《机械设计基础》课程重点总结

绪论

机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。

原动机：将其他形式能量转换为机械能的机器。

工作机：利用机械能去变换或传递能量、物料、信息的机器。

机器主要由动力部分、传动部分、执行部分、控制部分四个基本部分组成，它的主体部分是由机构组成。

机构：用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用构件间能够相对运动的连接方式组成的构件系统。

机构与机器的区别：机构只是一个构件系统，而机器除构件系统外，还含电器、液压等其他装置；机构只用于传递运动和力，而机器除传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。

零件是制造的单元，构件是运动的单元，一部机器可包含一个或若干个机构，同一个机构可以组成不同的机器。

机械零件可以分为通用零件和专用零件。

机械设计基础主要研究机械中的常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法。

第一章 平面机构的自由度和速度分析

1. 平面机构：所有构件都在相互平行的平面内运动的机构；构件相对参考系的独立运动称为自由度；所以一个作平面运动的自由机构具有三个自由度。

2. 运动副：两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接。两构件通过面接触组成的运动副称为低副；平面机构中的低副有移动副和转动副；两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副；

3. 绘制平面机构运动简图；P8

4. 机构自由度计算公式：F=3n-2Pl-PH 机构的自由度也是机构相对机架具有的独立运动的数目。原动件数小于机构自由度，机构不具有确定的相对运动；原动件数大于机构自由度，机构中最弱的构件必将损坏；机构自由度等于零的构件组合，它的各构件之间不可能产生相对运动；机构具有确定的运动的条件是：机构自由度F > 0,且F等于原动件数

5. 计算平面机构自由度的注意事项：（1）复合铰链：两个以上构件同时在一处用转动副相连接（图1-13）（2）局部自由度：一种与输出构件运动无关的的自由度，如凸轮滚子（3）虚约束：重复而对机构不起限制作用的约束 P13（4）两个构件构成多个平面高副，各接触点的公共法线彼此重合时只算一个高副，各接触点的公共法线彼此不重合时相当于两个高副或一个低副，而不是虚约束。

6. 自由度的计算步骤：1）指出复合铰链、虚约束和局部自由度；2）指出活动构件、低副、高副；3）计算自由度；4）指出构件有没有确定的运动。

7. 发生相对运动的任意两构件间都有一个瞬心。瞬心数计算公式：N=K(K-1)/2 三心定理：作相对平面运动的三个构件共有三个瞬心，这三个瞬心位于同一直线上。

第二章 平面连杆机构

1. 平面连杆机构是由若干构件用低副(转动副、移动副)连接组成的平面机构，又称平面低副机构；最简单的平面连杆机构由四个构件组成，称为平面四杆机构。按所含移动副数目的不同，可分为：全转动副的铰链四杆机构、含一个移动副的四杆机构和含两个移动副的机构。

2. 铰链四杆机构：全部用转动副相连的平面四杆机构；机构的固定构件称为机架，与机架用转动副相连接的构件称为连架杆，不与机架直接相连的构件称为连杆；整转副：组成转动副的两构件能作整周的相对转动，反之称为摆动副；与机架组成整转副的连架杆称为曲柄，与机架组成摆动副的连架杆称为摇杆；铰链四杆机构可分为：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。

3. 含一个移动副的四杆机构：曲柄滑块机构，转动导杆机构、摆动导杆机构，定块机构、摇块机构。含有两个移动副的四杆机构：1）两个移动副不相邻 正切机构； 2）两个移动副相邻，且其中一个移动副与机架相关联 正弦机构 3）两个移动副相邻，且均不与机架相关联 4）两个移动副都与机架相关联

4. 铰链四杆机构有整转副的条件是最短杆和最长杆长度之和小于等于其余两杆长度之和；整转副是最短边及其邻边组成的。

5. 铰链四杆机构是否存在曲柄依据：1）取最短杆为机架时，机架上有两个整转副，故得双曲柄机构；2）取最短杆的邻边为机架时，机架上只有一个整转副，故得曲柄摇杆机构；3）取最短杆的对边为机架时，机架上没有整转副，故得双摇杆机构。如果铰链四杆机构中的最短边和最长边长度之和大于其余两杆长度之和，则该机构中不存在整转副，无论取哪个构件作为机架都只能得到双摇杆机构。

