机械原理实验指导书(2013)(删减).doc

机械原理实验指导书

梧州学院机械基础教研室编

前 言
一、 实验课目的
本课程实验课目的在于：验证、巩固和加深课堂讲授的基本理论，加强理论联系实际及独立工作能力的培养；掌握一些最基本的机械实验方法、测量技能及用实验法来测定一些机械参数的能力；以及培养学生踏实细致、严肃认真的科学作风。因此，实验课是一个不可缺少的重要环节，每个学生必须认真对待，在课前进行预习，在课后分析试验结果，写成正规的实验报告。实验课为评定学生成绩的一部分。
二、 实验前的准备工作
为了保证实验顺利进行，要求在实验前做好准备工作，教师在实验前要进行检查和提问，如发现有不合格者，提出批评，甚至停止实验的进行，实验准备工作包括：
1.预习好实验指导书：明确实验的目的及要求；搞懂实验的原理；了解实验进行的步骤及主要事项，做到心中有底。
2.准备好实验指导书中规定自带的工具、纸张、实验数据记录表格。
三、 遵守实验室的规章制度
1.实验前必须了解实验设备、仪器的使用性能、操作规程及使用须知，严格遵守仪器、设备的操作规程，注意安全。，精心操作设备、仪器。对于仪表、设备、工具的性能有不了解之处，应及时询问指导教师，对于非指定使用的设备、工具不得乱动乱用。
2．实验出现故障时，应立即报告指导教师，以便查明原因，妥善处理。
3.爱护公共财物，不得将实验室工具、仪表等带出实验室，如有损坏、遗失公共财物，视情节应给予赔偿。
4.在实验室严守纪律，不得高声谈笑，保持室内整洁。
5．设备用毕，及时切断电源。设备仪器放回原处并整理清洁,经教师同意后才得离开。
四、 实验报告
实验报告是对实验所有数据、现象进行整理，分析得出一定结论与看法的书面文件。学生在实验后必须按照要求，整理并分析处理所的结果，写成正规的实验报告。为了写好实验报告，提出以下几点：
1.实验结果记录应经实验指导教师过目签字，并随实验报告一起交上。
2.报告中的结果分析及讨论应力求具体，应针对试验具体情况，防止不切实际的空谈。
3.实验报告要求每人一份,应在实验完毕后一星期内，由课代表汇集交老师。

梧州学院机械基础实验中心
二O一三年二月

目录

实验一 机构认知实验 4
实验二 机构运动简图绘制与分析实验 6
实验三 齿轮参数测定实验 11
实验四 齿轮范成实验 16
实验五 平面机构运动创新设计实验 21

实验一 机构认知实验
机器和仪器都是由机构组成的，其中具有确定运动的各工作构件产生或影响机器和仪器的工作过程。同时，在机器和仪器的制造以及其它众多技术设备也都是由机构组成。而且，随着生产过程的自动化以及向着高精度、高速度、高效率的发展趋势，要求设计出更多的新机构与之相适应。本实验中展示的经典机构有：平面铰链连杆机构、常用机构、凸轮机构、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、机构的组合、棘轮机构及槽轮机构等间歇机构、空间机构等。

一、实验目的
1.了解机器的组成原理，加深对机器总体感性认识
2.了解机器的常用机构的结构、类型、特点及应用。
3.了解机器的运动原理和分析方法，对机器总体感性认识上升为理性认识 。
二、实验设备和工具
　　1、机械结构设计陈列教学柜

图1-1 机械原理陈列柜

2．自备直尺、铅笔、橡皮、草稿纸等。
三、实验内容
通过观察陈列室展示各种常用机构模型的动态展示，增强对机构与机器的感性认识。通过观察，对机器的组成、常用机构的结构、类型、特点有一定的了解。
四、注意事项
1．注意人身安全；不要在实验室内跑动或打闹，以免被设备碰伤；特别应注意摇动设备时不要压轧着自己或别人的手。
2．爱护设备；摇动设备动作要轻，以免损坏设备；一般不要从设备或展台上拿下零件；若拿出零件，看完后应按原样复原，避免零件丢失。
3．不要随便移动设备，以免受伤或损坏设备。
4．注意卫生；禁止随地吐痰和乱扔杂物；禁止脚踩桌椅板凳。
5．完成实验后，学生应将实验教室打扫干净，将桌椅物品摆放整齐。
五、实验记录
1．记录所观察到的陈列柜名称及内容；
2．用符号简图将所观察到的常见运动副类型表示出来。
六、思考填空题：
1、观察实物模型和机构，认识到机器是由 或 按照一定运动要求组合而成的。因此掌握各种机构的运动特性，有利于研究任何机器的特性。
2、在机械原理中，运动副是以 的直接接触形式的可动联接及运动特征来命名的。如：高副、 、转动副、 等。

