電動機械式自動變速器控制系統(tǒng)設(shè)計

尤銀剛，羅映，李良，韓偉

（1.山重建機有限公司 電控研究院，山東 臨沂276000；2.山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南250101；3.山東齊魯電機制造有限公司，山東濟南250100；4.山東大學機械工程學院，山東濟南250061）

0 引言

與傳統(tǒng)的汽車手動變速器相比，汽車自動變速器在操控性和駕駛舒適性等方面有顯著優(yōu)勢。因此，自動變速器在汽車工業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū)的市場上占有率越來越高。目前，汽車自動變速器運用較廣，可分為以下幾種：液力自動變速器、無級變速器、雙離合器自動變速器和機械式自動變速器［1－3］。機械式自動變速器 AMT（Automated MechanicalTransmission）是在原有的手動變速器的基礎(chǔ)上進行改造，主要改變換擋、離合操縱部分，即在總體傳動結(jié)構(gòu)不變的情況下通過加裝自動操縱系統(tǒng)來實現(xiàn)換擋的自動化（如圖1所示）。與液力自動變速器（AT）相比，具有傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)點［4］。

圖1 AMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

目前國外市場，尤其是歐洲和日本的重型多擋變速箱上，AMT都已是標準配置。奔馳、沃爾沃、日產(chǎn)、三菱、日野等都有自己的AMT商用車產(chǎn)品，歐洲商用車AMT裝機總量，已經(jīng)超過其商用車總量的50%以上［5］。文章在分析AMT工作原理基礎(chǔ)上，采用基于直流電機驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計，與主流的液壓驅(qū)動相比，制造難度和成本均大幅下降，更加適合我國國情。文章旨在設(shè)計電動機械式自動變速器控制系統(tǒng)，包括選換擋、離合執(zhí)行機構(gòu)、電控單元（TCU）、控制策略，并在實車上進行試驗和程序調(diào)試，以驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性和實際效果。

1 自動變速器控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

AMT的關(guān)鍵部件主要由傳感器、電子控制單元（TCU）和執(zhí)行器三部分組成［6－7］。傳感器包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、加速踏板位置傳感器、變速器輸入軸速度傳感器、車速傳感器等。執(zhí)行器包括離合器執(zhí)行器、選擋執(zhí)行器和換擋執(zhí)行器，本設(shè)計采用了帶有電子節(jié)氣門的汽油發(fā)動機，節(jié)氣門期望值通過控制總線發(fā)送給發(fā)動機控制單元（ECU），由ECU對節(jié)氣門開度進行控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

整個換擋過程概括為以下步驟：

（1）控制單元通過讀取傳感器信號來確定當前車輛的工作狀況。

（2）由換擋桿的觸點得到駕駛員（手動模式下）或控制單元（自動模式下）給出換擋命令。

（3）控制單元讀取換擋命令后進行安全分析從而對命令進行后期處理。

（4）通過執(zhí)行器控制離合器的結(jié)合與分離和變速箱中的齒輪嚙合。

圖2 AMT控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2 選換擋執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

2.1 選換擋動作分析

AMT車輛對換擋過程的基本要求是應(yīng)能根據(jù)車輛的行駛狀況、道路條件和駕駛員的操縱意圖等信息采用相應(yīng)的換擋規(guī)律，并通過選換擋執(zhí)行機構(gòu)，使變速器及時準確地切換到最佳擋位，使其具有良好的換擋品質(zhì)，即希望換擋過程平穩(wěn)快速地進行，避免換擋沖擊過大，增加傳動系統(tǒng)的動載荷［8］。換句話說，換擋機構(gòu)的優(yōu)劣將直接影響到傳動系統(tǒng)的壽命，也會影響到乘坐的舒適性［9］。因此，對換擋機構(gòu)的研究己成為AMT技術(shù)體系研究中的關(guān)鍵部分。

該車使用的手動變速器有為5個前進擋和1個倒擋，分析變速器換擋機構(gòu)的原理可知，要完成5個前進擋，1個倒擋的換擋動作，選擋桿與換擋桿分別有3個位置，即把換擋機構(gòu)的運動抽象成一個正交坐標，橫坐標x方向的3個位置為換擋動作，縱坐標y方向的3個位置為選擋動作，共9個位置，如圖3所示。

圖3 選換擋動作位置圖

抽象成正交坐標系以后，所有的換擋動作就可以用兩套執(zhí)行機構(gòu)來完成，其中一個機構(gòu)帶動換擋桿執(zhí)行x方向的運動，另一機構(gòu)帶動換擋桿執(zhí)行y方向的動作，從而可到達9個位置中的任意一個。其動作性能要求如下：