6. 极位角θ越大，机构的急回特性(生产设备在慢速运动的行程中工作，在快速运动的行程中返回)越明显。急回运动特性可用行程速度变比系数K来表示：K=w2/w1=Ψ/t2/Ψ/t1=t1/t2=Ψ1/Ψ2=(180°+θ)/(180-θ)；作用在从动件上的驱动力与该力作用点绝对速度之间所夹的锐角叫做压力角α，压力角是作为判断机构传力性能的重要标志；压力角的余角叫做传动角；压力角越小，传动角越大，机构传力性能越好；压力角越大，传动角越小，机构的传力性能越差，传动效率越低。作图题：极位角和最小传动角的位置。机构中的这种传动角为零的位置称为死点位置。

第三章 凸轮机构 P40

分类、刚性冲击、柔性冲击

1.凸轮机构的优点是：只需设计适当的齿轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律，并且结构简单、紧凑，设计方便。缺点是：凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易磨损，所以通常用于传力不大的控制机构。

2.凸轮机构的从动件做等速运动时，造成强烈刚性冲击；做简谐运动时造成柔性冲击；做正弦加速度运动时没有冲击。

3.基圆半径越小，压力角越大，传动角越小，有害分力越大，传动效率越低，当压力角达到一定的程度，有用分力连摩擦力也克服不了。

4.平底从动件凸轮压力角为定值。

第四章 齿轮机构

主要优点：1）使用的圆周速度和功率范围广；2）效率较高；3）传动比稳定；4）寿命长；5）工作可靠性高；6）可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动。缺点：1）要求较高的制造和安装精度，成本较高；2）不适宜远距离两轴之间的传动。

1.齿廓实现定角速比传动的条件：过接触点所作的齿廓公法线必须与连心线交于一定点。

2.渐开线：当一直线在一圆周上作纯滚动时，此直线上任意一点的轨迹；渐开线上任意一点的法线均与基圆相切；基圆之内无渐开线；渐开线齿廓上某点的法线，与齿廓上该点速度方向线之间的夹角为压力角αk。

3.一对齿轮的传动比等于两轮的转动速度之比，等于两轮角速度之比，等于两轮基圆半径的反比，等于两轮节圆半径的反比。

4.渐开线齿轮传动的可分性：一对渐开线齿轮制成之后，其基圆半径是不能改变的，即使两轮的中心距稍有改变，其角速度比仍保持原值不变。

5.齿轮各部分名称：齿根圆df、基圆db、分度圆d、齿顶圆da、齿厚s、齿槽宽e、齿距p、齿宽b、齿顶高ha、齿根高hf、全齿高h、齿隙c。

6.齿轮所有的几何尺寸都用模数的倍数来表示，所以齿数相同的齿轮，模数越大，齿轮的尺寸越大，其承载能力也就越高。d=mz;p=mπ;分度圆是具有标准模数和标准压力角（20°）的圆。模数越大，p越大，齿轮越大，齿轮抗弯能力越强，所以，模数是齿轮抗弯能力的重要标志。

h=ha+hf ha=m×ha* hf=(ha*+c*)m ha*=1.0 c*=0.25（正常齿）；da=d+2ha df=d-2hf h=ha+hf p=s+e c=c*m db=d×cos20°

标准齿 s=e=p/2

标准齿轮：分度圆上齿厚和齿槽宽相等，且齿顶高和齿根高均为标准值的齿轮称为标准齿轮。

标准齿轮缺点：1）齿数必须大于或等于最小齿数，否则回产生根切；2）不适用于实际中心距a’不等于标准中心距a的场合；3）一对相互啮合的标准齿轮。小齿轮齿根厚度小于大齿轮齿根厚度，抗弯能力有明显差别。弥补：变位齿轮 P65

