MEMORIAS DEL XXVII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE DE 2021 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
Tema A5 Diseño Mecánico: Diseño de un Vehículo Biplaza Impulsado por Fuerza Motriz Humana
“Diseño de un Vehículo Biplaza Impulsado por Fuerza Motriz Humana”
Samuel Ruiz Avilés, Mario Emigdio Rodríguez Castillo, Luis Manuel Palacios Pineda, Ignacio Ramírez Vargas.
Instituto Tecnologico de Pachuca, Felipe Angeles Km. 84.5, Venta Prieta, Pachuca de Soto, 42083, México.
Dirección de correo electrónico: [email protected].
R E S U M E N
En el desarrollo de este trabajo se presenta el diseño y distribución de los sistemas más importantes para la creación de
un vehículo que es impulsado por Fuerza Motriz Humana. Diseñando así el bastidor, sistema de suspensión y el sistema
de dirección, aunado a esto, se presenta la selección de un sistema de transmisión. El software de diseño asistido por
computadora (CAD-Computer-Aided-Desing) SOLIDWORKS® se empleó en la creación de los diferentes mecanismos y
piezas que conforman los sistemas antes mencionados. para terminar, se presenta la síntesis final de diseño del bastidor
y el análisis de elemento finito, así como también el prototipo.
Palabras Clave: Vehículo Impulsado por Fuerza Motriz Humana, Diseño de sistemas mecánicos.
A B S T R A C T
In the development of this work, the design and distribution of the most important systems for the creation of a vehicle that
is powered by Human Motive Force is presented. The frame, suspension system and steering system were designed in a
conceptual way, coupled with this, the selection of a type of transmission system is presented. The computer-aided design
software (CAD-Computer-Aided-Desing) SOLIDWORKS® was used for the creation of the different mechanisms and
parts that make up the different aforementioned systems, to finish, the design and finite element analysis are presented.
Keywords: Vehicle Powered by Human Motive Force, Mechanical systems design.
1. Introducción
El transporte desempeña un papel primordial en el desarrollo económico y social, es la razón por la cual esta se considera
una necesidad. Sin embargo, la creación de nuevas máquinas
alimentadas por combustibles fósiles, genera daños a la
salud de la humanidad y al cambio climático con la emisión
de GEI (Gases de efecto invernadero) [1].Los vehículos
híbridos propulsados por humanos y por energía eléctrica
presentan el nuevo hito en el ámbito de la Tecnología Verde
[2], por lo que la invención e innovación de medios de
transporte que sean alimentados de manera sustentable,
aportan un beneficio al medio ambiente y a la salud de los
usuarios.
Las ciudades mexicanas padecen serios problemas de contaminación ambiental, y el sector transporte es una de sus
principales causas al contribuir con el 20.4% de la emisión
de GEI, de los cuales el 16.2% proviene del subsector
automotor, en su mayoría, por viajes en transporte individual
motorizado [1], un nuevo informe de Greenpeace Alemania
y East Asia revelo que, de acuerdo con el estudio las
emisiones de GEI de este sector equivalen al 9% del total a
nivel mundial.
Tomando en cuenta las circunstancias de los efectos
climáticos en la actualidad. Existen velocípedos de impulso
motriz humano de cuatro ruedas denominados (Cuadriciclo)
[3], de tres ruedas (Triciclo) [4], y también son creados para uso infantil [5], conviene enfatizar que algunos de los
problemas más comunes son: los costos excesivos y gastos
de importación. No obstante, estos vehículos no presentan
diseños muy estéticos y tampoco un sistema adecuado de
seguridad y confortabilidad. De los primeros resultados fue
incorporar un sistema de pedales para ambos pasajeros. Si
bien se consideró que no siempre habrá dos impulsos, no
siendo esto un condicionante para que pueda ser impulsado
únicamente por el operador. Cabe destacar que, el cuerpo
humano promedio es capaz de generar 1/4 hp pedaleando y,
a este ritmo, puede ser posible un pedaleo continuo por
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períodos cortos, aproximadamente 10 min [6]. Aunado a
esto se demostró que pedalear a la mitad de esta potencia
(1/8 hp) puede mantenerse durante unos 60 minutos [7].