实验二 机构运动简图绘制与分析实验
一、实验目的
1．掌握机构运动简图的绘图方法；
2．加深和巩固机构自由度的计算并判定机构是否具有确定的运动；
3．掌握平面机构的结构分析方法。
二、实验内容及要求
1．以指定的 3-4 种机构模型或机器为研究对象,进行机构运动简图的绘制。如：缝纫机中的引线机构、牛头刨床的主体机构,内燃机机构以及其它机构等。
2．分析所画各机构的构件数、运动副类型和数目,计算机构的自由度,并检验它们是否具有确定的运动。
3．进行机构结构分析(高副低代、分离杆组、确定机构级别)。
三、实验设备和工具
1．实验室中若干机构模型。
2．自备直尺、铅笔、橡皮、草稿纸等。
四、实验原理
由于机构的运动与机械中所有的构件数和构件所组成的运动副的数目、种类、相对位置有关。因此，在绘制机构运动简图时可以撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造，而用简略的符号来代表构件和运动副，并按一定的比例尺绘出各运动副的相对位置和机构结构，以此表明实际机构的运动特殊，从而便于进行机构的运动分析和动力分析。
五、测绘方法与步骤
1．缓慢转动原动件，观察机构的运动，分析机构的组成。找出哪个是固定件，哪些是活动件，从而确定组成机构的构件数目。
2．从原动件开始，按照运动的传递顺序，仔细分析各构件之间相对运动特性。认清每两个相连接的构件之间是由哪种运动副联接起来的，从而确定运动副的种类和数目。
3．合理选择视图。首先正确判断机构中各构件运动所在的平面，然后选择合理的投影面。通常选择视图的原则是选择大多数构件的运动平面或相互平行的运动平面作为视图平面。如：
(a)为不正确的选择

(b)为正确的选择

图2-1

4．构件的表示方法。在绘制机构运动简图时，不考虑那些与运动无关的因素。如: 构件的复杂外形，运动副的具体构造，组成构件的零件的数目等。直接用该构件上铰链中心的连线来表示。例如:
(1)

(2)

滑动滚子
(3)

偏心盘凸轮
(4)

凸轮
(5)

图2-2

5．选择适当的比例尺。定出各运动副的相对位置，测量与机构运动有关的尺寸，即铰链间的中心距和移动副的导路方向等, 然后选定原动件的位置，按一定比例用国标所规定的表示构件及运动副的简单符号绘制机构运动简图。并用数字 1、2、3…… 标注各构件，用符号 A、B、C…… 标注各运动副,用箭头标明原动件。
比例尺：μl=构件的实际长度(mm)/图纸上所画的长度(mm)
6．计算机构的自由度，并检验计算结果是否正确。
机构自由度的计算公式：
F=3n-2PL-PH
式中： n--活动构件的数目， PL--低副的数目， PH--高副的数目
7．机构的结构分析。对机构进行结构分析时,首先高副低代，并画出低代后的机构简图，然后分离杆组，确定机构级别。
六、实验结果
(一) 机构运动简图
1.机构名称:
比例尺:m1=
2.机构名称:
比例尺: m1=

F=3n-2PL - PH
=
=
机构运动是否确定
理由:
F=3n-2PL - PH
=
=
机构运动是否确定
理由:

(二) 机构结构分析
将机构分解为原动件、机架、杆组,并确定机构的级别。原动件用箭头标出。
机构名称:
低 副 替 代 机 构 简 图
分 解 简 图

本机构为________级机构

七、完成填空思考题
(一)平面四杆机构填空题
1．四杆机构在平面连杆机构中结构最简单，应用最广泛。四杆机构分成三大类：即 、 、 。
2.单移动副机构：是以一个 代替铰链四杆机构中的一个 演化而成的。分为：曲柄滑块机构、 、转动导杆机构及 机构等。
3.双移动副机构是带有两个移动副的四杆机构。将其倒置也可得到：曲柄移动导杆机构、 及 。
（二）思考题
1.一个正确的平面机构运动简图应表达哪些内容？
2．机构自由度大于或小于原动件数时，各会产生什么后果？
3．在本次实验中是否遇到复合铰链、局部自由度或虚约束等情况，在机构自由度计算中你是如何处理的？

实验三 齿轮参数测定实验
一、实验目的
　　1. 掌握应用游标卡尺测量渐开线齿轮的有关尺寸，从而确定齿轮的基本参数的简单方法；
　　2. 通过测量和计算，掌握齿轮各部分尺寸与基本参数的关系，理解和巩固渐开线的性质。
二、实验设备与工具
　　1. 被测量齿轮；
　　2. 游标卡尺；
　　3. 学生自备计算器、纸和笔等文具。
三、实验原理
齿轮各部分尺寸一般可以用普通量具测量，而各部尺寸又与齿轮的齿数z、模数m、压力角α、齿顶高系数 和变位系数x等基本参数之间有确定的关系，所以通过测量齿轮的有关尺寸，可以计算出齿轮的基本参数。

图3－1
本实验利用游标卡尺来测量齿轮的齿顶圆直径，齿根圆直径和公法线长度，从而计算出齿轮基本参数。如图3-1所示，用游标卡尺固定待测量的齿轮齿廓，使游标卡尺两量爪的测量平面与渐开线齿廓相切，所测量的跨距称为齿轮的公法线长度，以w表示。游标卡尺的两量爪所跨的齿数n不能太少也不能太多,垮齿数n由齿轮的齿数z决定，可查看下表；
表3－1
齿数z
12-18
19-26
27-36
37-45
46-54
55-63
64-72
73-81
跨齿数n
2
3
4
5
6
7
8
9
齿数z
12-18
19-26
27-36
37-45
46-54
55-63
64-72
73-81
跨齿数n
2
3
4
5
6
7
8
9
由图3-1可得齿轮公法线长度wn为：
……………………………………………(1)
同理，如果跨齿数为(n+l)，其公法线长度为；
……………………………………………………(2)
由式(2)减式(1)得：
………………………………………………(3)
又因
上两式联立可得齿轮模数:
……………………………(4)
四、实验步骤
1.确定齿轮的模数m和压力角α
　①记录被测齿轮的编号和齿数z，根据z查表3－1可得跨齿数n。
　②用游标卡尺尽量精确地测量跨n个和(n+l)个齿的公法线长度各三次，每次测量不同的齿廓，而且必须使量爪的测量平面与齿廓相切，然后记下每次的读数，并填入表4－4中，取其平均值作为公法线长度 和 。 　　　
③将 和 和 或 代入式(4)，计算出模数 和 然后把它们与标准模数系列表4－2(GB1357-87)比较，选取其中与某标准模数同值或与其接近的标准模数作为该齿轮的模数m(标准化)，而它所对应的压力角就是齿轮的压力角α。
表3－2 标准模数系列表（GB1357-87） mm
第一系列
0.1 0.12 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50
第二系列
0.35 0.7 0.9 1.75 2.25 2.75 (3.25) 3.5 （3.75） 4.5 5.5 (6.5) 7 9 （11） 14 18 22 28 （30） 36 45
　2.确定齿轮的变位系数x
　　根据齿轮基圆齿厚公式
………………………………(5)
将公式(3)代入式(2)整理得:
…………………………………………………(6)
将上两式联立整理后，得到变位系数
……………………………………………………(7)
3.确定齿顶高系数 和顶隙系数 用游标卡尺尽量精确地测量齿顶圆直径和齿根圆直径各三次,并取其平均值，作为 和 填入表4－4中。计算分度圆直径d=zm，并利用齿顶高公式：
………………………………………………………………(8)
又因： ………………………………………………………(9)
由（8）和（9）式得齿顶高系数 ………………………… (10)
由式（10）计算出的齿顶高系数 应符合标准值，然后查表3－3取其对应的标准顶隙系数 。
表3－3
齿 轮 类 别
齿顶高系数
顶隙系数
正常齿
1
0.25
短 齿
0.8
0.3

