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Boîte de vitesses F1

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Boîte de vitesses    
   

Boîte de vitesses

La transmission permet de faire la liaison directe entre le moteur et les roues motrices. Il se situe juste derrière le moteur. L'ensemble transmission Boite et cardans joue un rôle de structure important dans le comportement dynamique de la voiture car il supporte dans la plus part des modèles tout le système de suspension arrière, et l'aileron arrière.

1 Boite de vitesses .
2 entretoise en carbone.
3 Suspension avec amortisseur verticaux.
4 Barre de torsion.
5 Dique carbone acollé à la boîte
6 Structure déformable en carbone supportant l'aileron arrière.
7 Freins

Boîte de vitesses

Il existe différentes structures de boites de vitesses mais celle retenue pour la Formule 1 est la boite de vitesse longitudinale car facilement intégrable au châssis arrière.

La boite de transmission est réalisée avec des matériaux "exotiques", qui sont usinés en commandes numériques, la dernière innovation ayant été réalisé par CRP à Modène pour Minardi en titane. Preuve que ce matériau est efficace, Ferrari l'a adopté en 2002. L'ensemble de la boite de vitesses doit être lubrifié car elle subie de fortes frictions et à 150°C les propriétés de matériaux se dégradent.

Les forces centrifuges dues aux mouvements des roues dentées ne facilitent pas l'extraction de l'huile nécessaire au bon fonctionnement du système. La quantité d'huile est d'environ 1,5 litres pour qu'elle se répande bien et à cause des mouvements internes à une pression de 0,2 Mpa. La pression engendre quelques problèmes aux servo-valves en obstruant leur capteur. On utilise alors des huiles peu visqueuses mais supportant de fortes contraintes de cisaillement, huile étant très difficile à mettre au point, car les deux propriétés, viscosité et cisaillement sont étroitement liés.

Tout savoir sur la mécanique de trasmission

La transmission d’une Formule 1

La Ferrari 640 fut, en 1989, la première F1 à être équipée d'un dispositif électro-hydraulique permettant, grâce à une boîte séquentielle, de passer les vitesses sans débrayer, à l'aide de deux manettes au volant. Ce système est aujourd'hui généralisé. Étudions-la de plus près.

Boîte et trasmission McLaren

La transmission est directement fixée derrière le moteur et fait passer les 800CV aux roues arrières et influe sur la répartition des masses, donc sur la manœuvrabilité de la voiture. Son positionnement affecte aussi le rendement aérodynamique de la partie inférieure du châssis : le diffuseur. Chaque écurie construit sa propre boîte de vitesses, seule ou en collaboration avec des sociétés telle que X-Trac.

Un moteur de compétition possède une plage optimale de performance relativement étroite. Ses régimes de puissance et de couple maximal sont assez rapprochés tandis que sa courbe de puissance est pointue. Et ce, même si la tendance est à l'augmentation de la souplesse, de façon à le rendre plus utilisable. Donc, plus la boîte dispose de rapports, plus le moteur pourra travailler dans sa plage de puissance maximale. Dans certains cas, l'utilisation d'une boîte à 7 rapports permettra de disposer des rapports 6 et 7 de façon très rapprochés. Cela est particulièrement utile à Monza pour rester calé sur le régime de puissance maximale aussi bien avec un vent de dos sur la ligne droite des stands, qu’avec un vent de face sur celle conduisant à la Parabolique.

Boîte de vitesses Honda F1


Les pignons de boîte qui déterminent la longueur des rapports ne peuvent être utilisés que pour une seule course et sont remplacés plusieurs fois par week-end pour prévenir les pannes. Ils sont facilement interchangeables car la direction du vent peut amener à devoir rallonger ou raccourcir la boîte très rapidement avant une course ou une séance d'essais. Les mécaniciens mettent environ 40 minutes pour effectuer l'opération. L'huile utilisée dans la boîte de vitesse offre de très hautes performances. Elle doit être efficace à 125°C et en théorie, deux pièces de métal ne se touchent jamais.