El bastidor de un vehículo se define como aquella estructura
rígida que unifica los sistemas y piezas de un vehículo, tanto
la carrocería como los distintos elementos y grupos
mecánicos que componen un vehículo (elementos del sistema de transmisión, suspensión, dirección, entre otros).
Este componente es el encargado de llevar toda la carga del
vehículo, por consiguiente, el diseño de dicho elemento
puede estar sometido a cambios durante la creación y
distribución de piezas, sistemas y mecanismos. Las
transmisiones de tipo piñón, catarina y cadena son las más
populares en la invención de este tipo de transportes [8],
además promueven el movimiento cardiovascular y la
estimulación de los músculos de las piernas, la finalidad es
poder implementar en las personas una cultura de constante
movimiento. Por tanto, lo primero en el desarrollo de este
tipo de velocípedos, es la selección de un tipo de transmisión que cumpla con los requerimientos necesarios, para que el
operador cuente con plena seguridad al suministrar energía
a este sistema. Cabe resaltar que una máquina eficiente tiene
como función principal la completa sincronización de sus
mecanismos, con la finalidad de aprovechar lo mejor posible
la energía proporcionada. Los componentes principales de
una suspensión son horquillas, resortes, amortiguadores,
rótulas, entre otros. La función principal de la suspensión
automotriz es suspender y absorber todos los movimientos
bruscos que se producen en la carrocería por efecto de las
irregularidades que se presentan en el camino, de esta
manera otorga una marcha suave, estable y segura. Adicional a esto, la suspensión mantiene la altura adecuada,
los neumáticos correctamente alineados y soporta el peso del
velocípedo. De ahí, la importancia de que este sistema
funcione de una manera correcta y cumpla con su función.
El objetivo principal de este artículo, es mostrar un tipo de
diseño y distribución del bastidor, sistema de transmisión,
sistema de suspensión y sistema de dirección para un
vehículo biplaza impulsado por fuerza motriz humana.
Por lo anterior al ser operado por cualquier usuario, aporte
una cultura de constante ejercicio físico, siendo posible
reducir el índice de obesidad adulta e infantil, no obstante,
se pretende que en México se introduzcan de manera notable este tipo de medios de transporte. Cabe resaltar que el uso
constante del velocípedo no solo mejora la estimulación
cardiovascular, incluso pudiera enriquecer la convivencia
familiar, otra ventaja es que genera cero emisiones
contaminantes.
2. Desarrollo
2.1. Metodología de Diseño
Para el desarrollo del prototipo se utilizó la metodología del
libro [9], la cual establece que para la creación de un diseño
es indispensable seguir una estructura de la siguiente
manera: Se comienza por el reconocimiento de una
necesidad, ya establecido el punto anterior, se procede a la
definición del problema, se elabora una síntesis, se
desarrolla un análisis y una optimización, prosigue una
evaluación y por último la presentación del diseño final, no
obstante es importante mencionar que en el presente artículo
solo muestra hasta la etapa de síntesis, debido a que se ha
desarrollado como diseño conceptual, sin embargo se
muestran fotografías del prototipo en proceso de armado. A continuación, se muestra en la Figura 1 el diagrama que
establece el orden a seguir en el diseño mecánico según el
libro [9].
Figura 1 - Etapas de diseño de la Metodología del libro Diseño en
Ingeniería Mecánica de Shigley.
A continuación, se presenta una descripción de cada una de
las etapas de la metodología que fueron utilizadas para el
desarrollo del presente artículo.
2.1.1 Reconocimiento de la Necesidad
Se identificó que una de las necesidades primordiales de la
humanidad es poder llegar de un lugar a otro de manera
eficiente, por lo consiguiente con la creación del prototipo
se da paso a una forma diferente de transporte. El vehículo
que se está proponiendo no genera ningún tipo de emisión
contaminante y aunado a esto existe la reducción de
consumo de combustible, así como también se reducen
algunas cosas como problemas cardiovasculares en las
personas que dan uso constante a la unidad.
