14Май

Устройство дифференциала: устройство, неисправности и методика выбора |

14 Май 1992 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 / Практика Зри в шкворень: что такое шкворневая подвеска, как ее обслуживать и зачем шприцевать Слово «шкворень» сегодня кому-то кажется таким же архаизмом, как «зипун», «ендова» и «батог». На самом деле это не так: шкворни еще не покинули нас, и вполне вероятно, что некоторым придется… 262 2 0 07.10.2022

Статьи / Авто с пробегом Вдоль по трассе 60: опыт владения BMW 325i E36 Обзавестись автомобилем из культового роуд-муви «Трасса 60» – задача в нашей стране непростая. Это и длительные поиски, и «параллельный импорт», и сложная логистика, и годы мучительного ожид. .. 1323 6 5 06.10.2022

Статьи / Авто с пробегом Range Rover Evoque I с пробегом: нержавеющий кузов, отсталая мультимедиа и слабая электрика Внедорожники Range Rover традиционно были большими, прожорливыми и даже немного неуклюжими. Выход модели Evoque сломал все стереотипы о том, какой может быть машина этой британской марки. Но… 1882 1 2 05.10.2022

Популярные тест-драйвы

Тест-драйвы / Тест-драйв Haval Dargo против Mitsubishi Outlander: собака лает, чужестранец идет В дилерском центре Haval на юге Москвы жизнь кипит: покупатели разглядывают машины, общаются с менеджерами и подписывают какие-то бумаги.

Пока я ждал выдачи тестового Dargo, такой же кроссов… 12694 7 145 13.09.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв Мотор от Mercedes, эмблема от Renault, сборка от Dacia: тест-драйв европейского Logan 1,0 Казалось бы, что нового можно рассказать про Renault Logan второго поколения, известный каждому российскому таксисту, что называется, вдоль и поперёк? Однако конкретно в этом автомобиле есть… 11124 10 41 13.08.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв Geely Coolray против Haval Jolion: бесплатный сыр? Если бы! Хотите купить сегодня  машину с полноценной гарантией, в кредит по адекватной ставке, без диких дилерских накруток? Сейчас это та еще задачка, ведь полноценную цепочку «представительство – з.

.. 8059 25 30 10.08.2022

Дифференциал автомобиля — устройство, фото, типы.

Многие покупатели при выборе внедорожника наверняка сталкивались в описании той или иной модели с термином «электронная блокировка дифференциала». Но что это такое, и как работает этот самый дифференциал, знают далеко не все потенциальные владельцы автомобилей этого класса. В нашем сегодняшнем материале мы подробно расскажем, для чего машине дифференциал, каковы его разновидности и на какие автомобили он устанавливается.

На фото самоблокирующиеся дифференциалы

История создания и назначение дифференциала

На автомобилях, оснащенных двигателем внутреннего сгорания, дифференциал появился через несколько лет после их изобретения. Дело в том, что первые экземпляры машин, приводимых в действие двигателем, имели очень плохую управляемость. Оба колеса на одной оси при повороте вращались с одинаковой угловой скоростью, что приводило к пробуксовке колеса, идущего по внешнему, большему, чем внутренний, диаметру. Решение проблемы было найдено просто: конструкторы первых автомобилей с ДВС позаимствовали у паровых повозок дифференциал – механизм, изобретенный в 1828 году французским инженером Оливером Пекке-Ром. Он представлял собой устройство, состоящее из валов и шестерней, через которые крутящий момент от двигателя передается на ведущие колеса. Но после установки на автомобиль дифференциала обнаружилась еще одна проблема – пробуксовка колеса, утратившего сцепление с дорогой.

Обычно это проявлялось, когда автомобиль двигался по дороге, покрытой участками льда. Тогда колесо, попавшее на лед, начинало вращаться с большей скоростью, чем то, которое находилось на грунте или бетоне, что в итоге приводило к заносу автомобиля. Тогда конструкторы задумались об усовершенствовании дифференциала с тем, чтобы при подобных условиях оба колеса вращались с одинаковой скоростью и автомобиль не заносило. Первым, кто проводил эксперименты с созданием дифференциала с ограниченным проскальзыванием, стал Фердинанд Порше.

Фердинанд Порше

Ему понадобилось три года, чтобы разработать, протестировать и выпустить на рынок так называемый кулачковый дифференциал – первый механизм с ограниченным проскальзыванием, который устанавливался на первые модели марки Volkswagen. Впоследствии инженеры разработали различные виды дифференциалов, о которых речь пойдет ниже.

В автомобиле дифференциал выполняет три функции: 1) передает крутящий момент от двигателя к ведущим колесам, 2) задает колесам разные угловые скорости, 3) служит понижающей передачей в сочетании с главной передачей.

