25Апр

Дифференциал устройство: Что такое дифференциал, для чего он нужен, и как устроен

25 Апр 2023 alexxlab Комментировать

Содержание

Что такое дифференциал, для чего он нужен, и как устроен

  • Главная
  • Статьи
  • Что такое дифференциал, для чего он нужен, и как устроен

Автор: Алексей Кокорин

Дифференциал как автомобильный механизм скоро отметит двухвековой юбилей, однако его конструкция за эти долгие годы хоть и совершенствовалась, но сохранила ключевые особенности. Что же такое дифференциал, и какую роль он выполняет в автомобиле?

1. Что такое дифференциал?

Дифференциал в автомобиле – это механизм, который позволяет передавать мощность и, следовательно, вращение от коробки передач к колесам, разделяя поток этой мощности на два, для каждого из колес одной оси, с возможностью изменять соотношение передаваемой к ним мощности, и, следовательно, позволяя колесам вращаться с разной скоростью.

Проще говоря, дифференциал разделяет 100% мощности, передаваемой коробкой передач, на два потока для каждого из колес на одной оси, и эти потоки могут перераспределяться в зависимости от условий движений от 50:50 до 100:0.

2. Для чего нужен дифференциал?

Основное предназначение дифференциала – обеспечить возможность вращения колес на одной оси с разной скоростью с сохранением неразрывного потока крутящего момента. Для автомобиля это важно прежде всего в поворотах: ведь при движении по дуге колеса на внешней стороне поворота проходят больший путь, чем колеса на внутренней, а значит, должны вращаться с большей скоростью для сохранения стабильности машины.

Если же колеса на оси будут соединены жестко, то внутреннее колесо в повороте будет пробуксовывать. Для заднеприводного автомобиля это повышает риск заноса, а для переднеприводного радикально ухудшает управляемость и контроль автомобиля в повороте. Таким образом, обеспечение свободного и независимого вращения колес на одной оси с сохранением постоянства передачи на них крутящего момента от двигателя было одной из принципиальных задач с момента создания автомобиля – и это задача была успешно решена.

3. Как устроен дифференциал?

Дифференциал являет собой частный случай планетарной передачи. Физически он обычно представляет собой набор из четырех шестерней, вращение к которым передается пятой – ведомой шестерней главной передачи, объединенной с корпусом дифференциала, выполняющим роль водила. Главная передача – это набор из двух шестерней: ведущая получает вращение от КПП и передает его ведомой. Ведомая же шестерня главной передачи передает вращение через корпус на шестерни-сателлиты, а они, в свою очередь, находятся в зацеплении с солнечными шестернями, жестко закрепленными на приводных полуосях колес.

Когда автомобиль движется по прямой, шестерни-сателлиты неподвижны, и скорость вращения шестерни главной передачи равна скоростям вращения солнечных шестерней: колеса вращаются с одинаковой скоростью. В повороте же шестерни-сателлиты начинают вращаться, обеспечивая разницу скоростей солнечных шестерней и, следовательно, колес на внешней и внутренней стороне поворота.

4. Каковы недостатки дифференциала?

Главным недостатком дифференциала одновременно является его главное преимущество – возможность передавать до 100% мощности на одно из колес. Исходя из этого, в условиях, когда одно колесо имеет недостаточное сцепление с поверхностью, основная часть мощности будет передаваться именно на него. Таким образом, порой даже имея одно колесо на поверхности с достаточным сцеплением, автомобиль не может тронуться с места.

Для устранения этой проблемы были разработаны разнообразные конструкции – дифференциалы с повышенным внутренним сопротивлением (так называемые самоблоки) и дифференциалы с принудительной блокировкой, ручной или автоматизированной. В зависимости от конструкции и назначения они могут как изменять перераспределение потока мощности в пользу колеса с хорошим сцеплением с поверхностью, так и полностью замыкать дифференциал, заставляя колеса на оси вращаться с одинаковой скоростью. Разные типы таких дифференциалов мы рассмотрим в отдельных материалах.

популярные вопросы

 

Новые статьи

Статьи / Тесты Последний настоящий: проверь, что ты знаешь и помнишь об АЗЛК-2141 АЗЛК-2141 стал первым и последним переднеприводным Москвичом. Эта модель очень долго и непросто рождалась, обещала быть очень перспективной и впоследствии стала этаким символом развала СССР… 572 1 0 15.04.2023

Статьи / Интересно Гранит: раритетная мелкосерийная автосигнализация, которую сможет установить даже ребенок В лабораторию «Колес» попала редкая российская автосигнализация, выпущенная экспериментальным тиражом и так и не пошедшая в серию. У гаджета необычный формат и необычный функционал – он мог. .. 685 0 0 13.04.2023

Статьи / Авто с пробегом Renault Trafic II и Opel Vivaro I с пробегом: уникальный автомат и капризный дизель-миллионник В первой части материала о семействе фургонов Renault Trafic II и Opel Vivaro I мы рассказали о слабых и сильных местах кузова, салона и электрики. Пришел черёд самого интересного – выясним… 2521 0 0 12.04.2023

Популярные тест-драйвы

Тест-драйвы / Тест-драйв 30 лет рабства: тест-драйв ГАЗ-53 Точнее было бы написать «тест-драйв ГАЗ-САЗ-3507 на шасси ГАЗ-53-14», но это слишком сложно.

А вот просто ГАЗ-53 узнает каждый, кто успел выпить стакан  газировки за одну копейку (с сиропом… 9324 9 784 09.12.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв Любителям Volvo, по цене Volvo: тест-драйв обновленной Geely Tugella Впервые с Geely Tugella мы познакомились ровно два года назад, в ноябре 2020. За эти два года флагманский кроссовер нашел свою, пусть и небольшую, аудиторию, заработал определенную репутацию… 8174 3 864 29.11.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв Пятаки на снегу: первый тест-драйв Москвич 3 Про автомобили с эмблемой московского завода «Москвич» сейчас говорят много и не всегда – хорошо.