2.1.2 Diseño Conceptual
Éste es el primer y más importante paso en la tarea de la
síntesis. Varios esquemas de solución deben proponerse,
investigarse y cuantificarse en términos de medidas
establecidas. A medida que el desarrollo del esquema
progresa se deben realizar análisis para evaluar si el
desempeño del sistema es satisfactorio, y si lo es, cuán bien
se desempeñará. Se empezó con la creación de los prototipos
conceptuales, que solo incluyen diseño sin especificaciones
de material o cuestiones técnicas como se muestra en la
Figura 2.
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Figura 2 – Diseño Conceptual del Primer Bastidor.
2.1.3 Definición del Problema
Se determinó que debe tener características recreativas, para
que se promueva la convivencia entre padres e hijos. Las
limitaciones que se presentan son de vialidad, ya que nuestro
país aún no cuenta con la cultura vial correcta para que este
tipo de vehículos convivan en armonía con los demás transportes motorizados. El vehículo propuesto tiene como
objetivo establecer un espíritu de unidad familiar.
2.1.4 Síntesis
La síntesis, el análisis y la optimización están relacionados
en forma íntima e iterativa. Es posible observar, y debe
destacarse, que el diseño es un proceso iterativo en el cual
se procede a través de varios pasos, se evalúan los resultados
y luego se regresa a una fase previa del procedimiento. En
esta etapa se obtuvieron resultados ya con un ensamblaje y
se buscó perfeccionar de cierta manera el bastidor
2.1.5 Evaluación
Esta etapa representa la prueba final de un diseño exitoso y,
por lo general, implica la prueba del prototipo en el
laboratorio. En este artículo se presenta el diseño completo
del vehículo, se analizaron algunas preguntas como las
siguientes: ¿Es confiable? ¿Competirá exitosamente con
productos similares? ¿Es económica su manufactura y uso?
¿Se mantiene y se calibra con facilidad? ¿Se puede obtener
una ganancia por su venta o uso? ¿Cuán probable es que el producto propicie demandas legales? Actualmente se está
trabajando en esta etapa de la metodología con la creación
del prototipo.
3. Resultados
Para que un vehículo tenga la capacidad de funcionar, es
necesario contar con los siguientes sistemas y componentes:
3.1 Bastidor
Se diseño el Bastidor de tal manera que pudiera unir cada
uno de los sistemas y que también representara seguridad a
los usuarios. En cuestión de peso, se encontró una geometría
que implicó el menor uso de material posible, la propuesta
se presenta en la Figura 3.
Figura 3 – Dibujo del Bastidor Completo.
La siguiente tabla 1 muestra la comparativa entre los
diferentes perfiles que puedieron ser utilizados en el
prototipo del bastidor, cabe mencionar que el uso de cualquiera de estos materiales es conveniente ya que puede
encontrarse en cualquier ciudad del territorio mexicano.
Se propone que el bastidor sea de acero perfil tubular
estructural galvanizado por sus siglas (P.T.R), de (.0381 *
.0381) m y .00189 m de espesor, el tramo de este material
comercial mide 6.10 m, la elección de este material se debe
a su bajo costo, y al ser galvanizado está protegido contra la
oxidación, no obstante, es practico al soldar, ya que permite
ser unido por medio de arco eléctrico, micro alambre, entre
otros.
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Tabla 1 – Comparativa de Perfiles para creación del Bastidor.
Tipo de
Material
Sección
(mm)
Espesor
(mm)
Peso
(Kg/m)
Costo
Aproxi
mado
(6.10m)
Costo
Total
Peso
Total
(Kg)
Acero
P.T.R.
Galvaniza
do
38.1*38.1 1.89 2.18 $500 $1500 25.45
Perfil de
Aluminio
6063
38*38 2 0.816 $1400 $4200 9.95
Perfil
Ornamenta
l de Acero
Inoxidable
T304
38*38 2 1.75 $1200 $3600 21.35
3.1.1 Medidas del Bastidor
Para la determinación de las medidas del bastidor se realizó
una investigación de la antropometría del mexicano
promedio, de acuerdo con el libro [10], la estatura promedio
de un mexicano es de 1.67 m, con la finalidad de obtener un
mejor aprovechamiento en el uso de material y de espacios
se usaron las diferentes medidas que aporta tal estudio en
posición sentado y de pie.