五．实验数据
1.将测量与计算结果填入下表（精确到小数点后两位）。
表3－4
齿 轮 编 号

齿轮齿数z

跨测齿数n

公法线长度
Wn
Wn+1
Wn
Wn+1
Wn
Wn+1
测量次数
1

2

3

公法线长度平均值

计算基圆周节pb

模数m（计算值）
α=20º

α=15º

标准化后取值
m

α

变位系数x

分度圆直径d=zm

齿顶圆直径

齿根圆直径

齿顶高系数
计算值

标准值

顶隙系数c*

2.思考题
　　①决定渐开线齿廓形状的基本参数主要有那些？
　　②测量公法线长度时，卡尺的量爪若在渐开线齿廓的不同位置相切，对所测量的公法线长度有无影响？为什么？
实验四 齿轮范成实验
一、实验目的
　　l．掌握用范成法切制渐开线齿轮齿廓的基本原理；
　　2．了解渐开线齿轮产生根切现象的原因及避免根切的方法；
　　3．分析和比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。
二、实验设备和工具
　　1．齿轮范成仪；
　　2．自备齿轮毛坯一张(如图4－2所示)、绘图圆规及三角板、计算器和铅笔等文具。
三、实验内容
1、用范成法切制标准齿轮、正变位齿轮和负变位齿轮渐开线齿轮齿廓；
2、分析和比较标准齿轮和变位齿轮的异同点，了解渐开线齿轮产生根切现象的原因及避免根切的方法。
四、实验原理
　　齿轮范成法加工渐开线齿廓，是利用一对齿轮互相啮合传动时齿廓互为包络线的原理。如将其中一个齿轮的齿廓磨成刀刃（即齿轮刀具），另一为齿轮毛坯，当刀具和齿轮毛坯的分度圆相切并作纯滚动时，齿轮刀具的刀刃就可以在齿轮毛坯上切出齿廓。这与一对相互啮合的齿条齿轮传动的运动完全相同。
　　图4-1是齿轮范成仪的示意图，其中扇形盘2绕固定轴O转动，用压板1和螺母7将代表齿轮毛坯的图纸固定在扇形盘2上，拧松螺钉6，可调整齿条刀具3与齿轮毛坯之间的径向距离，螺钉6将齿条刀具2固定在滑板4上，滑板沿固定轨道5作住复横向移动，为了保证扇形盘2与滑板4作相对纯滚动，范成仪的扇形盘与滑板采用齿轮齿条啮合传动。

图4－1
五、实验前的准备工作
1. 根据下表所给的基本参数计算出标准齿轮、正变位齿轮和负变位齿轮的分度圆、基圆、齿顶圆和齿根圆的直径，并将它们记录下来填入表4－1中。
齿条刀具参数：m=20mm, ，,
齿轮参数: m=20mm ,Z=8,