7. 渐开线齿轮的正确啮合条件是两轮的模数和压力角分别相等。

8. 分度圆和压力角是单个齿轮所具有的，而节圆和啮合角是两个齿轮相互啮合时才出现的。标准齿轮传动只有在分度圆和节圆重合时，压力角和啮合角才相等，否则，啮合角大于压力角。

9. 实际啮合线段与两啮合点间距离之比称为重合度，因此，齿轮连续传动的条件是重合度大于等于1.重合度表示同时参加啮合的齿的对数，重合度越大，轮齿平均受力越小，传动越平稳。

10. 渐开线齿轮的切齿原理：成形法；范成法：1）齿轮插刀；2）齿条刀；3）齿轮滚刀

11. 根切 P64；对α=20和ha*=1的正常齿制标准渐开线齿轮，当用齿条加工时Zmin=17；

12. 一对斜齿轮正确啮合条件：模数相等，压力角相等，螺旋角大小相等方向相反（外啮合）。

13. 斜齿轮的法向模数和端面模数之间的关系：pn=pt×cosβ；mn=mt×cosβ 重合度：Ɛ=Ɛt+FH/Pt=btanβ/pt+Ɛt;国际规定，斜齿轮的法向参数取为标注值，而端面参数为非标准值。

14. 斜齿轮与直齿轮相比的优点：1）齿廓接触线是斜线，一对齿是逐渐进入啮合和逐渐脱离啮合的，故运转平稳，噪声小。2）重合度大，并随齿宽和螺旋角β的增大而增大，故承载能力高，运转平稳，适于高速传动。3）斜齿轮不根切最少齿数小于直齿轮。

第五章 轮系

1. 轮系可以分为定轴轮系和周转轮系。转动时每个齿轮的几何轴线都是固定的，这种轮系称为定轴轮系。至少有一个轮系的几何轴线绕另一个轮系的几何轴线转动的轮系，称为周转轮系。

2. 涡轮蜗杆的左右手定则：左旋用左手，右旋用右手，四指弯曲的方向是蜗杆的旋转方向，拇指的反向是涡轮的转动方向。

3. 定轴轮系传动比的数值等于各对啮合齿轮中所有从动轮齿数的乘积与所有主动轮齿数乘积之比。

4. 惰轮（过桥齿轮）：不影响传动比数值大小，只起改变转向作用的齿轮。

5. 一个周转轮系包括：行星轮、支持它的行星架和与行星轮相啮合的中心轮。周转轮系传动比的计算——相对速度法。P76

6. 复合轮系及其传动比。

第六章 间歇运动结构

间歇运动机构：主动件连续运动时，从动件作周期性运动、时停运动的机构。分为棘轮机构、槽轮机构、不完全齿机构、凸轮间歇运动机构。

1. 止回棘爪，防止棘轮向相反方向运动。

2. 槽轮机构的运动特性系数是指在一个运动循环内，槽轮的运动时间tm对拨盘的运动时间t之比τ=1/2-1/z。z为槽数

第九章 机器零件设计概论

1. 塑性材料以屈服极限为极限应力，脆性材料以强度极限为极限应力；

2. 失效可能由于：断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤；发生强烈的振动；连接松弛；摩擦传动打滑等。

3. 疲劳断裂特征：1）疲劳断裂的最大应力比静应力下材料的强度极限低；2）疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3）疲劳断裂是损伤的积累。初期现象是；零件表面或表层形成裂纹

4. 运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损；零件抗磨损的能力称为耐磨性；机械中磨损的主要类型：磨粒磨损、胶合、点蚀、腐蚀磨损。胶合：摩擦表面受载时，实际上只有部分峰顶接触，接触处压强很高，能使材料产生塑性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料有一个表面转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损。点蚀：在滚动或兼有滑动和滚动的高副中。受载时材料表面有很大的接触应力，当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在表面形成小坑。

第十章 连接

1. 螺纹的主要几何参数：大径d（公称直径）、小径d1、中径d2、螺距P、导程S、螺纹升角、牙型角α、牙侧角β。

2. 矩形螺纹自锁条件斜面倾角小于摩擦角；非矩形螺纹自锁条件螺纹升角小于等于当量摩擦角

3. 牙侧角越大，自锁性越好，效率越低。

4. 把牙型角等于60度的三角形米制螺纹称为普通螺纹，以大径为公称直径。同一公称直径可以有多种螺距的螺纹，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余都称为细牙螺纹。公称直径相同时，细牙螺纹的自锁性能好，但不耐磨、易滑扣。