（1）換擋輕便，很輕松的能掛入擋位。

（2）選擋要準，一次到位。

（3）換擋平順溫和，無沖擊、發(fā)阻現(xiàn)象。

經(jīng)測量，選換擋的設(shè)計原始參數(shù)見表1。

表1 選換擋機構(gòu)設(shè)計原始參數(shù)

2.2 選擋執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

選擋執(zhí)行機構(gòu)可以用電機作為動力，也可以用電磁鐵作為動力，因為選擋桿有自動回位功能，其上下各有一個彈簧，如圖4所示。

?當換擋機構(gòu)不受外力的情況下是處于中位（空擋）的，如果采用直流電機，將實現(xiàn)三個位置的控制，對于中間位置的控制，必須精確，否則無法掛入空擋，而且給電路設(shè)計也帶來了麻煩，必須采用雙向H橋的控制電路，增加了電路成本，因此選擋機構(gòu)采用電磁鐵更為合理，如圖5所示，當上下兩個電磁鐵都不通電時，選擋桿自動回到中位，這使換擋控制算法更為簡單，且不容易出現(xiàn)故障。當供電電壓為12 V時，選擋電磁鐵拉力為210 N。

圖5 選擋電磁鐵結(jié)構(gòu)圖

2.3 換擋執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

選擋執(zhí)行機構(gòu)的任務(wù)是完成x方向的三個位置控制。

由于直流電動機輸出的轉(zhuǎn)速高而轉(zhuǎn)矩低，轉(zhuǎn)矩過低則無法驅(qū)動選換擋系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)完成選換擋操作，因此必須設(shè)計減速機構(gòu)以提高轉(zhuǎn)矩。減速機構(gòu)采用滾珠絲杠。

已知條件：

換擋行程：其左、右各15 mm，共計30 mm

換擋力F：130 N

執(zhí)行時間：100 ms

額定電壓U：12 V

額定功率 P：100W

額定轉(zhuǎn)速：3000 rpm

若需執(zhí)行時間小于100 ms，則需速度v應(yīng)大于150 mm／s。

由式（1）電機額定速度計算執(zhí)行速度為

若速度大于150 mm／s，則滾珠絲杠導程p應(yīng)大于3 mm，考慮到電機剛起動時速度比額定轉(zhuǎn)速小，應(yīng)選用更大導程的絲杠，本設(shè)計采用導程為5 mm的絲杠。其額定速度理論值為250 mm／s。

經(jīng)測量，執(zhí)行機構(gòu)實際輸出推力大于300 N，滿足設(shè)計要求。

換擋執(zhí)行機構(gòu)采用絲桿螺母減速機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 換擋執(zhí)行機構(gòu)示意圖

3 離合器執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

在現(xiàn)有電控機械式自動變速技術(shù)中，離合器分離接合采用電控液壓式、電控氣動式和電控電動式三種驅(qū)動方式［10］，其中電控電動式由于執(zhí)行機構(gòu)全部采用了電機，相對于傳統(tǒng)液壓油缸執(zhí)行機構(gòu)而言不僅可靠性提高而且成本也得到降低，樣機的性能價格比合理，具有良好應(yīng)用前景。離合器分離接合控制機構(gòu)的設(shè)計要求應(yīng)該滿足如下要求：

（1）滿足離合器分離、接合的工作行程，具有足夠大的驅(qū)動力并有自鎖性能；

（2）保證最大的分離速度，接合平穩(wěn)無沖擊；

（3）機構(gòu)工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，便于總體布置。

測量離合器分離杠桿，得知其參數(shù)見表2。

表2 離合器設(shè)計原始參數(shù)

已知條件：

離合器分離行程：實際行程為27 mm，執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計行程為50 mm

執(zhí)行時間：100 ms

額定電壓U：12 V

額定功率P：180 W

額定轉(zhuǎn)速：3000 rpm

若需執(zhí)行時間小于100 ms，則需速度v應(yīng)大于150 mm／s。由電機額定速度計算執(zhí)行速度，若速度大于150 mm／s，則滾珠絲杠導程p應(yīng)大于3 mm，考慮到電機剛起動時速度比額定轉(zhuǎn)速慢，應(yīng)選用更大導程的絲杠，本設(shè)計采用導程為5mm的絲杠。其額定速度理論值為250 mm／s。經(jīng)測量，執(zhí)行機構(gòu)實際輸出推力大于500 N，滿足設(shè)計要求。