Устройство дифференциала

Усовершенствованный автомобильными конструкторами дифференциал устроен в виде планетарной передачи, где крутящий момент от двигателя передается через карданный вал и коническую зубчатую передачу на корпус дифференциала. Тот, в свою очередь, направляет крутящий момент на две шестерни, а уже они распределяют момент между полуосями. Сцепление между шестернями-сателлитами и полуосями имеет две степени свободы, что позволяет им вращаться с разными угловыми скоростями.

Устройство дифференциала.

Таким образом, дифференциал обеспечивает разную скорость вращения колес, расположенных на одной оси, что предотвращает и пробуксовку при повороте. После того, как был изобретен полный привод, у автомобиля появилось два, а впоследствии и три (с межосевым) дифференциала, которые распределяли крутящий момент между ведущими осями.

Уже понятно, что без дифференциала не обходится ни один автомобиль. В передне- и заднеприводных автомобилях он расположен на ведущей оси. Если у автомобиля сдвоенная ведущая ось, то здесь в конструкции трансмиссии применяют два дифференциала — по одному на каждую ось. В полноприводных машинах дифференциалов два (для моделей с подключаемым полным приводом – по одному на каждую ось) или три (для моделей с постоянным полным приводом – по одному на каждую ось, плюс межосевой дифференциал, который распределяет крутящий момент между осями). Кроме количества механизмов, устанавливаемых на автомобили с разными типами приводов, дифференциалы различают по виду блокировки.

Разновидности дифференциалов

По виду блокировки дифференциалы делятся на два – ручная и электронная блокировка. Ручная, как следует из названия, производится водителем вручную при помощи кнопки или тумблера. В этом случае шестерни-сателлиты механизма блокируются, ведущие колеса двигаются с одинаковой скоростью. Обычно ручная блокировка дифференциала предусмотрена на внедорожниках.

Ее рекомендуется включать при преодолении сложного бездорожья и отключать при выезде на обычные дороги.

Электронная или автоматическая блокировка дифференциала осуществляется при помощи электронного блока управления, который, анализируя состояние дорожного покрытия (используется информация с датчиков ABS и антипробуксовочной системы), сам блокирует шестерни-сателлиты.

Задний дифференциал с электронным управлением Range Rover Sport

По степени блокировки это устройство делится на дифференциал с полной блокировкой и дифференциал с частичной блокировкой шестерен-сателлитов.

Полная блокировка дифференциала предполагает 100%-ную остановку вращения шестерен-сателлитов, при которой сам механизм начинает выполнять функцию обычной муфты, передавая равнозначный крутящий момент на обе полуоси. Вследствие этого оба колеса вращаются с одинаковой угловой скоростью. Если же одно из колес теряет сцепление с дорогой, весь крутящий момент передается на колесо с лучшим сцеплением, что позволит преодолеть бездорожье. Такое устройство дифференциала используется на внедорожниках Toyota Land Cruiser, Mercedes-Benz G-Class и других.

Полная блокировка дифференциала

Частичная блокировка дифференциала предполагает неполную остановку вращения шестерен-сателлитов, то есть с проскальзыванием. Достигается такой эффект за счет так называемых самоблокирующихся дифференциалов. В зависимости от того, каким образом срабатывает этот механизм, их делят на два вида: Speed sensitive (функционируют при разнице в угловых скоростях вращения полуосей) и Torque sensitive (функционируют при уменьшении крутящего момента на одной из полуосей). Такое устройство дифференциала используется на внедорожниках Mitsubishi Pajero, Audi с системой полного привода Quattro, BMW с системой X-Drive и так далее.

Дифференциалы, относящиеся к группе Speed sensitive, имеют разную конструкцию. Существует механизм, в котором роль дифференциала играет вискомуфта. Она представляет собой резервуар, расположенный между полуосью и ротором карданного вала, заполненный специальной вязкой жидкостью, в которую, в свою очередь, погружены диски, сочлененные с полуосью и ротором. Когда угловая скорость вращения колес разнится (одно колесо вращается быстрее другого), диски в резервуаре тоже начинают вращаться с разными скоростями, но вязкая жидкость постепенно выравнивает их скорость, и, соответственно, крутящий момент. Как только угловые скорости обоих колес сравняются, вискомуфта отключается. По своим характеристикам вискомуфта менее надежна, чем фрикционный дифференциал, поэтому ее устанавливают на машины, предназначенные для преодоления бездорожья средней степени или спортивные модификации автомобилей.

Еще один механизм дифференциала, относящийся к группе Speed sensitive – героторный дифференциал. Здесь роль блокировки, в отличие от вискомуфты, играет масляный насос и фрикционные пластины, которые монтируются между корпусом дифференциала и шестерней-сателлитом полуосей. Но принцип действия во многом схож с таковым у вискомуфты: при возникновении разницы в угловых скоростях ведущих колес насос нагнетает масло на фрикционные пластины, которые под давлением блокируют корпус дифференциала и шестерню полуоси до тех пор, пока скорости вращения колес не сравняются. Как только это происходит, насос перестает работать и блокировка отключается.