Что уж там, всем ведь понятно, что в этом «россиянине с раскосыми и жадными глазами» из росс… 6516 17 2 23.12.2022

устройство, назначение, виды, принцип работы, неисправности и их устранение

Автор Andrey На чтение 18 мин Просмотров 1.5к. Обновлено

Содержание

  1. Что такое дифференциал и для чего он нужен?
  2. История создания и назначение дифференциала
  3. Предназначение дифференциала автомобилей
  4. Преимущества и недостатки
  5. Устройство и принцип работы
  6. Схема работы дифференциала
  7. При прямолинейном движении
  8. При повороте
  9. При пробуксовке
  10. Виды дифференциалов
  11. Типы дифференциалов
  12. С ручной блокировкой
  13. Самоблокирующийся
  14. Электроблокировка
  15. Активного действия
  16. Неисправности
  17. Обслуживание
  18. Безопасность

Что такое дифференциал и для чего он нужен?

Интересное механическое устройство, известное человечеству с давних времен. Несколько лет назад ученые считали, что первый механизм, работающий по типу дифференциала, был использован в антикитерском механизме – удивительной находке, поднятой со дна моря, и оказавшейся самым настоящим древним калькулятором для астрономических вычислений. Так что сама идея дифференциала не нова, однако настоящее признание она получила только с появлением первых автомобилей.

Дифференциал – это механизм, отвечающий за распределение момента вращения и угловых скоростей от главной передачи на колёса автомобиля (или на оси, если говорить про межосевой дифференциал). Зачем это нужно? Затем, чтобы дать возможность транспорту нормально поворачивать, не нарушая равномерного сцепления с дорогой каждого колеса.

Если попробовать развернуть на ходу любую повозку с жесткой осью, выяснится, что колесо, находящееся внутри радиуса поворота, пробуксовывает. Одновременно с этим другое колесо, которое находится на наружной дуге и должно двигаться быстрей, теряет сцепление с поверхностью. Другими словами, поворачивать вот так, с двумя колесами, насаженными на одну ось, очень сложно. Можно только посочувствовать лошадям, вынужденным таскать неповоротливые телеги…

Однако автомобиль – давно уже не телега, в том числе и потому, что во время поворота срабатывает дифференциал, который распределяет скорость вращения так, чтобы замедлить колесо внутри дуги поворота и ускорить второе, которое движется по внешней дуге. Всё это происходит без вмешательства водителя, только за счет механического распределения момента вращения.

Размещение дифференциала зависит от того, какой тип привода использован в автомобиле.

  1. В переднеприводных автомобилях установлен передний дифференциал, который находится внутри коробки передач.
  2. В заднеприводных моделях установлен в заднем мосту на ведущей оси.
  3. В полноприводных автомобилях с постоянным полным приводом ставится межосевой дифференциал в раздаточной коробке (он распределяет усилия между передней и задней осью) и межколесные на каждую ось.
  4. А вот подключаемый полный привод не требует межосевого распределителя, в таких автомобилях устанавливается межколесный дифференциал на каждую из осей.

Почему только на ведущую ось (внедорожников это тоже касается, у них обе оси ведущие)? Просто потому, что дифференциал предназначен для того, чтобы распределять момент вращения, идущий от двигателя, а значит, на ведущей оси.

История создания и назначение дифференциала

Конструкция дифференциала появилась практически одновременно с началом производства транспортных средств, оснащенных двигателем внутреннего сгорания. Разница была лишь в пару лет. Первые машины были настолько нестабильными на поворотах, что инженерам пришлось ломать голову над тем, как бы передать одинаковую тягу на ведущие колеса, но при этом сделать так, чтобы они могли вращаться с разными скоростями на виражах.

Хотя нельзя сказать, что сам механизм был разработан после появления автомобилей с ДВС. Дело в том, что для решения управляемости первых авто была позаимствована разработка, которая до того применялась на паровых повозках.

Сам механизм был разработан инженером из Франции – Онесифором Пеккёром в 1825-м году. Работу над проскальзывающим колесом в машине продолжил Фердинанд Порше. При сотрудничестве его компании вместе с ZF AG (Friedrichshafen) был разработан кулачковый дифференциал (1935 год).

Массовое применение LSD-дифференциалов началось, начиная с 1956 года. Технологией пользовались все автопроизводители, так как она открывала новые возможности для четырехколесного транспорта. За основу дифференциала был взят редуктор с планетарной передачей. Простой редуктор состоит из двух шестерен, которые имеют разное количество зубьев одинакового размера (для постоянного зацепления).

Когда вращается большая шестеренка, меньшая выполняет больше оборотов вокруг своей оси. Планетарная модификация обеспечивает не только передачу крутящего момента на приводную ось, но и преобразует его так, чтобы скорости ведущего и ведомого валов были разными. Помимо обычно шестеренчатой передачи в планетарных редукторах применяется несколько дополнительных элементов, которые взаимодействуют с тремя основными.

Дифференциал использует весь потенциал редукторов планетарного типа. Благодаря тому, что такой механизм имеет две степени свободы и позволяют менять передаточное число, такие механизмы оказались эффективными для обеспечения стабильности ведущих колес, вращающихся с разной скоростью.

Предназначение дифференциала автомобилей

  • позволяет ведущим колёсам вращаться с разными угловыми скоростями;
  • неразрывно передаёт крутящий момент от двигателя на ведущие колёса.

Основная проблема, появившаяся на заре автомобильной эры, была решена с помощью применения дифференциала, теперь повороты машине можно проходить более безопасно и без пробуксовки колес, а отсюда соответственно и без чрезмерной нагрузки на трансмиссию, на шины и на сами подшипники колес. Но зато появилось другое неудобство.