图4－2
2．如图4－2所示，在图纸上画出分度圆，并把它分成三等份(如图中的OA、OB、OC)，分别作其角平分线（如图中虚线中的OD、OE、OF），然后过角平分线与分度圆的交点，分别作OD、OE、OF的垂线。 　　
3. 在图纸上分别画出标准齿轮，正变位齿轮和负变位齿轮的齿顶圆和齿根圆，它们就分别代表1/3个标准齿轮、正变位齿轮和负变位齿轮的毛坯。并沿各齿顶圆将多余的图纸剪去，又以轮坯的中心为圆心，剪出16mm的圆孔。顶圆将多余的图纸剪去，又以轮坯的中心为圆心，剪出40mm的圆孔。
六、实验步骤
　　1．将范成仪的螺母7拧松，拿下压板1，把毛坯中心的圆孔套在O轴上。然后使毛坯和扇形盘2对心，并调整齿条刀具3和轮坯之间的径向距离,使代表标准齿轮毛坯部分的角平分线及其垂线分别与扇形盘 2的中线OO’及其垂线DD重合，然后放下压板1，锁紧螺母7。松开螺钉6，上下移动刀具3，使其中线EE与毛坯分度圆相切(即EE线与DD线重合)，则调好了毛坯与刀具间的径向距离，然后锁紧螺钉6。
　　2. 将固连在滑板4上的刀具2推移到右或左端，然后向另一端慢慢移动，每移动一小段距离 (约1毫米)，则用削尖的铅笔描画出刀具3的刀刃(每画一笔，相当于刀具节削轮坯的齿槽间一刀)，如此重复，直至刀具移到另一端，即在毛坯纸上描画出3～4个完整的标准齿轮齿廓。这样描绘出的刀具刀刃在各个位置时的轨迹包络线，就形成了渐开线齿廊。
　　3. 拧松螺母7，将毛坯转过120°，描绘正变位齿轮毛坯的渐开线齿廊。依据步骤1，调整轮坯与扇形盘对心，并保证EE线与DD线重合，然后将刀具3向外移动xm毫米，锁紧螺钉6，并左右移动刀具，观察其顶线是否依次切于毛坯根圆，否则，应轻轻拧松螺钉6，进行微调，直至满足上述要求。重复步骤2，则在轮坯纸上描画出3-4个完整的正变位齿轮的齿廊曲线。
　　4. 同理，再将轮坯转过120°，使负变位齿轮毛坯与扇形盘对心，并使EE线与DD线重合，然后将刀具移向轮坯中心xm毫米，锁紧螺钉6。同样，刀具顶线应切于轮坯根圆，重复步骤2，则可以在轮坯纸上描画出3-4个完整的负变位齿轮的齿廓曲钱。

七、实验数据
1.根据齿轮参数计算标准齿轮、正变位齿轮和负变位齿轮各部分的尺寸，并将结果填入下面的表格中。然后以标准齿轮为准，比较正变位和负变位齿轮尺寸变化情况。
表4－1
名称
计 算 公 式
计 算 结 果
结 果 比 较
标 准 齿 轮
正变位齿 轮
负变位 齿 轮
正变位齿 轮
负变位 齿 轮
分度圆直径d

基圆直径db

齿顶圆直径da

齿根圆直径df

分度圆周节p

分度圆齿厚s

分度圆齿槽宽e

齿顶圆齿厚sa

齿顶高ha

齿根高hf

齿全高h

2.附上所描绘的齿廓图纸，在图上标出各个圆的半径,并用彩笔描出齿廓曲线的根切段。
八、思考题
　1、齿条刀具的齿顶高和齿根高为什么都等于 ？
　2、渐开线齿廊的根切现象是怎样产生的? 如何避免? 在图形上如何判断齿廓是否根切?
　3、在同一个实验仪上，你画出的标准齿轮、正变位齿轮和负变位齿轮的齿廓曲线是不是同一条渐开线? 为什么?

实验五 平面机构运动创新设计实验

平面机构在机械工程中具有广泛的应用，它是很多种机械（例如装载机、压力机、自卸汽车、医疗床等）的主体机构。所谓平面机构，是指构件在同一平面和相互平行的平面作相互非旋转运动的机构，如平面连杆机构、平面齿轮机构、平面凸轮机构和平面槽轮机构等。
由于生产上对机构运动形式、运动规律和机构性能等方面要求的多样性和复杂性，以及单一机构性能的局限性，以致仅仅采用某一种基本机构往往不能满足设计要求，因而常常需要进行机构的变异与组合。如在平面连杆机构设计中，可以对曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构等基本类型进行变异，从而获得许多新的平面连杆机构。此外，也可以在平面连杆机构、平面齿轮机构、平面凸轮机构和平面槽轮机构之间进行组合，以获得新的组合机构。
一、实验目的
（1）利用各种给定的平面机构，根据提供的拼装题目（方案）进行搭接，获得一个完整的机械传动方案，加深对机构组成的理解；
（2）利用各种给定的平面机构，根据想象力进行机构搭接，获得新的组合机构或机械传动方案，进行机械创新设计的实际训练；
（3）在机构搭接或组合的基础上，进行机械传动系统的运动分析，对运动方案设计中的一些基本知识点融会贯通，对机构系统的运动特性有一个更全面更深入的理解。
二、实验仪器及设备
1、PJC-A型平面机构运动设计分析实验台一套，包括台架、电机、皮带、带轮、齿轮、凸轮、槽轮、拨盘、插件及各种高低转副，回转副及移动副等。
2、自备三角板、圆规、铅笔和草稿纸等文具；
3、活动扳手、内六角扳手等。
三、实验内容及实验项目
1、机械创新设计综合展示
2、机械的结构分析与设计
3、机械运动方案的创新与设计
四、实验原理
根据平面机构的组成原理，平面机构是由各个杆组依次联结到机架和原动件上形成的。机构具有确定运动的条件是机构的自由度大于零，且原动件数和机构的自由度相等。所拼接的机构必须满足以上两个条件。
PJC-A型平面机构运动设计分析实验台一套如图5-1所示，包括台架、电机、皮带、带轮、齿轮、凸轮、槽轮、拨盘、插件及各种高、低转副，回转副及移动副等组成，可做多种机构运动方案（见表5-1）。实验台每套四台单面机架，每个机架配一台电机，电机在底板上滑动，互不干涉。实验台根据创新性、认识性原则特别采用了两种连杆形式，一种为圆形，一种为方扁形，所有连杆、构件采用迭加组合原理，自由拼接。