Дифференциалы, относящиеся к группе Torque sensitive, тоже имеют разную конструкцию. К примеру, есть механизм, в котором используется фрикционный дифференциал. Его особенностью является разность угловых скоростей вращения колес при движении автомобиля на прямой и в повороте. При езде по прямой дороге угловая скорость обоих колес одинаковая, а при прохождении поворота ее значение различно для каждого колеса. Это достигается за счет установки между корпусом дифференциала и шестерней-саттелитом фрикциона, который способствует улучшению передачи крутящего момента на колесо, утратившее сцепление с дорогой.

Еще один тип дифференциалов — с гипоидным (червячным или винтовым) и косозубым зацеплением. Их условно делят на три группы.

Первая – с гипоидным зацеплением, в которой у каждой полуоси есть собственные шестерни-сателлиты. Они объединятся между собой при помощи прямозубого зацепления, причем ось шестерни располагается по отношению к полуоси перпендикулярно. При возникновении разницы в угловых скоростях ведущих колес, шестерни полуосей расклиниваются, образуется трение между корпусом дифференциала и шестернями. Происходит частичная блокировка дифференциала и крутящий момент передается на ту ось, угловая скорость вращения которой меньше. Как только угловые скорости колес выровняются, происходит деактивация блокировки.

Вторая – с косозубым зацеплением, в которой у каждой полуоси также есть свои шестерни-сателлиты (они винтовые), но их оси располагаются параллельно полуосям. А объединяются эти агрегаты между собой при помощи косозубого зацепления. Сателлиты в этой механизме установлены в специальных нишах на корпусе дифференциала. Когда угловая скорость вращения колес различается, происходит расклинивание шестерен, и они, сопрягаясь с шестернями в нишах корпуса дифференциала, частично блокируют его. При этом крутящий момент направляется на ту полуось, скорость вращения которой меньше.

Третья – с косозубыми шестернями полуосей и винтовыми шестернями сателлитов, которые располагаются параллельно друг другу. Такой тип используется в конструкции межосевого дифференциала. Благодаря планетарной конструкции дифференциала, имеется возможность посредством частичной блокировки смещать крутящий момент на ту ось, угловая скорость вращения колес которой меньше. Диапазон такого смещения весьма широк – от 65/35 до 35/65. При установлении равнозначной угловой скорости вращения колес передней и задней оси дифференциал разблокируется.

Эти группы дифференциалов получили самое широкое применение в автомобилестроении: их устанавливают как на «гражданские» модели, так и на спортивные.

Устройство дифференциала — как он работает?

К сожалению, современные дороги далеко не всегда отличаются высоким качеством дорожного покрытия и автомобиль часто вынужден преодолевать всевозможные неровности. При таких условиях движения, а также на поворотах, размещенные на главной оси колеса, проходят разные расстояния. Что бы транспортное средство не проскальзывало по дороге, его колеса должны вращаться с разной скоростью. Именно этот условие и обеспечивается автомобильным дифференциалом. Более подробно о его назначении, расположении и устройстве мы Вам расскажем в данной статье.

  • 1. Назначение дифференциала
  • 2. Расположение дифференциала
  • 3. Как устроен дифференциал
  • 4. Неисправности дифференциала

1. Назначение дифференциала

Для начала немного истории. Появление первых дифференциалов, практически совпадает с изобретением самых двигателей внутреннего сгорания. А все дело в том, что первые автомобили, оборудованные таким двигателем, очень плохо поддавались управлению: при повороте транспортного средства, угловая скорость вращения двух колес одной оси была одинаковой, вызывая тем самым, пробуксовку одного колеса, которое перемещалось по внешнему, большему диаметру.

Решение возникшей проблемы не заставило себя долго ждать: разработчики и конструкторы машин с ДВС, просто позаимствовали дифференциал у популярных на то время паровых повозок. Данный механизм был изобретен французским инженером О. Пекке-Ромом в 1828 году и являл собой некое устройство, состоящее из валов и шестерней, с помощью которых выполнялась передача крутящего момента от мотора к ведущим колесам. Однако, полностью решить проблему — тогда не удалось.

После установки дифференциала на автомобиль, возникла еще одна неточность – колесо, утратившее сцепление с дорогой, также начало пробуксовывать. Как правило, это проявлялось при движении транспортного средства по обледеневшей дороге: когда колесо попадало на лед, и начинало вращаться намного быстрее нежели то, которое оставалось на грунте. В результате, автомобиль заносило, а водитель попросту терял управление.

Случившаяся неудача заставила инженеров-конструкторов задуматься над усовершенствованием имеющегося дифференциала, которое бы в такой ситуации, смогло обеспечить одинаковую скорость вращения обоих колес, без заноса транспортного средства.