Простейший дифференциал имеет одну яркую «особенность», благодаря которой он категорически не подходит для сложных, экстремальных дорожных ситуаций. Когда у ведущих колес 100% сцепление с дорогой, то все будет идти хорошо и дифференциал будет исполнять свою функцию просто идеально, но стоит одному из колес попасть в ситуацию когда оно (шина) потеряет сцепление с дорогой, или попадет на другой тип грунта или на лед, то начнет вращаться именно то колесо, которое потеряло сцепление, а противоположенное стоящее на более цепком грунте просто останется неподвижным.

Не вдаваясь в сами нюансы работы механизма можно просто констатировать факт, что дифференциал не меняет свой крутящий момент, он просто перераспределяет мощность между колесами и такая мощность будет всегда больше на том именно колесе, которое вращается быстрее.

При пробуксовке колеса сопротивление его и крутящего момента будет минимальным, а значит чрезвычайно малым будет и крутящий момент передающийся с самого двигателя непосредственно на колесо, а значит и на противоположенном колесе этот крутящий момент будет ему соответствовать, то есть он будет минимальным. Особенно видны и очень заметны недостатки этого классического дифференциала на спортивных автомобилях с большой мощностью, а также и на полноприводных машинах, которые рассчитаны на езду по бездорожью.

В этой связи инженеры и автопроизводители большинства автокомпаний начали искать новое решение с этой проблемой. Появилось большое количество (различных видов устройств) дифференциалов.

Преимущества и недостатки

Основное преимущество дифференциала – это то, что он дал возможность выполнять повороты. Скорость движения каждого колеса на ведущей оси подстраивается под дорожную ситуацию совершенно автоматически, без участия водителя, так что безопасность и маневренность транспортного средства выросли в десятки раз после внедрения этого механизма. Сегодня дифференциал той или иной конструкции используется во всех видах автомобильного транспорта.

Еще одно преимущество – довольно высокая надежность узла. Планетарная передача выдерживает большие нагрузки, а особенности некоторых типов дифференциала еще дополнительно повышают его мощность и стойкость к износу.

Основным недостатком можно назвать необходимость использовать механизм блокировки, чтобы автомобиль мог двигаться и по льду, и по сложным дорогам. Ручная, автоматическая или электронная – любой тип блокировки должен применяться обязательно, а это означает, что появляется дополнительный механизм, который может выйти из строя. И, конечно, нельзя забывать о контроле за техническим состоянием узла.

Это еще один узел, в котором нужно менять масло, хоть и не часто, и отслеживать износ деталей. И, кстати, о необходимости этой процедуры многие автовладельцы забывают.

Устройство и принцип работы

С технической точки зрения дифференциал устроен достаточно просто, но при этом он способен выдерживать огромные нагрузки. Что внутри этого узла и как он работает?

По своему типу это планетарный редуктор со всеми необходимыми элементами.

  1. Шестерня главной передачи – подает вращение от КПП на дифференциал.
  2. Ведомая шестерня связана и с главной передачей, и с шестернями-сателлитами.
  3. Сателлиты – закреплены в «чашке» ведомой шестерни, так что вращаются вместе с ней.
  4. Шестерни полуосей – соединены с сателлитами и не контактируют с остальными элементами дифференциала.

Как это работает, детально показано на видео-ролике ниже.

  1. От КПП выходит вал главной передачи, от которого вращение передается на ведомую шестерню.
  2. Ведомая шестерня и скрепленная с ней «чашка» (водило) принимают крутящий момент.
  3. Вращаясь, ведомая шестерня и чашка приводят в движение шестерни-сателлиты.
  4. Сателлиты, в свою очередь, передают вращение на полуоси.
  5. При равной нагрузке на полуоси (когда автомобиль движется по прямой дороге с равномерным покрытием) сателлиты не вращаются. Работает только ведомая шестерня, в чашке которой закреплены сателлиты, и они описывают обороты вместе с ней, при этом не совершая вращения вокруг своей оси. Таким образом, момент вращения распределяется на полуоси поровну, 50:50.
  6. Когда автомобиль поворачивает и одно из колес должно замедлить, а второе – ускорить движение, сателлиты приходят в движение. За счет конической зубчатой передачи они, вращаясь, замедляют одну полуось и ускоряют вторую. Другими словами, перераспределяют момент вращения в нужной пропорции, вплоть до 0:100 без потери усилия.
  7. При пробуксовке одного колеса включается механизм блокировки, без которого на то колесо, которое вращается быстрее, ушел бы весь момент вращения. Без блокировки автомобиль останавливается при попадании хотя бы одного колеса на скользкую поверхность.

Схема работы дифференциала

Существует две разновидности подобных механизмов – это симметричный и несимметричный дифференциал. Первая модификация способна передавать крутящий момент на полуоси в равной степени. На их работу не влияют угловые скорости ведущих колес.

Вторая модификация обеспечивает регулировку крутящего момента между колесами ведущей оси, если они начинают вращаться с разной скоростью. Нередко такой дифференциал устанавливается между осями полноприводного транспорта.

Подробней о режимах работы дифференциала. Механизм по-разному срабатывает при таких ситуациях:

  • Машина прямо едет;
  • Автомобиль выполняет маневр;
  • Ведущие колеса начинают буксовать.

При прямолинейном движении

Когда машина едет прямо, сателлиты просто являются связующим звеном между осевыми шестернями. Колеса автомобиля вращаются с одинаковой скоростью, поэтому чашка вращается, как единая труба, которая соединяет обе полуоси. Крутящий момент распределяется между двумя колесами равномерно. Обороты колес соответствуют оборотам ведущей шестерни.

При повороте

В повороте, а это обычный режим работы дифференциала, поскольку идеальных прямых в природе не существует, одно из колёс всегда будет вращаться быстрее. Сателлиты придут в движение относительно своих осей, но связь между полуосевыми шестернями и корпусом не утратят. То есть момент продолжит передаваться от корпуса к колёсам, причём всё в том же соотношении 50/50.

Это очень любопытно рассмотреть с точки зрения мощности. Момент одинаков, а скорость у внешнего от поворота колеса больше, то есть и мощность на него передаётся пропорционально большая. И это неудивительно, так как чем больше скорость, тем выше потери, которые компенсируются добавкой мощности. При этом ни малейших помех вращению колёс с разной скоростью создаваться не будет, в отличие от жёсткой связи.