5. M24:粗牙普通螺纹，公称直径24，螺距3;M24×1.5:细牙普通螺纹，公称直径24，螺距1.5。

6. 螺纹连接基本类型：1螺栓连接；2螺钉连接；3双头螺柱连接；紧定螺钉链接。螺纹连接的防松：摩擦防松、机械防松、铆冲粘合防松。对顶螺母属于摩擦放松。

7. 螺栓的主要失效形式：1）螺栓杆拉断；2）螺纹的压溃和剪断；3）经常装拆时会因磨损而发生滑扣现象。

8. 提高螺栓连接强度的措施：1、降低螺栓总拉伸载荷的变化范围；2、改善螺纹牙间的载荷分布；3、减小应力集中。

9. 螺栓螺纹部分的强度条件。螺栓的总拉伸荷载为：工作荷载和残余预紧力。

10. 键主要用来实现轴和轴上零件间的周向固定以传递转矩；键分为平键、半圆键、楔键、和切向键。

11. 1、平键连接 两侧面为工作面，定心性较好、拆装方便；主要失效形式是工作面的压溃和磨损。常用的有普通平键和导向平键；2、半圆键连接 两侧面为工作面，具有定心较好的优点，装配方便；3、楔键连接和切向键连接 上下面为工作面，工作时，主要靠摩擦力传递转矩，并能承受单方向的轴向力。

第十一章 齿轮传动

1. 按照工作条件，齿轮传动可分为闭式传动和开式传动。

2. 轮齿的失效形式主要有：齿轮折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形。在一般闭式齿轮传动中，齿轮的主要失效形式是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断。齿根部分靠近节线处最易发生点蚀，故常取节点处的接触应力为计算依据。对于开式齿轮，主要的失效形式有：齿面点蚀和齿轮的弯曲疲劳强度破坏。

3. 热处理：钢在固体状态下被加热到一定温度，保温，不同的冷却方法，改变钢的组织结构，得到所需性能。退火：放在空气中缓慢降温。正火：空气中对流冷却。淬火:放在水中或油中冷却。

4. 直齿圆柱齿轮传动的作用力及其各力的方向。P169

5. 设计圆柱齿轮时设计准则：1）对闭式软齿面齿轮传动，主要失效形式为齿面点蚀，按齿面接触强度进行设计，按齿根的弯曲强度进行校核；2）对闭式硬齿面齿轮传动，主要失效形式为轮齿弯曲疲劳强度破坏，按齿根的弯曲强度进行设计，按齿面的接触强度进行校核；3）对开式齿轮传动，主要失效形式为齿面磨损和轮齿弯曲疲劳强度破坏，按轮齿的弯曲疲劳强度进行设计，将计算的模数适当修正。

6. 斜齿圆柱齿轮传动，各分力的方向如下：圆周力的方向在主动轮上与运动方向相反，在从动轮上与运动方向相同；径向力的方向对两轮都是指向各自的轴心；轴向力的方向可由齿轮的工作面受压来决定。P177

7. 螺旋角增大，重合度增大，使传动平稳，但轴向力也增大。Β=8～20

第十二章 蜗杆传动

1.蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动和动力；主要优点是能得到很大的传动比、结构紧凑、传动平稳和噪声较小却。缺点是传动效率较低，蜗轮齿圈常需用青铜制造，成本较高。正确啮合条件是蜗杆轴向模数和轴向压力角分别等于蜗轮端面模数和端面压力角。