Первым ученным, который взялся за решение поставленной задачи, стал Ф.Порше. На разработку, тестирование и выпуск нового механизма с ограниченным проскальзыванием, ему понадобилось всего три года, после чего кулачковый дифференциал увидел мир (изначально устанавливался на первые Volkswagen).

В современном понимании, дифференциалом принято считать механизм, распределяющий крутящий момент входного вала между выходными полуосями главных (ведущих) колес, а на автомобилях с повышенной проходимостью, крутящий момент распределяется между двумя ведущими осями — передней и задней.

Дифференциал дает колесам возможность вращения с разной угловой скоростью, что позволяет проходить разный путь, без всякого проскальзывания по отношению к дорожному полотну. Проще говоря, приходящий на дифференциал 100% крутящий момент, может распределяться между ведущими колесами как в пропорции 50 х 50, так и в любой другой (к примеру, 60 х 40). К сожалению, иногда, пропорция может соответствовать значению и 100х0, указывающему на то, что одно колесо стоит, а другое буксует.

Описанный механизм является составляющей трансмиссии, которая, на классических и переднеприводных автомобилях, зачастую, представлена в виде сплошного блока, с имеющейся главной передачей, а на полноприводных внедорожниках встроена в раздаточную коробку. Крутящий момент, поступающий на свободный дифференциал, всегда делится поровну, не смотря на то, с какой скоростью вращаются ведущие колеса (или оси) – с одинаковой или с разной.

Когда транспортное средство перемещается по криволинейной дороге (например, при поворотах), колеса главной оси передвигаются по разным окружностям. Если выходить из соотношения с центром поворота машины, то внешнее колесо проходит сравнительно больший путь, чем колесо, оказавшееся размещенным на внутренней стороне. Чем круче поворот, тем больше будет заметна эта разница.

Проблема может возникнуть и при передвижении по прямой траектории, например, когда на автомобиле установлены ведущие колеса разного размера. Если их соединить жесткой осью, то станет ясно, что одно колесо крутиться быстрее, чем это нужно для преодоления заданного пути, а другое несколько отстает от его темпа, тоесть, крутится медленнее. В таких случаях, оба колеса будут испытывать повышенные нагрузки, а как следствие сильнее нагреваться и быстрее изнашиваться, что также приведет к увеличению расхода топлива. Более того, данный фактор отрицательно влияет на курсовую устойчивость транспортного средства, вызывая его занос или полный снос, особенно в холодную пору года, когда дорожное полотно, хоть немного, но покрывается коркой льда.

Исходя из описанной выше проблемы, становится понятно, что без компенсации разницы пути, проходимого ведущими колесами (осями) обойтись нельзя, а так как для этих целей используется дифференциал, то это делает его очень важной и необходимой составляющей частью конструкции автомобиля. В самом простом варианте, свободный дифференциал, способный уравнивать крутящие моменты (тяговые силы) обоих колес и если у них наблюдаются разные скорости вращения (линейного движения), то и мощности будут пропорциональны такой разнице. Колесо, которое крутится быстрее, расходует на это больше мощности, нежели то, которое имеет сравнительно низкую скорость вращения. Таким образом, главной задачей дифференциала есть обеспечение разной угловой скорости вращения ведущих колес, в условиях стабильно-постоянной передачи крутящего момента на оба колеса одной (ведущей) оси.

2. Расположение дифференциала

И так, мы уже выяснили, что дифференциал – это одна из основных частей конструкции трансмиссии. Теперь давайте рассмотрим, где же именно она устанавливается. В транспортном средстве, она может занимать одно из следующих расположений:

— в автомобиле, оснащенном задним приводом, дифференциал используется для привода ведущих колес и устанавливается в картере заднего моста;

— в переднеприводном транспортном средстве – размещается в коробке передач;

— в полноприводных машинах, может использоваться как для привода ведущих колес, так и для аналогичного привода мостов. В первом случае, дифференциал помещается в картер переднего и заднего мостов, а во втором – монтируется в раздаточную коробку.

С конструктивной точки зрения, дифференциал основывается на устройстве планетарного редуктора и в зависимости от вида зубчатой передачи, использующейся в нем, выделяют следующие типы данного элемента: конический дифференциал, червячный и цилиндрический.

Конический тип, в основном используется в качестве междуколесного дифференциала. Цилиндрический, как правило, занимает место между ведущими осями полноприводных автомобилей, а червячный дифференциал, принимая во внимание его универсальность, подходит для применения как между колесами, так и между осями.

Если в транспортном средстве имеется только одна ведущая ось, значит дифференциал располагается прямо на ней. Автомобили, где установлена сдвоенная ведущая ось, оборудуются двумя дифференциалами – по одному на каждой оси. Вездеходы, с возможностью отключения полного привода, также, имеют по одному дифференциалу на каждой оси. В последнем случае, для езды по дорогам, не рекомендуется использовать включенный полный привод. На транспортных средствах, оборудованных полным приводом, имеется три дифференциала: два на осях (по одному на каждой) и еще один межосевой, в задачу которого входит распределение крутящего момента между осями.