離合器減速機構(gòu)為絲杠螺母機構(gòu)，電機帶動螺母旋轉(zhuǎn)，使絲杠產(chǎn)生直線運動來實現(xiàn)離合器的分離，TCU發(fā)出指令，電動機轉(zhuǎn)動驅(qū)動螺母轉(zhuǎn)動，通過軸承支撐在筒內(nèi)，拉動離合器拉線實現(xiàn)離合器分離，電動機反向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)離合器結(jié)合，離合器操縱機構(gòu)行程用傳感器檢測，拉線連桿在離合器完全結(jié)合時自動補償零部件磨損造成的拉線初始安裝位置變化，不再需要人工調(diào)整拉線的長短，如圖7所示。

圖7 離合器執(zhí)行機構(gòu)圖

對于離合器執(zhí)行機構(gòu)，其難點之一是絲杠螺母機構(gòu)在極限點位置時容易出現(xiàn)不正常鎖死，在裝車試驗過程中，多次出現(xiàn)不正常的鎖死現(xiàn)象，需要在算法上進行處理。

4 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)包括輸入信號處理、中央處理器（MCU）和電機驅(qū)動三大部分，如圖8所示。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.2.1 信號采集

（1）數(shù)字信號采集

TCU控制程序需要監(jiān)測車輛上的一些數(shù)字量信號，從而獲取駕駛員的操作信息，車上數(shù)字信號通過電平轉(zhuǎn)換和濾波處理以后輸入到主控芯片，TCU控制程序調(diào)用固件函數(shù)可以獲取該引腳的電平的高低（0或1），也就獲知了對應(yīng)車輛數(shù)字信號的狀態(tài)。TCU控制程序采用不間斷循環(huán)掃描的方式來實時監(jiān)測這些數(shù)字量信息，數(shù)字信號包括：制動踏板信號、駐車制動信號、車門關(guān)閉信號、擋位選擇信號、模式選擇信號等。

圖8 AMT電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）模擬信號采集

模擬信號主要用于反饋執(zhí)行機構(gòu)的位置，選擋、換擋、離合、節(jié)氣門、加速踏板位置等傳感器傳感器信號，其中節(jié)氣門和加速踏板各有兩路模擬信號，這些模擬信號經(jīng)過濾波處理以后，輸入到主控芯片的AD轉(zhuǎn)換管腳，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，作為判斷執(zhí)行機構(gòu)位置的依據(jù)。

（3）頻率信號采集

TCU控制程序主要采集和處理發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和車速信號來獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、車速等速度信息。

發(fā)動機輸出軸處安裝有飛輪，飛輪上均勻分布有60個齒，當發(fā)動機發(fā)動后飛輪同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機旋轉(zhuǎn)一周，發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器就會產(chǎn)生60個正弦脈沖信號，對脈沖計時就可以推算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速。對頻率信號計時用的時鐘為100 kHz，計時單位為10μs。

在變速器輸出軸部位安裝霍爾式車速傳感器，用來監(jiān)測車速。車速傳感器的旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周會產(chǎn)生若干個均勻的方波信號，同時變速器輸出軸與車速傳感器旋轉(zhuǎn)軸之間存在一個傳動比，經(jīng)過該傳動比就可以推算出一個完整方波脈沖信號對應(yīng)的變速器輸出軸旋轉(zhuǎn)的角度。采用與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同的單個脈沖信號計時方式可以計算出變速器輸出軸轉(zhuǎn)速。

變速器輸出軸經(jīng)過一個減速器把動力傳遞給車輪，所以車速就是使用變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速、減速器減速比、車輪尺寸計算出來的，經(jīng)過單位換算，把轉(zhuǎn)速（r／min）轉(zhuǎn)換為速度（km／h）。利用變速器輸出軸轉(zhuǎn)速和當前變速器擋位的減速比還可以推算出變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速，變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速也是一個重要的速度信號，在起步和行進間換擋時貼合離合階段是一個重要參考。

由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高，而且TCU通過計量發(fā)動機旋轉(zhuǎn)兩周的時間來計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速，這樣得到的發(fā)動機轉(zhuǎn)速較為精確，所以如果車輛在某個擋位上正常行駛，可以使用發(fā)動機轉(zhuǎn)速來通過當前擋位傳動比來推算車速，而不使用原始車速信號，這樣可以得到更加精確的車速。但是，在離合分離或者車輛處于空擋時，需要切換成車速信號來計算車速。

4.2.2 數(shù)據(jù)通訊

（1）自動換擋需要發(fā)動機與變速器配合進行，因此 TCU需要與 ECU進行通信［11］。兩者采用CAN總線方式，一方面TCU通過與ECU通信獲取發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門踏板等信息，另一方面向ECU發(fā)送節(jié)氣門目標開度等信號，使發(fā)動機配合自動換擋過程。