- Disposition

Depuis l'embrayage, on trouve l'arbre de transmission en entrée où sont fixés en permanence sept rapports. Ils pilotent les six rapports correspondant sur l'arbre de sortie. Les rapports de l'arbre de sortie ne sont pas fixés sur celui-ci mais sont montés libres sur des paliers. Pour verrouiller un engrenage de sortie sur l'arbre de transmission et ainsi engager le rapport, une roue dentée est glissée par une fourchette et s'engage alors dans des rainures usinées dans l'engrenage lui-même. Ces dents sont appelées 'dogs'. Une fois le rapport engagé, l'arbre de sortie se mettra à tourner et transmettra le mouvement au différentiel. Bien évidemment, le mouvement doit dépasser 90° et donc les engrenages sont chanfreinés. Juste après, un réducteur à engrenages cylindriques sert à autoriser plus de liberté dans le positionnement du différentiel (désalignements) et permet aux rapports de tourner plus près du régime moteur. Ce principe permet les forts coefficients de réduction nécessaires au fonctionnement des moteurs tournants à des régimes supérieurs à 18000 tours/mn et ce sans accroître la taille des engrenages. La lubrification est fournie par des pompes de type Gerotor qui sont emmenées par l'arbre de transmission d'entrée.

- L’embrayage

Le moteur est relié directement à l'embrayage en fibre de carbone, fixé entre le moteur et la boîte de vitesses. L'embrayage est contrôlé électro-hydrauliquement et peut peser moins de 1,5 kg. Deux manufacturiers, AP Racing et Sachs, produisent ces transmissions en carbone qui sont capables de tolérer des températures de plus de 500°C.

Le design et le poids optimisés de l'embrayage permettent d'avoir une inertie moindre afin d'obtenir des changements de vitesses plus rapides. Les pilotes n'utilisent plus l'embrayage manuellement par une pédale avant de passer une vitesse : en pressant simplement un petit levier derrière le volant, l'ordinateur coupe automatiquement le moteur, desserre l'embrayage et change de vitesse en un clin d'œil. L’embrayage d’une F1 ne fait que 100 mm de diamètre.

L’embrayage d’une Formule 1 transmet la puissance par frottement. Aujourd'hui, les embrayages sont extrêmement petits. Celui de la Ferrari fait 110 mm de diamètre. L'embrayage Sachs est constitué d'une cage en titane et de multiples disques renforcés à la fibre de carbone (le même matériaux que les freins et les garnitures).

Les disques en mouvement ont juste 97 mm de diamètre. La masse de l'ensemble n'excède pas 830 grammes. La dernière génération d'embrayage de Formule 1 est actionnée par traction plutôt que par poussée. Ceci permet un gain de masse en supprimant une pièce intermédiaire.

- Les engrenages

Les engrenages utilisés en entrée sont des engrenages droits et ceux en sortie sont des engrenages biseautés. La principale raison est que c'est la configuration la plus efficace pour transmettre la puissance. Les frottements excessifs dus aux efforts axiaux générés par des rapports hélicoïdaux sont alors supprimés.

Les dentures des pignons sont de formes évolutives. Ceci assure un bon contact dent à dent qui garanti une vitesse constante des pignons quand l'angle entre les dents changent. Les caractéristiques matériaux requises pour de tels engrenages sont bien entendu une haute résistance, une très grande raideur, de la dureté et une bonne tenue en fatigue.

La variété la plus utilisée est une variété traitée thermiquement du SAE 4340 nickel-chrome-molybdène-acier souvent appelé 300M. Les arbres de transmission sont également très souvent fabriqués avec ce matériau. On trouve également dans certaine boîtes de vitesses de nouvelle génération d’engrenages en alliage de titane.

- Les paliers

Les engrenages droits ne créent pas de force axiale au cours de leur fonctionnement, donc l'arbre d'entrée n'a besoin que d'un guidage radial parfait. Ceci est obtenu en mettant en place des paliers de type roulements cylindriques.

Le guidage de l'arbre de sortie est beaucoup plus complexe car il doit accepter de grandes poussées axiales dues aux efforts transférés par les pignons biseautés. Généralement une double ligne de roulements à billes à contact angulaire est montée près des engrenages biseautés, ce qui permet d'absorber l'effort axial.

Un roulement cylindrique monté flottant à l'autre extrémité fournit un appui radial. Le principal soucis de ces assemblages est la gestion des jeux de fonctionnement qui peuvent apparaître lorsque la température augmente. Des systèmes de rattrapage de jeu sont alors prévu dans les paliers sinon ceci pourrait les endommager et c'est pourquoi les boîtes de vitesses des Formule 1 sont préchauffées avant utilisation.

