全

2不

a)掌握棘輪機構和槽輪機構的工作原理;

⑵熟悉棘輪機構和槽輪機構的類型;

⑶了解不完全齒輪機構和凸輪間歇運動機構的工作原理和特點。

重點:棘輪機構、螺旋機構等機構的工作原理、特點、類型和應用。

難點:無

教學手段:課堂講授、提問;多媒體

棘輪機構

棘輪機構山棘輪、棘爪、搖桿及機架等組成,如圖5-3所示。主動件棘爪較接在連桿

機構的搖桿上,當搖桿順時針擺動時,棘爪推動棘輪轉過一定的角度;當搖桿逆時針擺動

時,止退棘爪阻止棘輪轉動,棘爪在棘齒背上滑過,此時棘輪停歇不動。因此,在搖桿作

往復擺動時,棘輪作單向時動時停的間歇運動。

有外嚙合和內嚙合之分。

牛頭刨床工作臺橫向進給機構是個棘輪機構,它是利用將棘爪提起并轉動180°后放

下,使棘輪作反向間歇運動來實現(xiàn)工作臺的往復移動。

搖桿一3Z棘爪舵

圖5-5所示機構設有對稱爪端的棘爪1,將其翻轉至雙點畫線位置,也可用來實現(xiàn)反

向的間歇運動。

圖5-6所示機構在搖桿上安裝兩個棘爪,當搖桿往復擺動時,都能使棘輪轉動,可提

高棘輪運動的次數(shù)和縮短停歇的時間,所以又稱作快動(或雙動)式棘輪機構。

棘輪機構中棘輪轉角的大小可以進行有級調節(jié)。圖5-7所示機構是利用覆蓋罩遮擋部

分棘齒,實現(xiàn)調節(jié)棘輪轉角的大小來控制棘輪的轉速。

圖5-8所示機構是通過改變曲柄長度來改變搖桿擺角的大小,搖桿的擺角變化后就改變

了棘輪的轉角。

棘輪機構的特性

推進和輸送:右圖所示的牛頭刨床工作臺的橫向進給機構,就是利用棘輪機構實現(xiàn)正反

間歇轉動的特點,然后通過絲杠、螺母帶動工作臺作橫向間歇送進運動的。

制動:右圖所示為起重設備安全裝置中的棘輪機構。起吊重物時,如果機械發(fā)生故障,

重物將出現(xiàn)自動下落的危險,此時,棘輪2被止回棘爪3及時止動,以保證安全。

超越:內嚙合棘輪機構是自行車后輪匕的“飛輪”機構,當腳蹬轉動時,經(jīng)大鏈輪和鏈

條帶動內齒圈具有棘齒的鏈輪逆時針轉動,再通過棘爪的作用,使輪轂(和后車輪為一體)

逆時針轉動,從而驅使自行車前進。當自行車后輪的轉速超過小鏈輪的轉速(或自行車前進

而腳蹬不動)時,輪轂便會超越小鏈輪而轉動,讓棘爪在棘輪齒背上滑過,從而實現(xiàn)了從動

件相對于主動件的超越運動,這種特性稱為超越。

槽輪機構

槽輪機構由帶圓銷的撥盤、具有徑向槽的槽輪和機架組成,如圖5T0所示。

圖5T1為內槽輪機構,帶圓銷的撥盤在槽輪的內部,工作原理同外槽輪機構。內槽輪

機構的槽輪轉動方向與撥盤轉向相同。

圖5-12所示為雙圓銷外槽輪機構,該機構工作時,撥盤轉一周,槽輪反向轉動兩次。

圖5T3所示為轉塔車床的刀架轉位機構,刀架上裝有六種刀具,槽輪上具有六條徑向

槽。當撥盤回轉一周時,槽輪轉過60°,從而將下一工序所需刀具轉換到工作位置。

不完全齒輪機構

圖5T5所示為內嚙合不完全齒輪機構,與外嚙合不完全

齒輪機構相似,內嚙合時兩輪轉向相同,而外嚙合時兩輪轉

向相反。

不完全齒輪機構的特點是:工作可靠、傳遞的力大,而

且從動輪停歇的次數(shù)、每次停歇的時間及每次轉過的角度,

其變化范圍都比槽輪機構大得多,只要適當設計均可實現(xiàn);

但是不完全齒輪機構加工工藝較復雜,從動輪在運動開始和

終了時有較大的沖擊。

蘭州工業(yè)學院教案

本本單元主要講授棘輪機構、槽輪機構工作原理、類型和應用;

單不完全齒輪機構、螺旋機構的工作原理、類型和應用。

考習題

或一、

業(yè)

7

013

間:2

成時

教案完

2

學時

授課

口次

構傳

輪機

章齒

第六

概述

§6—1

節(jié)

章、

特性

及嚙合

線齒廓

2漸開

§6-

1:

應用

型和

的類

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