Если в автомобиле установлены три или четыре ведущие мосты (встречается на колесных формулах формула 6×6 или 8×8), к уже названным типам добавляется еще один – межтележечный дифференциал.

3. Как устроен дифференциал

На сегодняшний день, усовершенствованный конструкторами дифференциал, представлен в виде планетарной передачи, крутящий момент которой направляется от двигателя транспортного средства к корпусу самого дифференциала, проходя через кардан и коническую зубчатую передачу. В свою очередь, корпус элемента, посылает крутящий момент на шестерни, а уже от них он распределяется между полуосями.

Сцепление между полуосями и шестернями-сателлитами обладает двумя степенями свободы, что дает им возможность вращения с разными угловыми скоростями. Именно поэтому, получается, что дифференциал способствует разноскоростному вращению колес одной оси, предотвращая тем самым, их пробуксовку на поворотах. После изобретения полноприводных автомобилей, у них появились два, а чуть позже и три (включая межосевой) дифференциала, работа которых нацелена на разделение крутящего момента между ведущими осями.

К основным составляющим устройства дифференциала относят такие элементы:

Ведущий вал. Главная его задача — передача крутящего момента от коробки передач к началу самого дифференциала.

Главная (ведущая) шестерня ведущего вала. Небольшая деталь с косыми зубцами, представленная в форме конуса, которую используют для сцепления с механизмом дифференциала.

Коронная шестерня – это ведомая деталь, также имеющая форму конуса и приводящаяся в движение при помощи ведущей оси. Ведущая и ведомая шестерня (а именно так и называют коронную шестерню) являются главной передачей и служат последним этапом на пути к уменьшению скорости вращения, достигающего, в последствии, колес автомобиля. Коронная шестерня всегда меньше ведущей, а значит, последней придется выполнить намного больше оборотов, в то время как ведомая, сделает всего лишь один — кругом своей оси.

Шестерни полуосей являются последней ступенькой на пути передачи крутящего момента от ведущего вала к колесам.

Сателлиты. Как раз и представлены в виде планетарного механизма, осуществляющего ключевую задачу в вопросе обеспечения разной скорости вращения колес при повороте.

Полуоси – это валы, непосредственно соединяющие дифференциал и колеса.

Среди всего видового разнообразия дифференциалов, выделяют еще симметричные или несимметричные виды. Первый вид, обеспечивает передачу равносильного крутящего момента на каждое из колес и, обычно, дополняется главной передачей. Дифференциал второго вида, способствует выполненю передачи крутящего момента в разном соотношении и, как правило, применяется между приводными осями транспортного средства.

4. Неисправности дифференциала

Основные неисправности дифференциалов и главной передачи могут иметь следующий вид:

— износ крестовины или подшипников устройства;

— подтекание масла в местах соединения картера и заднего моста;

— износ или повреждение сальников.

Причин каждой поломки может быть несколько. Так, например, подтекание масла, чаще всего, вызвано износом уплотнителя, сальников карданных шарниров или ослаблением обоймы фланцевого сальника эластичной муфты.

Если Вы заметили повышение люфта, то скорее всего, причина кроется в износе соединений крестовины. Когда проблемы возникают в работе главной передачи, то при движении транспортного средства, в картере заднего моста, можно будет услышать небольшой характерный шум. Небольшие зазоры в подшипниках, легко устраняются посредством обычной регулировки, но если детали дифференциала и главной передачи сильно изношены, то ремонтные мероприятия здесь не помогут – их придется заменять новыми.

При длительной эксплуатации, на карданных передачах, довольно часто износу поддаются крестовины карданных валов. Степень изношенности их шипов определяется расстоянием между ними. При достижении размера меньше допустимого – крестовины подлежат замене. Также, в случае сильного износа или трещин (обломов) срочно нужно менять и вилки подшипника. Приваривается вилка путем использования электродуговой сварки, после чего, в среде углекислого газа, ее покрывают слоем флюса.

Есть на вале прогибы или нет, станет ясно в результате измерения радиального биения, выполняющегося при торце в вилках по всей длине и установке приспособлений с требуемым диаметром. Если в ходе диагностической части станет понятно, что исправность нельзя будет устранить, то придется менять вал полностью.

Устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением на основе гетероперехода фосфорен/дисульфид рения для многозначной логики

Введение

В последнее время устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR) привлекли значительное внимание из-за их свернутого тока-напряжения ( I – V ) характеристика (N-образная кривая I – V ), представляющая несколько значений порогового напряжения 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27 . Из-за этого замечательного свойства были проведены исследования, связанные с устройствами NDR, для реализации приложений многозначной логики (MVL) 1,7,11,13,26 . По сравнению с обычными бинарными логическими системами системы MVL могут передавать больше информации с меньшим количеством соединительных линий между устройствами за счет передачи многозначных сигналов, тем самым снижая сложность конструкции современных интегральных схем. Например, троичная логическая система теоретически способна уменьшить количество линий межсоединений почти на 45 % по сравнению с двоичной логикой 9.0013 28 . Устройства NDR, которые были исследованы для реализации этой системы MVL, представляют собой диоды Esaki 2,3,4,5,6,7 , резонансно-туннельные диоды 8,9,10,11,12,13,14,15. ,16,17,18,19,20 , диоды Ганна, одноэлектронные транзисторы 21,22 и молекулярные устройства 23,24 . Однако на данном этапе исследований, поскольку большинство диодов Эсаки и резонансно-туннельных диодов были изготовлены в полупроводниках Si–Ge и AIIIBV 2,3,4,8,9,10,11,12,13,14 , образование различных типов гетеропереходов (типа I, II и III) ограничено прорастающими дислокациями, которые обычно возникают на границе перехода из-за несоответствия решеток во время роста пленки. Хотя пронизывающая дислокация, которая увеличивает ток долины устройства NDR, может быть уменьшена за счет применения структур сверхрешетки и нанопроволоки, трудно избежать усложнения процесса изготовления.

В этом свете атомарно тонкие двумерные (2D) полупроводники, такие как дисульфид молибдена (MoS 2 ), диселенид вольфрама (WSe 2 ), дисульфид рения (ReS 2 ), диселенид олова (SnSe 2 ) и черный фосфор (BP), как ожидается, станут привлекательными материальными платформами для устройств NDR из-за отсутствие оборванных связей на их поверхностях. Поскольку эти двумерные полупроводниковые слои уложены друг на друга за счет слабого ван-дер-ваальсова взаимодействия, гетеропереходы на основе двумерных материалов не страдают от рассогласования решеток и образуют атомарно четкие интерфейсы, что позволяет создавать высококачественные интерфейсы гетеропереходов 29,30,31 . Также возможно спроектировать различные гетеропереходы, накладывая друг на друга различные двумерные материалы с различной шириной запрещенной зоны и сродством к электрону, где выравнивание зонной структуры можно разделить на три типа: тип-I (распределенная щель) 32 , тип-II (ступенчатая щель) 2,3,4,6,7,33,34,35,36 и тип-III (прерывистый разрыв) 5,32 . Недавно Рой и др. . 6 сообщил об устройстве NDR на основе гетероструктуры MoS 2 /WSe 2 , которая была изготовлена ​​в гетеропереходе типа II. Однако в устройстве NDR использовались двойные затворы, включающие сложный процесс изготовления для получения электростатически легированного n + /p + гетеропереход, и поведение NDR наблюдалось при очень низкой температуре ниже 175   K. Nourbakhsh et al . и Ян и др. . также сообщалось об устройствах NDR в гетеропереходах MoS 2 /WSe 2 и BP/SnSe 2 соответственно 5,7 . В этих устройствах необходимо было использовать определенную толщину 2D-полупроводников для обеспечения межзонного туннелирования носителей, а полученные значения отношения пиковых и минимальных токов (PVCR) были ниже 2 при комнатной температуре.

Здесь мы демонстрируем устройство NDR на основе гетероперехода BP/ReS 2 , которое сформировано путем выравнивания полос с разомкнутой запрещенной зоной типа III, демонстрируя высокие значения PVCR 4,2 и 6,9 при комнатной температуре и 180 K соответственно. Кроме того, в качестве приложения MVL мы представляем троичный инвертор (имеющий три состояния), который объединяет устройство NDR с гетеропереходом BP/ReS 2 и p-канальный тонкопленочный транзистор BP (TFT). Ожидается, что этот подход к интеграции, основанный на устройствах NDR, реализует преимущества маломощных будущих цепей MVL за счет уменьшения паразитной емкости межсоединений. В частности, по сравнению с гетеропереходом типа II в гетеропереходе типа III можно легко реализовать высоколегированную n + /p + гетеропереход без отдельного процесса, такого как электростатическое легирование путем смещения затвора и процесс химического легирования. Во-первых, мы подтверждаем выравнивание полосы с нарушенной запрещенной зоной гетероперехода BP/ReS 2 с помощью силовой микроскопии зонда Кельвина (KPFM). Затем подробно обсуждается механизм переноса носителей в устройстве NDR с гетеропереходом BP/ReS 2 при комнатной температуре. Кроме того, через зависящие от температуры вольтамперные характеристики ( I – В ) измерений и предложенной аналитической модели устройства NDR, в которой одновременно учитывались туннельные/диффузионные токи и паразитное последовательное сопротивление, мы количественно изучаем работу устройства в зависимости от температуры.