Une solution à ce problème a été résolu par la société allemande Cerobear : cette solution utilise des paliers hybrides avec des bords sur le guide extérieur. Ainsi, le guide externe du palier est vissé sur le carter de la boîte de vitesses. Ceci fournit une position fixe au palier qui peut alors se passer du système de rattrapage de jeu.

Ces paliers sont considérés comme hybride parce qu'ils utilisent des billes en céramique de silicone et des cages en PEEK (poly-ether-ether-ketone) allié à un acier conventionnel. Ce type de palier est également utilisé en Formule 1 pour les moyeux de roues. Un autre avantage de ces nouveaux paliers hybrides est qu'ils opèrent sans lubrification directe. La brume d'huile créée par la rotation des engrenages suffit à les lubrifier et ceci permet d’économiser une masse d’huile non négligeable.

- La boîte de vitesses

Moteur/Boîte Ferrari

Le règlement veut que les monoplaces aient de 4 à 7 vitesses avant, et une arrière. La plupart ont 6 vitesses avant, bien que de plus en plus penchent vers sept. Sept vitesses sont utilisées lorsque le moteur a une étroite plage d'utilisation et pour avoir plus de vitesses permettant au moteur de travailler dans les meilleurs régimes.

La boîte de vitesses est attachée derrière le moteur par 4 ou 6 rivets. La suspension arrière est directement rattachée à la boîte de vitesses afin de porter le plus de poids vers l'arrière. De ce fait, la boîte de vitesses doit être très solide, et est faite en magnésium pressé. En 1998, Stewart et Arrows produisirent des boîtes en fibre de carbone.

Cela permettait de réduire le poids de l'ensemble, mais n'était pas très fiable, notamment à cause de la chaleur. Ferrari et Minardi expérimentent à partir de 2002 des boîtes de vitesse en Titane. Les engrenages ou ratios ne sont utilisés que pour une course, et sont souvent changés durant le week-end pour éviter les pannes car ils sont soumis à de fortes pressions.

Le réglage de ces ratios est une part importante du set-up de la voiture pour une course. Il est différent pour chaque circuit. Le dernier ratio (sixième ou septième vitesse) est réglé de manière à obtenir une vitesse maximum en fin de ligne droite. En course, ce dernier est réglé de manière à ce qu'il reste quelques "tours" pour avoir une vitesse de pointe supérieure dans l'aspiration d'un autre pilote.

Le premier ratio est ajusté de manière à avoir la meilleure accélération possible après un virage ou un départ. Les autres ratios sont réglés pour être répartis également entre les deux prédéterminés.

La boîte de vitesse d’une F1 est séquentielle, c'est-à-dire équipée de pignons à denture droite et de crabots (ou clabots : dent d’un embrayage pour accoupler deux pièces mécaniques par saillies et rainures), commandée par un barillet, comme sur une moto ou un super kart.

La prouesse technique réside dans la gestion informatisée de l'ordre de changement donné par le pilote. Sous l'action de l'une des palettes fixées derrière le volant, un dispositif électro-pneumatique (ou électro-hydraulique) fait tourner le barillet pour monter ou descendre un rapport.

La rapidité du changement résulte de la gestion du régime moteur par le calculateur de bord, alors que le pilote garde l'accélérateur enfoncé (montée d'un rapport) ou relâché (rétrogradation). Pour être instantané et sans à-coup, la séparation des crabots ne peut se faire qu'en l'absence de couple, et leur enclenchement doit s'effectuer à la bonne vitesse de rotation.

On obtient cela en jouant sur le régime du moteur. A la réception de l'ordre de passage du 2e au 3e rapport par exemple, le calculateur de bord analyse le régime moteur courant, la vitesse de la voiture et le rapport enclenché pour déterminer le régime idéal à atteindre. Alors, il ralentit la rotation du moteur en réduisant l'injection et en coupant l'allumage sur un certain nombre de cylindres. Une fois le rapport enclenché, il réactive progressivement l'injection et l'allumage des cylindres " éteints " pour minimiser les à-coups.