（2）在車輛添加一個LED顯示器用于顯示車輛當前擋位信息、手動／自動模式、經(jīng)濟／普通／動力三種換擋模式等狀態(tài)信息，如圖9所示。

圖9 顯示器外觀圖

其硬件接口為485接口，顯示分為LED數(shù)碼管和光柱顯示兩種。第1個數(shù)碼管顯示自動／手動狀態(tài)，如果為 “A”，表示自動模式，如果是“H”，就是手動模式；第2個數(shù)碼管顯示擋位，“1”至“5”代表1至5擋，“N”代表空擋，“R”代表倒擋；光柱的主要作用是在自動擋模式下顯示所選擇的換擋規(guī)律模式，其中綠色代表經(jīng)濟模式，紅色為動力模式，橙色代表普通模式。顯示器還具有蜂鳴器報警功能，在特殊情況下用來警告駕駛員。

TCU控制程序通過485接口向顯示器發(fā)送指令來控制顯示內(nèi)容，指令的格式由顯示器固件給出的。TCU控制程序把獲得的擋位等狀態(tài)信息按照給定的指令格式填寫指令，然后定時通過485接口把指令發(fā)送給顯示器，顯示器自動解析指令，并驅(qū)動LED燈顯示對應(yīng)信息。

4.2.3 軟件分層

AMT控制系統(tǒng)的控制效果，主要取決于系統(tǒng)的控制軟件。每個控制對象有其特定的規(guī)律和控制要求，因此要選擇與之相適應(yīng)的控制策略和控制算法，否則就會導致系統(tǒng)的控制品質(zhì)較差，甚至會出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制失敗的后果［12－13］。

為提高控制系統(tǒng)軟件的可維護性和擴展性，該控制系統(tǒng)把軟件的各個功能層分離開來，以保證軟硬件的獨立，為今后系統(tǒng)的改進打下基礎(chǔ)，基本思路是用硬件抽象層將軟件和硬件分開，在硬件抽象層上建立驅(qū)動層，最上層是應(yīng)用層，如圖10所示。

（1）硬件層

硬件層即控制系統(tǒng)硬件，如圖11所示。

圖10 程序分層框架圖

（2）硬件抽象層

硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer）將與硬件相關(guān)的操作寫成自定義的函數(shù)，在系統(tǒng)需要操作硬件時，只是調(diào)用相關(guān)的函數(shù)，由硬件抽象層的函數(shù)完成與硬件相關(guān)的操作并返回操作結(jié)果即可。硬件抽象層需要定義的操作包括：內(nèi)部寄存器、時鐘、存儲器、中斷、總線通訊、普通I／O口等，當?shù)讓佑布隽诵薷幕蚋鼡Q時，只更改硬件抽象層的函數(shù)內(nèi)容，不更改硬件抽象層的函數(shù)名和函數(shù)參數(shù)，因此硬件抽象層以上的軟件無需更改。

圖11 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

（3）操作系統(tǒng)層

操作系統(tǒng)層（RTOS Layer），該系統(tǒng)采用了一個輕量級的實時操作系統(tǒng)，有公開源碼、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活，當更換硬件時，可以快速的移植到新的硬件上運行，操作系統(tǒng)跟硬件相關(guān)，但操作系統(tǒng)以上的軟件跟硬件無關(guān)。

（4）驅(qū)動層

驅(qū)動層（Drive Layer），或叫功能層，該層與整個控制系統(tǒng)的功能相關(guān)，其變量名和函數(shù)名直接與變速器控制系統(tǒng)相關(guān)，比如定義了各個需要采集的數(shù)據(jù)、與換擋相關(guān)的功能函數(shù)。應(yīng)用層調(diào)用或包含（include）驅(qū)動層就可以實現(xiàn)宏定義、公共變量、應(yīng)用層函數(shù)之間共享。

（5）應(yīng)用層

應(yīng)用層（App Layer），實現(xiàn)軟件最終的功能。由于整個控制系統(tǒng)的功能較多，是一個龐大的系統(tǒng)，應(yīng)用層的程序框架結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，本設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。模塊功能包括換擋規(guī)律，起步?jīng)Q策，換擋決策，換擋品質(zhì)控制等多方面的內(nèi)容。為了使程序的可讀性強，維護方便，實現(xiàn)各個模塊單獨設(shè)計、單獨維護，將程序的應(yīng)用層分為幾種狀態(tài)，相鄰兩個狀態(tài)之間有先后的關(guān)系，也可根據(jù)實際情況任意跳轉(zhuǎn)，定義的狀態(tài)有：發(fā)動機未起動狀態(tài)、起動但未起步狀態(tài)、已掛擋準備起步狀態(tài)、執(zhí)行起步操作狀態(tài)、行進間換擋操作狀態(tài)、緊急情況處理狀態(tài)等，如圖12所示。