При пробуксовке

Гораздо менее приятно дела обстоят в том случае, когда одно из колёс попало на относительно скользкий участок дороги и сорвалось в пробуксовку при разгоне. Сцепления с дорогой нет, а значит момент сопротивления покрытия резко падает. Но этот момент всегда равен тяговому, это закон физики. Значит и тяговый момент упадёт.

Свободный симметричный дифференциал делит тягу пополам между колёсами. Всегда 50/50. То есть при падении момента на одном до нуля, на втором он обнулится автоматически. Автомобиль начнёт терять скорость, а если речь идёт о трогании с места на льду или жидкой грязи, то он просто там и останется, не сумев выехать из засады.  В этом главный недостаток свободного дифференциала.

Он может передать усилие только то, которое способно переварить колесо, находящееся в худших условиях. Даже если второе будет на сухом чистом асфальте, автомобиль никуда не поедет. Вся энергия уйдет на быстрое и бесполезное вращение буксующего колеса.

Виды дифференциалов

За годы эволюции это устройство менялось и совершенствовалось. Так что теперь в автомобилестроении используют различные виды дифференциалов, в зависимости от того, на какие нагрузки рассчитан автомобиль, для каких дорожных условий предназначен, какую цель ставили перед собой конструкторы.

  1. По особенностям конструкции различают конический, цилиндрический и червячный типы. Название зависит от того, какой тип передачи используется для вращения полуосей. В настоящее время самый распространенный вид – конический.
  2. По распределению усилия на полуоси различают симметричный и несимметричный. В первом случае количество зубцов на шестернях равное, получаем симметричное распределение вращения. При неравном количестве зубцов усилие распределяется несимметрично, что выгодно для внедорожников высокой проходимости.

Виды блокировки дифференциала. Система блокировки разрабатывалась для внедорожников, для которых пробуксовка любого колеса означает полную остановку автомобиля. На видео, ниже, подробно рассказано о системах блокировки.

Существует три основных типа блокировки.

  1. Ручная блокировка дифференциала – это система, при которой водитель самостоятельно включает и выключает блокировку по своему усмотрению. Возле водительского места находится рычаг или кнопка управления блокировкой, с помощью которых принудительно останавливается вращение сателлитов вокруг свой оси. Фактически, дифференциал начинает работать так же, как при движении по прямой, распределяя усилие на обе полуоси поровну. При этом ухудшается управляемость, ведь повороты с заблокированным дифференциалом выполнить крайне сложно.
  2. Автоматическая блокировка или самоблокировка – система, которая облегчает управление автомобилем, снимая с водителя необходимость самостоятельно блокировать дифференциал. Самоблокирующийся тип называют еще дифференциалом повышенного трения.
  3. Электронная блокировка – это, по сути, имитация работы дифференциала, используемая в антипробуксовочных электронных системах. При необходимости забуксовавшее колесо принудительно замедляется тормозом, после чего дифференциал перераспределяет усилие, давая больше нагрузки на вторую полуось, которая имеет лучшее сцепление с дорогой.

Самоблокирующийся делятся на два основных типа:

  1. Тип Torque – блокировка, срабатывающая от разницы крутящего момента на полуосях. При пробуксовке срабатывают гасители скорости, подтормаживающие ту полуось, скорость вращения которой выше.
  2. Тип Speed Sensitive – блокировка с помощью вискомуфты, которая срабатывает, если одна из полуосей движется быстрее другой.

На сегодняшний день существует несколько видов дифференциалов, используемых в современных автомобилях.

  1. Квайф (Quaife) – самая простая конструкция, главной особенностью которой является использование нескольких пар сателлитов, сцепляющихся между собой попарно. Благодаря возникающим силам трения механизм автоматически подстраивается под дорожные условия, правильно распределяя момент вращения при поворотах и пробуксовке.
  2. Вискомуфта – устройство блокировки, основанное на применении жидкости с переменной вязкостью. Чем выше скорость ее перемешивания (соотношение скоростей вращения левой и правой полуосей), тем выше вязкость жидкости, вплоть до полной блокировки контактных дисковых блоков. Вискомуфта устанавливается на кроссоверы и легковые автомобили, то есть она не рассчитана на условия жесткого бездорожья.
  3. Дисковая блокировка – конструкция с дополнительными коническими шестернями, муфтами и дисками. При разнице в скорости вращения полуосей разъединяются стыки между шестернями и система блокируется, после чего скорости вращения полуосей выравниваются.
  4. Полная блокировка (кулачковая) – это тип с ручной блокировкой из салона автомобиля. Несмотря на некоторые неудобства его продолжают использовать во внедорожниках и есть много поклонников именно этого типа блокировки.
  5. Торсен (Torsen) – агрегат комбинированного, коническо-червячного типа. Это один из самых мощных и надежных типов механизма, используемый для условий жесткого бездорожья. Принцип его работы подробно описан на видео, ниже.

Типы дифференциалов

Если автомобиль имеет одну ведущую ось, то он будет оснащен межколесным дифференциалом. В полноприводном ТС используется межосевой дифференциал. На переднеприводных машинах такой механизм также называется передний дифференциал, а модели в заднеприводных авто называются задним дифференциалом.

Данные механизмы распределяются на три категории по типу зубчатых передач:

  • Конический дифференциал;
  • Червячный дифференциал;
  • Цилиндрический дифференциал.

Различаются они между собой формой главной и осевых шестерен. Конические модификации устанавливаются в переднее- и заднеприводных машинах. Цилиндрические применяются в полноприводных моделях, а червячные подходят для любых типов трансмиссий. В зависимости от модели автомобиля и дорожной обстановки, в которой эксплуатируется транспортное средство, полезными окажутся следующие типы дифференциалов:

  1. Механическая блокировка;
  2. Самоблокирующийся дифференциал;
  3. Электроблокировка.