Результаты

Характеристики гетероструктуры BP/ReS

2

На рис. 1а представлены принципиальные схемы гетероструктуры BP/ReS 2 на подложке SiO 2 /Si. Хлопья БП были приготовлены на SiO 2 /Si методом расслоения на основе ленты 37 , а затем методом механического переноса на чешуйку BP переносили чешуйку ReS 2 (оптические изображения гетероструктуры BP/ReS 2 можно можно найти на дополнительном рис. 1) 38 . Толщина чешуек BP и ReS 2 , подтвержденная атомно-силовым микроскопом, составляет около 40 и 50 нм соответственно (рис. 1б, в). На рис. 1г показаны спектры КРС, полученные в трех разных положениях в спектре BP/ReS 9.Образец гетероструктуры 0031 2 , где спектры сверху вниз указывают на область ReS 2 , перекрывающуюся область BP/ReS 2 и область BP. Наблюдаемые пики комбинационного рассеяния АД при 366, 442 и 470 см −1 соответствуют A 1 G , B 2G и A 2 GAN. соответственно. Этот спектр комбинационного рассеяния для ReS 2 включает два заметных пика при 154 и 215 см −1 , которые относятся к плоскостным ( E 2g ) и внеплоскостным ( A 1g ) колебательным модам. Спектр КРС перекрывающейся области BP/ReS 2 содержит колебательные моды как BP, так и ReS 2 , что свидетельствует об образовании гетероструктуры. Затем для исследования выравнивания зон гетероперехода BP/ReS 2 мы провели измерения KPFM. На рис. 1e показано трехмерное картографическое изображение KPFM для BP/ReS 9.0031 2 гетероструктура и контактная разность потенциалов (Δ V CPD ) гистограммы, извлеченные из картографического изображения. Перед измерением KPFM наконечник KPFM (наконечник кремния с платиновым/иридиевым (Pt/Ir) покрытием) был откалиброван на поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ). Здесь ВОПГ обычно используется для калибровки работы выхода наконечника KPFM, поскольку он имеет чистую поверхность, а его работа выхода, как известно, составляет 4,6  эВ (ссылка 39). Среднее Δ В 9Значения 0031 CPD на хлопьях BP и ReS 2 были получены при –153 и 430 мВ соответственно. Поскольку Δ V CPD представляет собой разность работы выхода между иглой КПСМ и образцом (вставка на рис. 1f), значения работы выхода BP и ReS 2 можно рассчитать с помощью следующего уравнения : Φ с = Φ наконечник −Δ В CPD , где Φ с и 900 наконечник — рабочие функции образцов (BP и ReS 2 ) и наконечника KPFM соответственно. Здесь Φ игла получена из суммы работы выхода ВОПГ ( Φ ВОПГ ) и Δ V CPD между иглой КПФМ и поверхностью ВОПГ ( 0 Φ HOPG +Δ V CPD_HOPG ), который более подробно представлен на дополнительном рисунке 2 (ссылки 40, 41). Следовательно, значения работы выхода BP и ReS 9Пленки 0031 2 можно оценить примерно в 4,5 и 5,1  эВ соответственно (рис. 1f). Основываясь на полученных результатах KPFM и ранее опубликованных свойствах зон (минимум зоны проводимости, максимум валентной зоны и ширина запрещенной зоны ( E g )) BP и ReS 2 (ссылки 42, 43, 44), мы графически описал предсказанное выравнивание энергетических зон гетероперехода BP и ReS 2 в состоянии равновесия до контакта (рис. 1g) и после контакта (рис. 1h). Здесь минимум зоны проводимости, максимум валентной зоны и E g значения BP (ReS 2 ), рассчитанные с использованием плотности состояний из первых принципов в литературе, составили 4,2 эВ (4,68 эВ), 4,59 эВ (6,05 эВ) и 0,39 эВ (1,37 эВ). ), соответственно. Как показано на рис. 1g, гетеропереход BP/ReS 2 , по-видимому, образует выравнивание зон с нарушенной запрещенной зоной (гетеропереход типа III), поскольку верхний край валентной зоны BP расположен над самым нижним краем зоны проводимости ReS 2. . Кроме того, из-за большой разницы работы выхода (0,6 эВ) между BP и ReS 2 вблизи границы гетероперехода в BP и ReS 2 накапливаются дырочные и электронные носители (рис. 1з). Таким образом, сильно легированный гетеропереход n + /p + может быть легко реализован путем формирования выравнивания зон с нарушенной запрещенной зоной без использования отдельного процесса легирования, такого как электростатическое легирование смещением затвора или химическое легирование, которое обычно требуется в гетеропереход типа II для реализации устройства NDR 2,3,4,6,7,33,34,35,36 .

Рис. 1. Гетероструктура BP/ReS 2 .