2.主要失效形式有胶合、点蚀、磨损等；选材：蜗杆一般采用碳素钢或合金钢，要求齿面光洁并具有较高硬度，常采用青铜作蜗轮齿圈。受力情况 P195

第十三章 带传动

1. 带传动的优点是：1）适用于中心距较大的传动；2）带具有很好的挠性，可缓和冲击，吸收振动；3）过载时，带与带轮间出现打滑，打滑虽使运动失效，但可防止损坏其它零件；4）结构简单，成本低廉。带传动的缺点是：1）传动的外廓尺寸较大；2）需要张紧装置；3）由于带的滑动，不能保证固定不变的传动比；4）带的寿命较短；5）传动效率较低。

2. 若带所需传递的圆周力超过带与轮面键的极限摩擦力总和时，带与带轮将发生显著的相对滑动，这种现象称为打滑。由于材料的弹性变形而产生的滑动称为弹性滑动。弹性滑动和打滑是两个截然不同的概念。打滑是指由过载引起的全面滑动，应当避免。弹性滑动是由紧、松边拉力差引起的，只要传递圆周力，出现紧边和松边，就一定会发生弹性滑动，所以弹性滑动是不可避免的。

3. 在即将打滑时，紧边拉力和松边拉力之间的关系。

4. 运转过程中，带经受变应力，最大应力发生在紧边与小轮的接触处。最大应力=紧边与松边拉力产生的拉应力+离心力产生的拉应力+弯曲应力。

5. 带在带轮上打滑和带发生疲劳损坏是带的主要失效形式。带传动的设计准则是保证带不打滑及具有一定的疲劳寿命。

6. 中心距不能过小的原因：中心距过小，带变短，带上应力变化次数增多，疲劳破坏加强。V带两侧面的夹角小于40度，原因：V带在带轮上弯曲时，由于界面变形使其家教变小。小轮直径不能过小的原因:只经过小，则带的弯曲应力变大，而导致带的寿命减短。

7. 链轮每转过一个齿，链速就从大到小，再从小到大变化一次，同时伴随着链条忽上忽下颤抖且由于接触部分是多边形的部分，由于多边形的存在而引起的链传动的运动不均匀性称为链传动的多边形效应。

8. 链传动主要失效形式：1）链板疲劳破坏；2）滚子套筒的冲击疲劳破坏；3）销轴与套筒的胶合；4）链条铰链磨损；5）过载拉断。润滑方式：定期人工给油、油杯滴油、油浴润滑、油泵供油。

第十四章 轴

1. 轴是机器中重要零件之一，用来支持旋转的机械零件和传递转矩。根据承受载荷不同，分为转轴、传动轴和心轴；按轴线的形状分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴。设计要求：1）便于加工，轴上零件易于装拆；2）轴和轴上零件要有准确的工作位置；3）各零件要牢固而可靠地相对固定；4）改善受力状况，减小应力集中和提高疲劳强度。

2. 根据转矩性质而定的折合系数：对不变的转矩，其等于0.3；当转矩脉动变化时，其等于0.6；对于频繁正反转的轴，其为1.

3. 轴的结构设计改错题。

第十六章 滚动轴承

1. 滚动轴承一般由内圈外圈滚动体和保持架组成。

2. 常用滚动轴承的类型和性能特点:1）3：圆锥滚子轴承 能同时承受较大的径向荷载和轴向荷载，一般成对使用。2）5：推力球轴承，只承受轴向荷载。3）6：深沟球轴承4）7：角接触球轴承。

3. 滚动轴承代号的排列顺序：类型代号+宽度系列代号（可省略）+直径系类代号+内径尺寸系列代号+内部结构代号+公差等级代号，其中，内径尺寸系列代号乘以5得到内径尺寸。

4. 滚动轴承失效形式：1）疲劳破坏（疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式）2）永久变形

5. 轴承的寿命：轴承的一个套圈或滚动体的材料出现第一个疲劳扩展迹象前，一个套圈相对于另一个套圈的总转数，或在某一转速下的工作小时数；基本额定寿命L：一组同一型号的轴承在同一条件下运转，其可靠度为90﹪时，能达到或超过的寿命为基本额定寿命。可靠度R：一组相同轴承能达到或超过规定寿命的百分率；基本额定动载荷C：当一套轴承进入运转并且基本额定寿命为一百万转时，轴承所能承受的载荷。

6. 轴承寿命计算 P278

7. 轴承的预紧：对某些可可调游隙式轴承，在安装时给予一定的轴向压紧力，使内外圈产生相对位移而消除游隙，并在套圈和滚动体接触出产生弹性预变形，借此提高轴的旋转精度和刚度。

计算题：自由度计算、螺纹链接强度计算 、齿轮几何尺寸计算、轮系传动比计算、轴承寿命计算

问答题：

1．什么是虚约束?什么是复合铰?什么是局部自由度?