Figura 4 – Medidas Utilizadas en el Bastidor de la Antropometría del
Mexicano Promedio
3.1.2 Análisis Estático de Elemento Finito del Bastidor
El bastidor se sometió a un análisis estático de elemento
finito tetraédrico, aplicando una carga de 980 N,
considerando que estarán sentadas dos personas de 100 kg
en cada uno de los soportes del asiento, tal como se muestra
en Figura 5, donde se utilizaron dos empotramientos fijos indicados con flechas verdes y se obtuvo que el valor
máximo de esfuerzo de 149 MPa, fue en la unión del
bastidor con la horquilla trasera, siendo de 203 MPa la
resistencia a la fluencia del material, y con esto se
complementa la fiabilidad en el uso del diseño de dicho
elemento.
Figura 5 – Análisis Estático de Elemento Finito del Bastidor
3.2 Sistema de Suspensión
Para poder implementar un sistema de suspensión adecuado
se utilizaron dos pares de horquillas en la parte frontal y un
par en la parte trasera, una unión de horquillas,
amortiguadores y sujetadores de amortiguador.
3.2.1 Horquillas
La resistencia de las horquillas es primordial, ya que estas
llevaran una parte del peso del velocípedo, por consiguiente,
estas están fabricadas de un P.T.R. de (0.0254 * 0.0254) m
y .00189 m de espesor, como resultado se obtuvo la
siguiente geometría, cabe mencionar que el diseño cuenta
con 2 modelos, inferior y superior, que tienen la misma
medida, sin embargo, la inferior lleva el soporte del
amortiguador, como se muestra en Figura 7. En la Figura 6
se puede observar la horquilla superior.
Figura 6 – Horquilla Superior.
Figura 7 – Horquilla Inferior.
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El bastidor incluye los sujetadores de las horquillas y
amortiguadores, dicho elemento es el encargado de
minimizar la vibración que generan los caminos irregulares,
se decidió que estos fueran de, 0.330 m de largo, con una
masa de 1 kg aproximadamente y 0.10 m de carrera. Se
presenta dibujo del amortiguador ensamblado en la Figura
8.
Figura 8 – Suspensión Delantera.
3.2.2 Horquilla Trasera
Para el diseño de la suspensión trasera se llevó a cabo un
análisis de elemento finito para determinar si las horquillas
soportarían el esfuerzo generado por el peso de los usuarios
y el vehículo, lo cual dio la siguiente geometría en la Figura
9.
Figura 9 –Horquilla trasera
3.2.3 Análisis de Elemento Finito de Horquilla Frontal
y trasera
Para el análisis de elemento finito se tomó en cuenta que el
peso está repartido en 4 puntos, combinando pasajeros-
vehículo es de 250 kg, como resultado de este, se obtuvo una
fuerza de 2450N, en ese tenor la fuerza que estaría
soportando cada juego de horquillas es de 612.5N, tal como
se muestra en la Figura 10, donde podemos observar que el
valor máximo de esfuerzo es de 166 MPa y esto deja un
factor de seguridad de 1.2.
Figura 10 – Análisis de elemento Finito de la Horquilla Frontal
En el análisis de la horquilla trasera se demostró que el
diseño cumple con lo requerido para su correcta operación,
se obtuvo un esfuerzo máximo de 142MPa, donde el límite
de esfuerzo de cedencia del material es de 203 MPa.
Figura 11 – Análisis de elemento Finito de la Horquilla trasera
A continuación, se muestra el ensamblaje completo de la
suspensión frontal y trasera en el bastidor.
Figura 12 – Sistema de Suspensión Trasero Completo.
3.4 Sistema de Dirección
Existen muchos tipos de sistemas de dirección y uno de los
más populares en la creación de este tipo de transportes es el
de mecanismo de 4 barras, sin embargo, se encontró que hay
un tipo de dirección mecánica que es posible adaptar al
bastidor, y por consiguiente también resulta ser más
eficiente, si bien el usar una dirección tipo piñón – cremallera, aporta estabilidad, fiabilidad y seguridad de
operación. Dicho sistema está compuesto de una caja de
dirección con diámetro de entrada del eje de 0.021 m, una
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distancia entre agujeros de montaje de 0.215 m, la
cremallera tiene una longitud de 0.462 m y una longitud de
rosca de 0.033 m, tal como se muestra en Figura 13 y en la
Figura 14 se indica el sistema de dirección completo.