图5-1 PJC-A型平面机构运动设计分析实验台

移动时请用双手推动、并尽可能使立柱在移动过程中保持铅垂状态。立柱移动到预定的位置后，用螺栓将立柱上、下两端锁紧 (*安全注意事项：不允许将立柱上、下两端的螺栓卸下，在移动立柱前只需将螺栓拧松即可)。立柱上的滑块可沿y方向移动。将滑块移动到预定的位置后，用螺栓将滑块紧定在立柱上。按图示方法即可在x、y平面内确定一个固定点，这样活动构件相对机架的连接位置就确定了。实验中可以选择不同的构件搭接出如下机构或机械传动系统，如表5-1所列曲柄导杆滑块、摇筛机构、五连杆机构等近几十种创新型实验。如图5-2为间歇送料的构件搭接参考性泛图。

表5-1 可搭建的机构：
基本结构
空间结构
1、导杆双滑块（牛头刨）机构
2、曲柄导杆滑块机构
3、曲柄导杆摇杆机构
4、曲柄导杆摇杆滑块机构
5、曲柄摇杆导杆机构
6、曲柄摇杆滑块（惯性筛）机构
7、双曲柄（火车轮）机构
8、双曲柄滑块（：床）机构
9、双曲柄摇杆导杆机构
10、双摇杆机构
11、槽轮机构
12、翻箱机构
13、间歇送料机构
14、曲柄滑块机构
15、曲柄滑块双摇杆机构
16、曲柄摇杆机构
17、双曲柄滑块机构
18、凸轮机构
19、凸轮液泵机构
20、摇筛机构
1、4R万向节机构
2、4R双万向节机构
3、RRSC机构
4、齿轮-蜗轮副机构
5、齿条、齿轮机构
6、空间曲柄摇杆机构
7、CR联轴器
8、RC揉面机构等机构。

学生还可以扩展组合其他拼接机构。

图5-2间歇送料搭接参考图

五、实验前的准备工作
1.要求预习本实验，初步了解机构创新模型各零部件的功能；
2.选择要拼接的机构运动方案或自行设计运动方案，初步确定拼接方案。
六、实验步骤
1.根据所组装的机构，选择所需运动副、构件、动力源及所需工具。
2．初步确定要进行拼接的机构或机械传动方案。
3.根据设计方案，选取相关的构件和相关的紧固件在实验台支架上进行机构或机械传动方案的搭接。
4. 选定原动件，根据机构具有确定运动的条件，验证所拼接的机构是否能够运动。
5.在原动件上接入动力源。在机构运动之前，以手动方式输入运动，确认机构拼接无误后，经指导教师许可后再用电机驱动。无人在场时请关闭电源！！
6.对搭接的机构或机械传动方案进行结构分析和运动分析。

七、实验记录
设计题目一：

机构运功简图
设计说明：

机构优缺点：
自由度F=

设计题目二：

机构运功简图
设计说明：

机构优缺点：
自由度F=

八、思考题
1． 设计机构方案时，需考虑哪些方面的问题？
2． 在拼接机构时，为何需确保各个构件在互相平行的平面内？

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