2．构件系统成为机构的充分必要条件。

3．机构具有确定运动的条件。

4．铰链四杆机构有曲柄存在的条件。

5．什么是连杆机构的极位夹角?

6．连杆机构输出件具有急回特性的条件。

7．怎样确定四连杆机构的死点位置。

8．简述摩擦型带传动的特点。

9．普通V带传动和平带传动相比，有什么优缺点?

10．带传动中的弹性滑动与打滑有什么区别?

11．带传动中，弹性滑动是怎样产生的?造成什么后果?

12．说明带传动中紧边拉力F1、松边拉力F2和有效拉力F、张紧力F0之间的关系。

13．带传动工作时，带上所受应力有哪几种?如何分布?最大应力在何处?

14．在多根V带传动中，当一根带失效时，为什么全部带都要更换?

15．普通V带的楔角与带轮的轮槽角是否相等?为什么?

16．画出带工作时的应力分布图，指出最大应力为多大?发生在何处?

17．带传动中为什么要求小带轮直径d1＞dmin？带传动中心距a、带长L、小带轮包角α1和张紧力F0对传动有什么影响?

18．带传动中，主动轮的圆周速度V1，带速V、从动轮的圆周速度V2相等吗?为什么？

19．凸轮机构中从动件的运动规律取决于什么？

20．齿轮传动的特点。

21．齿轮传动的基本要求。

22．渐开线齿廓啮合的特点。

23．一对渐开线直齿圆柱齿轮正确啮合条件和连续传动条件是什么?

24．简答对齿轮材料的基本要求。

25．什么是传动比?什么是齿数比?有何区别?

26．对于齿面硬度≤350HBS的一对齿轮传动，选取齿面硬度时，那个齿轮的齿面硬度高些?为什么?

27．一对圆柱齿轮传动，大、小齿轮齿面接触应力是否相等?大、小齿轮的接触强度是否相等?在什么条件下两齿轮的接触强度相等?

28．对于闭式软齿面、闭式硬齿面和开式齿轮传动，齿数选得太多或太少，将分别出现什么问题?设计时应分别按什么原则选取？

29．在圆柱齿轮传动设计中，为什么通常取小齿轮的齿宽大于大齿轮齿宽?

30．斜齿与直齿圆柱齿轮传动相比有何特点?螺旋角太大或太小会怎样，为什么一般在8°～20°范围内取值?应按什么原则选取?

31．闭式软齿面齿轮传动中，当d1一定时，如何选择Z1?并详述理由。

32．为什么点蚀主要发生在节线附近齿根面上?

33．斜齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件。

34．蜗杆传动中蜗轮旋转方向的判定。

35．齿轮系的主要功用是什么?

36．什么是定轴轮系?什么是行星轮系？

37．行星齿轮系的组成。

38．连接螺纹既满足ψ<p’；的自锁条件，为什么还要加防松装置?试举出两种常用防松原理的防松装置。

39．螺纹连接有哪几种基本类型?按防松原理螺纹防松的方法可分为哪几类?

40．普通平键的工作面是哪个面?平键连接有哪些失效形式？

41在同一工作条件下，若不改变轴的结构和尺寸，仅将轴的材料由碳钢改为合金钢，为什么只提高了轴的强度而不能提高轴的刚度?

42．什么是轴承的寿命?什么是轴承的额定寿命?

43．63l4轴承代号的含义（轴承类型、精度等级、内径尺寸、直径系列）？

44．简述滚动轴承的失效形式与计算准则。 ．

45．对简支梁与悬臂梁，用圆锥滚子轴承支承，试分析正装与反装对轴系刚度有何影响?。

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