С ручной блокировкой

Дифференциал с ручным способом блокировки считают одним из наиболее примитивных. Отключение в ручном режиме осуществляется при помощи кнопок или рычагов, которые располагаются в салоне автомобиля. Подобный вид чаще всего используется в машинах, которые имеют полный привод, иными словами, во внедорожниках.

Планетарная система принимает форму муфты и блокирует возможность движения сателлитов. Эксперты настоятельно рекомендуют использовать ручную блокировку только после того, как будет выжата педаль сцепления.

После блокировки дифференциала следует сбросить скорость на минимум, особенно если в этот момент автомобиль пересекает труднопроходимую местность. После того, как один из узлов заблокируется, будет гораздо сложнее поворачивать, а, значит, транспортное средство будет легче вести по прямой. Функция ручной блокировки применяется на внедорожниках, которые обладают рамной конструкцией. Желательно использовать ручную блокировку, уже имея хороший стаж вождения, так как управлять таким автомобилем значительно сложнее.

Toyota Land Cruiser 100 является внедорожником, имеющим кнопку блокировки межосевого дифференциала. Транспортные средства, на которых имеется ручная блокировка дифференциала:

  • Toyota Land Cruiser;
  • Toyota Hilux;
  • Шевроле Нива.

Самоблокирующийся

Данный вид узлов хорошо приспособлен к тяжёлым условиям вождения, так как значительно увеличивают проходимость авто. Основной принцип самостоятельной блокировки заключается в том, что определённые условия движения способствуют автоматической блокировке дифференциала. Если разница в полуосях становится слишком значительной, срабатывает механизм насоса, который нагнетает давление масла.

После этого пластины начинают сближаться, а скорость колеса снижается. Этот метод позволяет правильно распределить нагрузку на колёса при буксовке или заносе. Существует множество известных автомобильных самоблокирующихся дифференциалов. Например, узлы фирм Торсен и Квайф. Также примером подобного устройства является модель «speed sensitive». Механизм моментально фиксирует различную скорость вращения осей транспортного средства.

Модель автомобиля, где стоит именно этот тип дифференциала — Toyota Rav4 с вискомуфтой. Если одна из осей начинает двигаться с намного большей скоростью, то муфта срабатывает и начинает тормозить движение предотвращая аварийную ситуацию! Как только скорость снижается, сила трения уменьшается и возвращает независимость частям узла.

На спецтехнике устанавливается другой вариант самоблокирующихся дифференциальных механизмов — кулачковые пары. Примером может послужить «ГАЗ-66». Подобная конструкция значительно увеличивает проходимость машины, однако вполне может создать опасные ситуации, когда дифференциал замыкается самостоятельно.

Схема его действия очень проста и понятна: вместо «планетарки» в механизме применяются зубчатые пары. Они вращаются, если в скорости колёс возникают небольшие расхождения, однако если разница увеличиваются, то устройства входят в клин.

Электроблокировка

Такие дифференциалы связаны с электроникой автомобиля. Они считаются самыми дорогими, так как имеют сложное строение и привод блокировки. Данный механизм связан с ЭБУ автомобиля, который получает данные от систем, следящих за вращением колес, например, ABS. В некоторых автомобилях можно отключить автоматическую блокировку. Для этого на панели управления имеется специальная кнопка.

Преимущество электронных вариантов в том, что они позволяют установить несколько степеней блокировки. Еще один плюс таких механизмов в том, что они отлично помогают справиться с избыточной поворачиваемостью. В таких моделях крутящий момент подается на шестерню полуоси, которая вращается с меньшей скоростью.

Активного действия

На сегодняшний день активные дифференциалы являются одними из наиболее эффективных в сравнении со своими аналогами. Подобный механизм был изобретён сравнительно недавно, однако уже набрал популярность. Принцип его работы в том, чтобы ускорить действие колёс и полуоси. Несмотря на то, что подобное решение полностью противоположно остальным, такой способ оказался наиболее удачным.

Подобные разработки не только оптимизируют работу, но и позволяют снизить риски поломки автомобиля. Кроме того уменьшается процентное соотношение аварийных ситуаций на дорогах из-за неправильной работы дифференциала. Постоянное улучшение делает вождение любых наземных транспортных средств более простым, безопасным и удобным.

Главное — это своевременно проверять состояние шестерёнок и всех остальных деталей, которые оказывают непосредственное влияние на работу дифференциального узла. От этого зачастую зависит не только безотказность личного автомобиля, но и жизнь водителя и пассажиров.

Неисправности

Свободный дифференциал достаточно надёжен и сам не сломается. Но его очень часто ломает водитель своими паническими действиями при буксовании автомобиля. Дело в том, что шестерёнки дифференциала работают на подшипниках скольжения, причём самых простейших. Они не рассчитаны на долгое и тяжёлое вращение под нагрузкой, когда крутится только одно колесо.

Антифрикционные шайбы перегреваются, зубья изнашиваются, появляются люфты и стуки, а при резкой остановке колеса, внезапно попавшего на асфальт после раскрутки, ломаются оси сателлитов и шлицевые соединения.

Ремонт чаще всего заключается в замене коробки дифференциала в сборе. Иногда можно поставить ремкомплект из шестерён и пальца с новыми регулировочными шайбами. Совсем редко обходятся только регулировкой подбором шайб.

Обслуживание

ТО исправного дифференциала сводится к замене масла в редукторе или раздатке. Никаких регулировочных или иных сервисных операций не предусмотрено, только ремонт при износе и поломках. На самоблоках иногда потребуется восстановить величину предварительного натяга подбором пакета пружинных шайб.

Обычно все дифференциалы повышенного трения требуют применения специального масла типа LSD (Limited Slip), но сейчас лучшие универсальные масла уже обладают подобными свойствами, о чём указано на этикетке. В любом случае, лучше руководствоваться инструкцией изготовителя конкретного изделия.