Pour rétrograder, c'est l'inverse : à la réception de l'ordre, le calculateur agit sur l'avance, les injecteurs, et ouvre les papillons pour augmenter le régime moteur à la valeur "ciblée" (coup de gaz) afin de craboter à la bonne vitesse. En situation extrême, cette gestion de l'électronique embarquée rend en outre impossible le moindre sur-régime autrefois fatal aux mécaniques.

Toutes ces opérations ne prennent au total que quelques centièmes de seconde, ce qui est capital quand on sait que dès qu'on relâche l'accélérateur, une F1 à haute vitesse subit un freinage aérodynamique de près de 1G (on appréciera le gain par rapport à la relative lenteur d'une commande manuelle).

De plus, le processus se déroule en douceur, ce qui autorise à changer de rapport en plein virage. En complément, le pilote dispose même d'un bouton (parfois deux) sur le volant pour passer directement d'un rapport quelconque à un autre, préprogrammé, qui lui évite de compter le nombre d'impulsions à donner au basculeur de gauche pour descendre par exemple du 6ème au 2ème rapport.
5.6 - Paramétrage de la boîte de vitesses

Que la boîte soit semi-automatique ou manuelle, son paramétrage se fait toujours dans le même ordre: d'abord le rapport final, ensuite le premier rapport, et enfin les intermédiaires.

Le rapport final permet à la voiture d'atteindre sa vitesse maximale. Son choix dépend de la charge aérodynamique adoptée, donc de la traînée, et de la topographie de la plus grande ligne droite du circuit. Si elle est très longue, il doit permettre d'accéder rapidement à la vitesse de pointe, puis de la maintenir avec le moteur au régime de puissance maximal.

Si elle est plus courte, il vise à obtenir une accélération maximale pour atteindre la plus grande vitesse possible de bout en bout, sans dépasser le régime maximal. Il est bien évident que le rapport final permettant d'atteindre 280 km/h, à 100 mètres avant d’atteindre la chicane du port à Monaco sera différent de celui qui permet, à Barcelone, d'être au-delà des 300 km/h au bout de la plus longue ligne droite du championnat.

En F1, les équipes disposent de logiciels leur permettant de définir à l'usine les rapports de boîte pour une piste donnée. Ces outils tiennent compte de la topographie du circuit qu'ils couplent avec les appuis prédéterminés et les performances du moteur. Le but est de faire travailler ce dernier dans sa plage la plus favorable.

Hormis quelques exceptions, le premier rapport sert exclusivement au démarrage. Pour cela, il doit être choisi en fonction de l'éventuelle pente de la piste dans la zone du départ et de la quantité de carburant embarqué en fonction de la stratégie de course.

Avec une première trop courte, le pilote risque de faire patiner ses roues motrices, tandis qu'il pourra, si elle est trop longue, caler à la moindre hésitation dans sa manœuvre d'embrayage. En dehors du départ, rares sont les occasions de " tomber " tous les rapports. L'épingle du Loews ou la Rascasse, à Monaco, peuvent en faire partie.

Passer la première donne un frein moteur qui contribue à la stabilité. En revanche, au point de corde, lorsque le pilote remettra les gaz, il aura plus de mal à contrôler le patinage de ses roues arrière. C'est la raison pour laquelle certains doivent composer : entrée en première, passage de la deuxième pour la réaccélération. De cette façon, bien qu'un peu bas sur la vitesse, ils gagnent nettement en motricité, et prennent moins de risques.

Les autres rapports sont alors étagés pour que le moteur puisse toujours évoluer entre le régime du couple maximal et celui auquel intervient le limiteur de vitesse(pour l’entrée aux puits). Toutefois, pour garder une capacité d'accélération confortable en toute circonstance, l'étagement des plus hauts rapports est resserré.

L'inconvénient d'avoir les premières vitesses un peu plus espacées est compensé par leur plus grande démultiplication, donc par leur capacité à monter rapidement en régime. A ce stade intervient la topographie du circuit. A l'époque des leviers de vitesses, le pilote évitait de s'en servir en virage pour garder les mains sur le volant et parce que le moindre à-coup dans la transmission aurait déstabilisé le train arrière.