Figura 13 – Sistema de Dirección Piñón-Cremallera con bieletas.
Figura 14 – Sistema de Dirección Piñón-Cremallera.
3.4.1 Análisis de Cálculo de radio Máximo de giro del
sistema de dirección de tipo Ackerman.
En este análisis, se calculó el radio máximo de giro efectivo
que tendrá el vehículo, es importante que el sistema cumpla
con la condición geométrica conocida como principio de
ackerman, esto con la finalidad de que, al girar en una curva,
esté no gire con respecto a un mismo punto, sino que sean
independientes para evitar el sobreviraje o subviraje.
En la Figura 15, se muestra que el radio máximo de giro del
vehículo es de 2.89 m en la rueda delantera exterior y de
0.311 m en la rueda interior, teniendo en cuenta los siguientes ángulos, con respecto al punto de rotación de las
ruedas traseras, 40.46 grados en la rueda interior y 26.83
grados en la exterior.
Figura 15 – Análisis de Radio Máximo de giro.
3.5 Sistema de Transmisión
Como ya se había comentado anteriormente el sistema tipo
catarina-piñón es el más utilizado y también el más
económico, además presenta un alto rendimiento y también
un bajo índice de fallas, de lo antes mencionado se determinó que el uso de una transmisión que sea (1*6) es lo
más conveniente ya que la relación seria de, un plato de 48
dientes y 0.197 m de diámetro, mostrado en la Figura 16, a
un piñón trasero de 6 velocidades con un plato de diámetro
máximo de 0.115 m, mostrado en la Figura 17.
Figura 16 – Catarina de 48 dientes (0.198m) y manivela
Figura 17 – Piñón de 6 velocidades.
Con la unión de los dos componentes, un desviador y la
cadena se formó la transmisión, tal como se muestra en la
Figura 18, donde se aprecian en paralelo, cada una de las
transmisiones son totalmente independientes y proporcionan energía a cada una de las ruedas traseras del vehículo.
Figura 18 – Ensamblaje de la Trasmisión Paralela.
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En la siguiente imagen se ensamblaron todos los
subsistemas antes mencionados de forma individual y se
incluye el sistema de frenos mecánicos de caliper con discos.
Figura 19 – Prototipo del Sistema de Dirección Montado en el
Bastidor.
Se seleccionaron elementos como llantas traseras rodada 26
y las delanteras, rodada 24, faros, batería de 12v, refacción,
mostrados en la figura 22, conviene resaltar que ambas
ruedas delanteras cuentan con un buje dinamo que alimenta
la batería de forma sustentable, sin necesidad de ser
enchufado a una toma de corriente eléctrica, también un tipo de asientos ergonómicos que facilitan el movimiento al
utilizar el carro, el armado total del vehículo se muestra en
las figuras 20 y 21.
Es importante denotar que todo el procedimiento en la
creación de dicho diseño fue en el programa de CAD
SOLIDWORKS®, incluyendo los análisis de elemento
finito antes mostrados.
Figura 20 – Ensamblaje Completo del Vehículo.
Figura 20 – Vista trasera del ensamblaje completo del vehículo.
Figura 21 – Vista isométrica del ensamblaje completo del vehículo.
Figura 22- Prototipo.
Es de suma importancia que el velocípedo sea operado con
casco, guantes e incluso lentes o goggles, se recomienda que
el uso del vehículo sea en fraccionamientos privados, áreas
recreativas y en zonas de poca circulación vehicular como
pueblos o circuitos de parques de convivencia.
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Tabla 2 –Tabla de costos de Materiales y componentes seleccionados
Tabla 3 –Tabla de peso de Materiales y componentes seleccionados
para la construcción del prototipo
Conclusiones
1. Se diseñó el bastidor, suspensión delantera,
suspensión trasera, dirección y sus soportes
respectivos, utilizando el programa de CAD
SOLIDWORKS® y análisis de elemento finito.