Безопасность

Межколесный дифференциал предназначен для обеспечения безопасной и комфортной езды на дорогах различного предназначения. Некоторые недостатки рассматриваемого механизма, указанные выше, проявляются при опасном и агрессивном маневрировании по бездорожью. Следовательно, если на машине предусмотрен привод ручного блокиратора, эксплуатировать ее необходимо исключительно в соответствующих условиях.

Скоростные машины использовать без указанного механизма весьма затруднительно и небезопасно, особенно на высоких скоростях по шоссе.

Федеративное обучение с формальными дифференциальными гарантиями конфиденциальности — блог Google AI

Авторы: Брендан МакМахан и Абхрадип Тхакурта, ученые-исследователи, Google Research

В 2017 году Google представила федеративное обучение (FL) — подход, который позволяет мобильным устройствам совместно обучать модели машинного обучения (ML), сохраняя необработанные данные обучения на устройстве каждого пользователя, отделяя возможность выполнять ML от необходимости хранить данные. в облаке. С момента своего появления Google продолжал активно участвовать в исследованиях FL и развернул FL для поддержки многих функций в Gboard, включая прогнозирование следующего слова, предложение смайликов и обнаружение слов вне словаря. Федеративное обучение улучшает модели обнаружения «Окей, Google» в Ассистенте, предлагает ответы в сообщениях Google, прогнозирует выбор текста и многое другое.

В то время как FL допускает ML без сбора необработанных данных, дифференциальная конфиденциальность (DP) обеспечивает измеримую меру анонимности данных и при применении к ML может решить проблемы с моделями, запоминающими конфиденциальные пользовательские данные. Это также было главным исследовательским приоритетом и привело к одному из первых производственных применений DP для аналитики с RAPPOR в 2014 году, нашей библиотекой DP с открытым исходным кодом, Pipeline DP и TensorFlow Privacy.

Благодаря многолетним усилиям нескольких команд, охватывающим фундаментальные исследования и интеграцию продуктов, сегодня мы рады объявить, что развернули производственную модель машинного обучения с использованием федеративного обучения со строгой дифференциальной гарантией конфиденциальности. Для этого развертывания для проверки концепции мы использовали алгоритм DP-FTRL для обучения рекуррентной нейронной сети для обеспечения предсказания следующего слова для испаноязычных пользователей Gboard. Насколько нам известно, это первая производственная нейронная сеть, обученная непосредственно на пользовательских данных, объявленных с формальной гарантией DP (технически ρ = 0,81 с нулевой концентрированной дифференциальной конфиденциальностью, zCDP, подробно обсуждается ниже). Кроме того, федеративный подход предлагает дополнительные преимущества минимизации данных, а гарантия DP защищает все данные на каждом устройстве, а не только отдельные обучающие примеры.

Минимизация данных и анонимизация в федеративном обучении

Наряду с такими основными принципами, как прозрачность и согласие, принципы конфиденциальности минимизации данных и анонимизации важны в приложениях машинного обучения, которые используют конфиденциальные данные.

Системы федеративного обучения структурно включают принцип минимизации данных. FL передает только минимальные обновления для конкретной задачи обучения модели (сосредоточенный сбор), ограничивает доступ к данным на всех этапах, обрабатывает данные отдельных лиц как можно раньше (раннее агрегирование) и как можно быстрее отбрасывает как собранные, так и обработанные данные ( минимальное удержание).

Другим принципом, который важен для моделей, обученных на пользовательских данных, является анонимизация , означающая, что окончательная модель не должна запоминать информацию, уникальную для данных конкретного человека, например, номера телефонов, адреса, номера кредитных карт. Однако FL сам по себе не решает эту проблему напрямую.

Математическая концепция ДП позволяет формально количественно выразить этот принцип анонимизации. Алгоритмы дифференциального частного обучения добавляют случайный шум во время обучения, чтобы создать распределение вероятностей по выходным моделям и гарантировать, что это распределение не изменится слишком сильно при небольшом изменении обучающих данных; ρ-zCDP количественно определяет, насколько может измениться распределение. Мы называем это example-level DP при добавлении или удалении одного обучающего примера изменяет распределение вывода на моделях доказуемо минимальным образом.

Показ того, что глубокое обучение с дифференциальной конфиденциальностью на уровне примеров возможно даже в более простой обстановке централизованного обучения, стало важным шагом вперед в 2016 году. Ключевым моментом, достигнутым с помощью алгоритма DP-SGD, было усиление гарантии конфиденциальности за счет использования случайности в обучении выборки. примеры («амплификация через выборку»).

Однако, когда пользователи могут добавить несколько примеров в обучающий набор данных, DP на уровне примеров не обязательно достаточно надежен, чтобы гарантировать, что данные пользователей не будут запомнены. Вместо этого мы разработали алгоритмы для уровня пользователя DP, которые требуют, чтобы выходное распределение моделей не менялось, даже если мы добавляем/удаляем все обучающих примеров от любого одного пользователя (или все примеры от любого одно устройство в нашем приложении). К счастью, поскольку FL суммирует все данные обучения пользователя в виде одного обновления модели, федеративные алгоритмы хорошо подходят для предоставления гарантий DP на уровне пользователя.

Однако как ограничение вклада одного пользователя, так и добавление шума могут привести к снижению точности модели, поэтому поддержание качества модели при одновременном обеспечении надежных гарантий DP является ключевым направлением исследований.

Сложный путь к федеративному обучению с дифференциальной конфиденциальностью

В 2018 году мы представили алгоритм DP-FedAvg, который расширил подход DP-SGD на федеративные настройки с гарантиями DP на уровне пользователя, а в 2020 году мы впервые развернули этот алгоритм на мобильных устройствах. Такой подход гарантирует, что механизм обучения не слишком чувствителен к данным какого-либо одного пользователя, а эмпирические методы аудита конфиденциальности исключают некоторые формы запоминания.