圖12 應(yīng)用層狀態(tài)圖

5 裝車試驗與數(shù)據(jù)分析

5.1 起步試驗

起步快速平穩(wěn)，能及時響應(yīng)駕駛員的加速指令，是AMT控制的難點和重點［14］，軟硬件設(shè)計完成后，進行了裝車試驗。如圖13是起步實時數(shù)據(jù)隨時間的變化曲線。

從圖中可以看出，松開剎車后，離合迅速放回到半離合位置；踩下油門踏板后，一方面控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速度上升，另一方面繼續(xù)緩慢貼合離合；離合貼合到半離合點之后，車輛開始移動，車速和輸入軸轉(zhuǎn)速開始增大；隨著離合繼續(xù)貼合，輸入軸轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速趨于同步，在此過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過高或過低甚至熄火的情況，車速上升平穩(wěn)，沒有速度沖擊。這說明這種起步控制邏輯既保證了起步平穩(wěn)性又實現(xiàn)了駕駛員意圖。

圖13 起步過程圖

5.2 升擋試驗

換擋品質(zhì)關(guān)系到AMT的舒適性［15］，要求在升擋過程中的無明顯頓挫感，實驗過程中，采集加速行駛過程中升擋切換實時數(shù)據(jù)隨時間的變化曲線，來分析換擋品質(zhì)。以1擋升2擋為例進行說明，其他擋位類似，不再累述。

從圖14中可以看出，300 ms左右TCU發(fā)出換擋指令，首先是關(guān)小節(jié)氣門開度；接著拉起離合，離合拉起用時200 ms左右；離合分離后，執(zhí)行選擋和換擋動作，輸入軸轉(zhuǎn)速跳變，說明換入2擋；待換入2擋后，馬上快放離合至半離合點；之后緩慢貼合離合，在貼合離合過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速實現(xiàn)同步；貼合離合的同時，開大節(jié)氣門開度，直至重新跟隨油門踏板深度；從離合開始拉起至離合貼合轉(zhuǎn)速同步的整個換擋過程用時約為1 s。

1擋升2擋過程中，離合貼合速度相對較小，因為這時車速較小，而且2擋輸出扭矩較大，若是離合貼合過快，容易導致車速波動，影響換擋過程的平順性，高擋之間切換時離合貼合過程會大大加快。從數(shù)據(jù)曲線可以看出，1擋升2擋過程用時短暫，發(fā)動機轉(zhuǎn)速未出現(xiàn)上升，車速平穩(wěn)，動力及時跟進，未出現(xiàn)車速下降。

1擋升2擋，由于車速較低，換擋時的頓挫感是所有擋位切換過程中最明顯的，也是調(diào)試的重點。通過不斷的調(diào)試，實際的頓挫感和沖擊感明顯減輕，基本上感覺不到明顯的頓挫。

圖14 1擋升2擋過程曲線

5.3 降擋試驗

以汽車行駛過程中降擋切換實時數(shù)據(jù)隨時間的變化曲線來評價降擋品質(zhì)。以2擋降1擋為例進行說明，其他擋位類似，不再累述。

圖15 2擋降1擋過程曲線圖

從圖15中可以看出，200 ms左右TCU發(fā)出換擋指令，從離合開始拉起至離合貼合轉(zhuǎn)速同步的整個換擋過程用時約為1 s，與3擋降2擋相比，離合貼合速度減小，是因為降至1擋輸出扭矩增大，而且這是車速較小，過快貼合離合會影響換擋平順性，所以換擋用時有所增加。從數(shù)據(jù)曲線可以看出，2擋降1擋過程用時短暫，發(fā)動機轉(zhuǎn)平穩(wěn)上升，車速平穩(wěn)，動力及時跟進。

6 結(jié)語

綜上試驗結(jié)果表明：

（1）直流電機驅(qū)動的選換擋、離合執(zhí)行機構(gòu)，在控制單元的控制下，位置精度和動作速度均基本滿足功能需求。

（2）控制器數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計合理，能夠采集車輛上的數(shù)字信號、模擬信號和頻率信號。

（3）控制程序采用分層框架和模塊化設(shè)計，可讀性和可維護性較好。

（4）自主設(shè)計的控制策略基本合理，車輛起步、升擋、降擋過程快速平穩(wěn)，達到設(shè)計目標，具有進一步改進和研究的價值。

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