Avec la douceur relative des boîtes semi-automatiques, le problème est moins crucial. Cependant, beaucoup de pilotes s'abstiennent de manipuler les palettes de commande en plein appui, surtout avec un volant fortement braqué. Ils préfèrent exploiter la souplesse du moteur, ce qui leur permet de descendre en dessous du couple maximal, et de mieux transférer la puissance vers le sol lorsqu'ils réaccélèrent avant la sortie du virage.

Coupe boîte de vitesses

- Le carter de boîte de vitesses

Le carter de boîte de vitesses possède une double fonction. Premièrement, il doit permettre de positionner les différents éléments de la boîte de vitesses afin de garantir son parfait fonctionnement. Deuxièmement, il doit être très rigide en torsion et en flexion car c'est une partie intégrante du châssis et il doit encaisser les efforts aérodynamiques et de la suspension.

Toutes ces fonctions doivent être opérationnelles à haute température, c'est à dire à plus de 100°C. Le magnésium est un matériau très utilisé ces dernières années à cause de sa faible densité et de ses très bonnes propriétés de fonderie. Cependant ses propriétés mécaniques sont beaucoup moins bonnes que celles de l’aluminium.

 L'aluminium est de loin un meilleur matériau que le magnésium de part sa rigidité, particulièrement pour les carters longitudinaux très étroits utilisés aujourd'hui en Formule 1. Hélas, la maîtrise de la fonderie de l'aluminium ne permettait pas jusqu'à présent de réaliser des séparations très fines dans le carter, ce qui est indispensable pour la réalisation d'un carter efficace. 

Ceci a changé en 1993 lorsque Sauber et Tyrrell exploitèrent de nouveaux procédés de fonderie pour fabriquer de fines parois en aluminium. En terme de performance à haute température, les matériaux composites et en titane sont bien plus attractifs pour cette application. Avec l'avènement des composites carbone-epoxy à haute température, les pièces en composite peuvent opérer à très haute température sans s'altérer et les faibles coefficients de dilatation sont appréciables. 

Le Titane quant à lui, est très stable à haute température mais il est difficile à manier en fonderie et très difficile à souder. Ferrari a commencé à innover avec ces deux matériaux. En utilisant des feuilles de titane soudées par TIG et des éléments usinés, John Barnard avait réussi à créer des carter très rigides et légers. Il utilisait également dans la partie arrière des pièces moulées en fibres de carbone (CFRP).

Mais des problèmes apparurent au niveau de la jonction des deux ensembles en titane et en CFRP. Cette jointure se trouvait dans un plan vertical et causait une réduction de la rigidité en torsion de la boîte de vitesses. Des modifications avaient été apportées pour faire cette jonction dans un plan incliné et alors la boîte de vitesses hybride CFRP/Titane fût un succès et permit à Ferrari de reconquérir les titres de champion du monde des pilotes et des constructeurs. 

Une autre technologie utilisée actuellement en Formule 1 est la boîte entièrement en Titane coulée (seuls Ferrari et Minardi l'utilisent). Ce type de boîte n'existerait pas sans la technologie stereo-lithographique qui permet de faire des pièces prototypes de formes très complexes avec une rapidité déconcertante. La boîte de vitesses utilisée par Arrows en 2002 est entièrement en fibre de carbone pour ce qui concerne le carter, mais les éléments sont en titane.

- Le différentiel

Le règlement en F1 stipule que la transmission de la puissance du moteur doit se faire sur deux roues motrices au minimum, mais quatre sont interdites. Les dispositifs semi-automatiques sont autorisés mais l'ABS et les systèmes de contrôle de la traction (anti-patinage) sont interdits (cette dernière sera à nouveau permise au Grand Prix de Barcelone 2001).


Les voitures de course, sont équipées d'un différentiel autobloquant à glissement limité. Comme le différentiel classique, celui-ci communique le couple aux roues motrices en considérant le fait que dans un virage, elles ne tournent pas à la même vitesse. Contrairement au dispositif monté sur une voiture de tourisme, qui a le défaut de faire passer la puissance par la roue la moins adhérente, l'autobloquant rétablit la motricité en limitant la différence de rotation entre les deux roues par le biais d'un dispositif à disques à friction ou à visco-coupleur.