Тем не менее, аргумент усиления через выборку важен для обеспечения надежной гарантии DP для DP-FedAvg, но в реальной системе FL для нескольких устройств обеспечение точной и равномерной случайной подвыборки устройств из большой совокупности было бы сложным и трудно проверить. Одна из проблем заключается в том, что устройства выбирают время подключения (или «регистрации») на основе многих внешних факторов (например, требование бездействия устройства, безлимитный Wi-Fi и зарядка), а количество доступных устройств может существенно различаться.

Для достижения формальной гарантии конфиденциальности требуется протокол, который выполняет все из следующего:

  • Делает успехи в обучении, даже если набор доступных устройств значительно меняется со временем.
  • Поддерживает гарантии конфиденциальности даже в случае неожиданных или произвольных изменений доступности устройства.
  • Для повышения эффективности позволяет клиентским устройствам локально решать, будут ли они регистрироваться на сервере для участия в обучении, независимо от других устройств.

Первоначальная работа по усилению конфиденциальности с помощью случайных проверок выявила эти проблемы и представила выполнимый протокол, но для его развертывания потребовались бы сложные изменения в нашей производственной инфраструктуре. Кроме того, как и в случае с анализом усиления через выборку DP-SGD, усиление конфиденциальности, возможное при случайных проверках, зависит от большого количества доступных устройств. Например, если для обучения доступно только 1000 устройств и на каждом этапе обучения требуется участие не менее 1000 устройств, для этого требуется либо 1) включить все устройства, доступные в настоящее время, и заплатить большую цену за конфиденциальность, поскольку в выборе нет случайности или 2) приостановка протокола и прекращение работы до тех пор, пока не станет доступно больше устройств.

Достижение доказуемой дифференциальной конфиденциальности для федеративного обучения с помощью DP-FTRL

Чтобы решить эту проблему, алгоритм DP-FTRL построен на двух ключевых наблюдениях: 1) сходимость алгоритмов в стиле градиентного спуска зависит в первую очередь не от точности отдельных градиентов, а от точности кумулятивных сумм градиентов; и 2) мы можем обеспечить точные оценки кумулятивных сумм с надежной гарантией DP, используя отрицательно коррелированный шум, добавленный сервером агрегирования: по сути, добавляя шум к одному градиенту и вычитая тот же самый шум из более позднего градиента. DP-FTRL эффективно выполняет это с помощью алгоритма Tree Aggregation [1, 2].

На приведенном ниже рисунке показано, как может помочь оценка кумулятивных сумм, а не отдельных градиентов. Мы смотрим, как шум, вносимый DP-FTRL и DP-SGD, влияет на обучение модели по сравнению с истинными градиентами (без добавленного шума; черным), которые делают шаг на одну единицу вправо на каждой итерации. Индивидуальные оценки градиента DP-FTRL (синие), основанные на кумулятивных суммах, имеют большую среднеквадратичную ошибку, чем оценки DP-SGD с индивидуальным шумом (оранжевые), но поскольку шум DP-FTRL имеет отрицательную корреляцию, некоторые из них отменяется от шага к шагу, а общая траектория обучения остается ближе к истинным шагам градиентного спуска.

Чтобы обеспечить надежную гарантию конфиденциальности, мы ограничиваем количество раз, когда пользователь вносит обновление. К счастью, выборку без замены относительно легко реализовать в рабочей FL-инфраструктуре: каждое устройство может локально помнить, в какие модели оно вносило свой вклад в прошлом, и не подключаться к серверу для каких-либо более поздних циклов для этих моделей.

Подробности производственного обучения и формальные заявления DP

Для производственного развертывания DP-FTRL, представленного выше, каждое подходящее устройство поддерживает локальный обучающий кэш, состоящий из ввода пользователя с клавиатуры, и при участии вычисляет обновление модели, которое повышает вероятность того, что следующее слово, фактически введенное пользователем, будет основано на данных. то, что было напечатано до сих пор. Мы запустили DP-FTRL на этих данных, чтобы обучить рекуррентную нейронную сеть с параметрами ~ 1,3 млн. Обучение длилось 2000 раундов в течение шести дней, в каждом раунде участвовало 6500 устройств. Чтобы обеспечить гарантию DP, устройства участвовали в обучении не чаще одного раза в 24 часа. Качество модели улучшилось по сравнению с предыдущей обученной моделью DP-FedAvg, которая предлагала эмпирически проверенные преимущества конфиденциальности по сравнению с моделями без DP, но не имела значимой формальной гарантии DP.

Используемый нами механизм обучения доступен с открытым исходным кодом в TensorFlow Federated и TensorFlow Privacy, а с параметрами, используемыми в нашем производственном развертывании, он обеспечивает значительную гарантию конфиденциальности. Наш анализ дает ρ = 0,81 zCDP на уровне пользователя (обработка всех данных на каждом устройстве как отдельного пользователя), где меньшие числа соответствуют лучшей конфиденциальности математически точным образом. Для сравнения, это сильнее, чем гарантия zCDP ρ = 2,63, выбранная переписью населения США 2020 года.

Следующие шаги

Несмотря на то, что мы достигли рубежа развертывания рабочей модели FL с использованием механизма, обеспечивающего существенно малый zCDP, наше исследование продолжается. Мы все еще далеки от того, чтобы сказать, что этот подход возможен (не говоря уже о практичности) для большинства моделей машинного обучения или продуктовых приложений, и существуют другие подходы к частному машинному обучению. Например, тесты на вывод о членстве и другие эмпирические методы аудита конфиденциальности могут обеспечить дополнительную защиту от утечки данных пользователей. Самое главное, мы рассматриваем модели обучения с DP на уровне пользователя даже с очень большим zCDP как существенный шаг вперед, потому что это требует обучения с механизмом DP, который ограничивает чувствительность модели к любым данным пользователя. Кроме того, это облегчает переход к более поздним моделям обучения с улучшенными гарантиями конфиденциальности по мере появления более совершенных алгоритмов или большего количества данных. Мы рады продолжить путь к максимизации ценности, которую может принести машинное обучение, при минимизации потенциальных затрат на конфиденциальность для тех, кто предоставляет обучающие данные.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Алекса Ингермана и Ома Таккара за значительное влияние на саму запись в блоге, а также команды Google, которые помогли разработать эти идеи и воплотить их в жизнь:

  • Основная исследовательская группа : Гален Эндрю, Борха Балле, Питер Кайруз, Даниэль Рэмидж, Шуанг Сун, Томас Стейнке, Андреас Терзис, Ом Таккар, Чжэн Сюй
  • Команда инфраструктуры Флориды : Кэтрин Дейли, Стефан Дирауф, Хьюберт Эйхнер, Тимон Ван Овервельдт, Чуньсян Чжэн
  • Команда Gboard : Ангана Гош, Сюй Лю, Юаньбо Чжан
  • Речевая команда : Fransoise Beaufays, Mingqing Chen, Rajiv Mathews, Vidush Mukund, Igor Pisarev, Swaroop Ramaswamy, Dan Zivkovic

Программное обеспечение Электротехническая инженерия. Домашняя страница

Как использовать дифференциальную функцию в PTW?

Функция защитного устройства в PTW v6.5 имеет новые функции для моделирования дополнительных функций, таких как дифференциал, которые можно использовать при оценке вспышки дуги. Ниже приводится краткое описание реализованной концепции дифференциальной функции, как ее можно использовать и как применять в исследовании.

Общая реализованная концепция

  • Дифференциальная функция в PTW может вычесть ток КЗ, вызванный неисправностью и прошедший через два защитных устройства, смоделированных в системе.
  • Поскольку фактические ТТ для обнаружения и преобразования токов КЗ еще доступны, два защитных устройства будут действовать вместо ТТ, и программа будет внутренне учитывать преобразование тока КЗ.
  • Фактические характеристики дифференциального реле в настоящее время не могут быть смоделированы в Captor. Однако вместо этого можно использовать общую TCC, представляющую любое регулируемое срабатывание и задержку, для представления времени срабатывания для неисправности.
  • Исходя из вышеизложенного, для определения охраняемой зоны в электрическую сеть необходимо включить два защитных устройства. Оба типа устройств должны быть установлены как дифференциальные с помощью функциональной кнопки в Captor или редакторе компонентов и связаны с библиотекой для представления общего TCC устройства и зоны защиты.

Следующий пример лучше описывает использование и применение дифференциальной функции.

Пример

На рисунках 1 и 2 представлена ​​примерная система радиального распределения, содержащая только функцию типа перегрузки по току фазы, а на рисунке 3 показаны результаты вспышки дуги для вторичной шины трансформатора, BUS-SEC, без какой-либо дифференциальной функции.

Следующие шаги можно использовать для добавления дифференциальной функции к существующей функции максимального тока фазы XFM-Relay. Это реле будет использоваться в качестве эталона для одного из трансформаторов тока, в то время как выключатель фидера PD-DCT-SEC будет использоваться в качестве другого эталонного трансформатора тока.

  • Выберите устройство XFM-Relay на чертеже Captor TCC (рис. 4) и нажмите кнопку «Функция», чтобы отобразить функции защиты.

    Рисунок 1 Рисунок 2


    Рисунок 3


    Рисунок 4

  • Нажмите кнопку «Создать» и введите «Дифференциал» в столбце «Имя функции». Выберите «Дифференциальный» в раскрывающемся меню «Тип» (рис. 5).


    Рисунок 5

  • В окне «Разница тока от выбранных устройств» будет предложено выбрать защитные устройства в качестве эталонных ТТ. Предусмотрена дополнительная возможность выбора этих устройств из связанного с TCC однолинейного чертежа или из всех устройств в проекте (рис. 6).


    Рисунок 6

  • Выберите устройства XFM-Relay и PD-DCT-Sec с помощью клавиши Ctrl + щелчок левой кнопкой мыши. Нажмите кнопку «ОК», чтобы вычесть токи упомянутого устройства и отобразить их в столбце «Суммирование/направление» (рис. 6 и 7).


    Рисунок 7

  • Обратите внимание, что флажок «Используется в дуговом разряде» недоступен для вновь созданной дифференциальной функции, поскольку в данный момент ей не назначена кривая TCC из библиотеки. Нажмите OK, чтобы вернуться к экрану Captor TCC, чтобы связать эту функцию с моделью из библиотеки.
  • После отображения дифференциала над кнопкой «Функции» нажмите кнопку «Библиотека», чтобы выбрать общую модель для этой дифференциальной функции, аналогичную устройству на рис. 8. Нажмите «Применить» и «Закрыть», чтобы просмотреть TCC новой дифференциальной функции в Captor. .
  • Обратите внимание, что имена функций (Фаза или Дифференциал) теперь добавляются в конце имени устройства XFM-Relay (Рисунок 9).
  • Нажмите кнопку «Функция» еще раз, чтобы подтвердить, что параметр «Используется в дуговом разряде» теперь доступен и для дифференциальной функции. Установите этот флажок, чтобы использовать дифференциальную функцию в Arc Flash. Обратите внимание, что флажок перед Phase автоматически снимается (рис. 10). Теперь нажмите ОК.


    Рисунок 8


    Рисунок 9


    Рисунок 10

  • Повторите шаги с 1 по 8 выше для других устройств (PD-DCT-SEC в нашем примере), если требуется полная изоляция защищаемой зоны.
  • Выберите BUS_SEC на однолинейном чертеже. Щелкните правой кнопкой мыши и выберите «Перейти/найти» > «Перейти к вспышке дуги», чтобы проанализировать результаты исследования для шины, находящейся в зоне защиты дифференциального реле (рис. 11).
  • Как показано на рис. 12, падающая энергия и требуемые СИЗ были снижены благодаря времени срабатывания дифференциальной функции, равному 0,05 с, установленному в качестве времени задержки.
  • Обратите внимание, что в данном примере добавление дифференциальной функции к другому устройству (PD-DCT-SEC) не изменит результаты исследования вспышки дуги для BUS-SEC.