2. Se seleccionaron los elementos: llantas, frenos,
asientos, faros, batería, parabrisas.
No.
Cantidad Descripción Costo P/U Costo Total
1 4 Tramos de 6
metros $ 500.0 $ 2,000.0
2 2 Rines y llantas de bicicleta rodada
26 $ 590.0 $ 1080.0
3 2 Rines y llantas de Bicicleta rodada
24 $ 590.0 $ 1080.0
4 2 Desviadores
Traseros $ 200.0 $ 400.0
5 1 Juego de Gatillos
para frenos $ 400.0 $ 400.0
6 2 Frenos de Disco
para Bicicleta $ 300.0 $ 600.0
7 2 Caliper para
frenos de disco $ 200.0 $ 400.0
8 2 Sprocket de llanta
trasero de 7 Velocidades
$ 200.0 $ 400.0
9 1
Sistema de Dirección
Automotriz Mecánica
$ 2,000.0 $ 2,000.0
10 1 Volante $ 1,000.0 $ 1,000.0
11 2 Lonas $ 250.0 $ 500.0
12 2 Faros $ 300.0 $ 600.0
13 2 Pares de Pedales
para Bicicleta $ 200.0 $ 400.0
14 2 Mono platos de
48 dientes $ 150.0 $ 300.0
15 4 Amortiguadores de Motocicleta
$ 300.0 $ 1,200.0
16 50 Tornillos de 2 y 3 pulgadas * 3/8 y
7/16 $ 8.0 $ 400.0
17 1 Tramo de Solera
de 2 pulgadas $ 250.0 $ 250.0
18 2 Ejes de centro para bicicleta
$ 200.0 $ 400.0
19 2 Asientos $ 500.0 $ 1,000.0
20 4 Chumaceras de
3/4 $ 100.0 $ 400.0
21 1 2 Mts de Col Roll
de 3/4 $ 150.0 $ 150.0
22 1 Parabrisas de
Acrílico $ 750.0 $ 750.0
No. Cantidad Descripción Peso Unitario
(Kg) Peso
Total (Kg)
1 1 Bastidor 25.4 25.4
2 2 Rines y llantas
de bicicleta rodada 26 0.5 1
3 2 Rines y llantas
de Bicicleta rodada 24 0.5 1
6 2 Desviadores
Traseros 0.1 0.2
7 1 Juego de
Gatillos para frenos 0.1 0.1
8 2 Frenos de Disco
para Bicicleta 0.05 0.1
9 2 caliper para
frenos de disco 0.1 0.2
10 2 Sprocket de
llanta trasero de 7 Velocidades 0.1 0.2
11 1
Sistema de Dirección
Automotriz Mecánica 2.5 2.5
12 1 Volante 0.2 0.2
13 2 Lonas 1 2
14 2 Faros 0.5 1
15 2 Pares de
Pedales para Bicicleta 0.1 0.2
16 2 Mono platos de
48 dientes 0.5 1
17 4 Amortiguadores de Motocicleta
1.5 6
18 50 Tornillos de 2 y
3 pulgadas * 3/8 y 7/16 0.02 1
19 2 Ejes de centro para bicicleta 0.1 0.2
20 2 Asientos 2 4
21 4 Chumaceras de
3/4 0.2 0.8
22 1 2 Mts de Col Roll de 3/4 0.2 0.2
23 1 Parabrisas de
Acrílico 1 1
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3. Se construyó el prototipo y su manejo es suave, el
impulso es ligero, su masa total es de 55 Kg y sus
dimensiones son 1.2m de ancho por 1.5m de largo.
4. El costo de materiales y elementos seleccionados
fue de $ 15,910.00 pesos mexicanos
5. La importancia de crear este tipo de transporte tiene
muchos beneficios para las personas y destacan:
ejercicio físico contribuyendo a la estimulación
cardiovascular, reducción de obesidad y estrés, así
como para el medio ambiente, el contribuir a
reducir los gases de efecto invernadero cada vez
que se utiliza este tipo de transporte.
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