Le différentiel à glissement limité permet également de maximiser la traction en sortie de virage. Un différentiel ouvert délivre théoriquement un couple égal à toutes les roues, alors qu'un différentiel à glissement limité utilise la friction pour répartir le couple entre les roues : plus il y a de friction détectée sur les engrenages d'une roue, plus le couple est répartit sur elle. Des dispositifs électro-hydrauliques sont utilisés en F1 pour répartir l'action du couple sur les roues arrières.

En compétition, le différentiel est réglable selon plusieurs lois de glissement pour tenir compte des différentes topographies de virages à négocier, mais aussi des problèmes de motricité évoluant avec l'usure des pneumatiques et la masse du véhicule (carburant restant). La difficulté est de trouver un compromis de réglage convenant pour toute la durée de la course et tous les virages du circuit.

C'est pour cela que certains ingénieurs ont mis au point un différentiel à commande électro-hydraulique : en mesurant, à l'aide de capteurs, la différence de vitesse entre les deux roues motrices, le calculateur de bord déduit la pression à appliquer sur le système de couplage pour que la roue délestée ne prenne pas toute la puissance. Cette technologie permet d'implémenter différentes courbes de réponses, commutables. Attention : bien qu'il améliore la motricité, un différentiel autobloquant n'a pas la même efficacité que l'anti-patinage.

- Le rapport de vitesse

Un rapport de vitesse est le quotient du nombre de dents de 2 pignons de la boîte de vitesse. Le rapport de sixième est généralement proche de 1 (qui peut être 62/64, 71/72, ou 46/48 par exemple). Le rapport de première est le plus petit ou le plus court. Le rapport de sixième est le plus long. On allonge un rapport en augmentant sa valeur, on le raccourcit en la diminuant. Le calcul se fait comme suit:

Nombre de dents du pignon de l'arbre primaire
Nombre de dents du pignon de l'arbre secondaire

Aujourd'hui les Formule 1 utilisent une boîte de vitesses semi-automatique en titane à 7 rapports contrairement aux 6 rapports utilisés jusqu'en 2005. Le moteur V8 n'a pas autant de couple que le V10 c'est pourquoi la boîte 7 rapports permet à l'équipe d'exploiter le moteur de façon optimale.

 Boîte de vitesse de type' Seamless'

2007 marque la généralisation de la boîte de vitesses à changements de rapports instantanés dite "seamless", sans perte de couple. Explications.

Une boîte de Formule 1 doit répondre aux exigences suivantes : rigidité maximale pour un poids minimal et un centre de gravité abaissé, faible encombrement et temps de passage des rapports ultracourts. La BMW F1.07 est dotée d'une boîte à sept rapports. L'arbre principal et l'arbre secondaire de la boîte sont disposés dans le sens longitudinal. Le rapport supérieur passe sans aucune rupture de charge sur l'essieu arrière.

Sur une boîte de Formule 1 conventionnelle, le passage des rapports s'accompagne d'une rupture de charge d'environ 50 millisecondes due à l'embrayage. En d'autres termes : pendant ce laps de temps, la voiture n'est pas propulsée, mais continue sur sa lancée.

L'air opposant toutefois une résistance élevée surtout à grande vitesse, la voiture est freinée avec une force d'environ 1 g lors de la rupture de charge. Ce qui correspond à un freinage énergique sur une voiture particulière.

Sur la distance d'une course, ces moments de rupture de charge à chaque fois que le pilote engage un rapport supérieur, opération qui se répète environ 2000 fois du départ jusqu'à l'arrivée du Grand Prix de Monaco par exemple, représentent un laps de temps non négligeable correspondant à plusieurs centaines de mètres. Avec la nouvelle boîte de vitesses rapide, la BMW F1.07 ne souffre plus d'aucune rupture de charge. L'interaction raffinée entre composants mécaniques et électroniques a permis de les supprimer entièrement.

La boîte de vitesses rapide de BMW, développée et construite à Munich, est composée de pignons en acier haute résistance. Le carter de boîte est en titane coulé.

Convertir le couple et le régime du moteur n'est qu'une des tâches de la boîte de vitesses. Elle doit aussi être à même de transmettre les efforts introduits au niveau des suspensions au châssis, via le moteur.

Dernière mise à jour : ( 17-04-2007 )

 

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Le lundi 23 avril 2007 à 12h42 dans Technologies f1
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