( a ) Схематическое изображение гетероструктуры BP/ReS 2 на подложке SiO 2 /Si. ( b ) АСМ (атомно-силовой микроскоп) изображение образца гетероструктуры BP/ReS 2 . ( c ) Толщины хлопьев BP (вверху) и ReS 2 (внизу), соответствующие желтым линиям, отмеченным в b . ( d ) Спектры комбинационного рассеяния ReS 2 , BP/ReS 2 перекрываются и BP области. ( e ) Трехмерное картографическое изображение KPFM гетероструктуры BP/ReS 2 (вверху) и распределения гистограмм Δ V CPD , извлеченные из изображения картирования KPFM (внизу). ( f ) Значения работы выхода пленок BP и ReS 2 . На вставке показано схематическое изображение системы измерения KPFM. ( г , ч ) Выравнивание энергетических зон BP и ReS 2 гетеропереход в равновесии ( г ) до и ( ч ) после контакта. E C , E F и E V — низший энергетический уровень зоны проводимости, уровень Ферми и высший энергетический уровень валентной зоны полупроводников соответственно.

Увеличенное изображение

BP/ReS

2 Устройство NDR на основе гетероперехода

После изготовления устройства NDR на основе BP/ReS 2 гетероперехода, как показано на рис. 2а, были проведены электрические измерения в приборе НДР при комнатной температуре. На рис. 2б представлена ​​вольт-амперная ( I – В ) характеристика устройства НДВ в линейном масштабе. Здесь поведение NDR наблюдалось между 0,4 В и 0,9 В с PVCR 4,2, что является самым высоким значением в ранее зарегистрированных устройствах NDR на основе 2D-материалов 5,6,7,16,17,18,19 . Отметим также, что аналогичные электрические характеристики наблюдались в трех разных BP/ReS 9.0031 2 Устройства NDR со значениями PVCR от 3,8 до 4,1 (вставка к рис. 2 и дополнительный рис. 3). Кроме того, чтобы понять механизм работы устройства BP/ReS 2 NDR, мы теоретически исследовали токовую характеристику, рассматривая туннельные и диффузионные токи, используя разработанную нами теоретическую модель. Уравнения, относящиеся к текущим механизмам переноса, можно найти на дополнительном рис. 4, а параметры, используемые в аналитической модели, сведены в таблицу в дополнительной таблице 1. Экспериментально измеренные и теоретически рассчитанные I – V кривые показаны на рис. 2в. При отрицательном напряжении и положительном напряжении от 0 до 0,7 В туннельный ток, по-видимому, доминирует над диффузионным током, тогда как диффузионный ток в основном способствует работе устройства NDR при приложении более высокого напряжения (выше 0,7 В). Это графически поясняется на рис. 2d, на котором показано расположение полос гетероперехода BP/ReS 2 при различных условиях смещения. При подаче отрицательного напряжения ( V <0 V), носители электронов способны туннелировать из заполненных состояний валентной зоны в BP в пустые состояния зоны проводимости в ReS 2 , что приводит к увеличению тока. Точно так же, когда приложено небольшое положительное напряжение (0 В< В <0,4 В), ток увеличивается, потому что электронные носители в состояниях зоны проводимости ReS 2 туннелируются в пустые состояния валентной зоны BP. Этот ток устройства NDR непрерывно увеличивается до уровня Ферми ReS 9.0031 2 совпадает с наивысшей энергией валентной зоны BP, где заполненные состояния в ReS 2 максимально перекрываются с незанятыми состояниями BP, вызывая максимальный туннельный ток (пиковый ток). Дальнейшее увеличение напряжения (0,4 В< В <0,9 В) приводит к уменьшению тока, поскольку степень перекрытия между заполненным и пустым состояниями уменьшается из-за области запрещенной зоны. Следовательно, туннельный ток уменьшается с ростом напряжения, и поведение NDR получается таким, как показано на рис. 2b,c. При подаче высокого напряжения ( В >0,9 В), туннельный ток уже не влияет на работу устройства NDR, и электронные носители способны диффундировать из ReS 2 в BP за счет сокращения потенциального холма в гетеропереходе BP/ReS 2 , следовательно, снова увеличивая ток устройства BP/ReS 2 NDR. Здесь самое низкое значение тока, которое наблюдается за пределами пикового тока, называется током впадины. Затем мы извлекли значения пикового и минимального тока устройства NDR для восьми последовательных I – V разверток, где наблюдались стабильные пиковые и минимальные значения тока, как показано на рис. 2e. На рис. 2f показаны зависимости тока стока от напряжения стока ( I D – V D ) при различных условиях смещения затвора, что также подтверждает уменьшение пикового тока при уменьшении напряжения затвора. Когда напряжение на затворе варьировалось от 30   В до -30   В, уровень Ферми БП смещался вниз из-за накопления дырочных носителей, что увеличивало степень изгиба энергетической зоны в области БП (дополнительный рис. 5). Уровень Ферми многослойного ReS 2 на BP, по прогнозам, будет слабо модулирован приложенным смещением затвора из-за толстого BP (сильный эффект электростатического экранирования). Смещенная вниз энергетическая полоса в области БП должна была образовать потенциальную яму на границе гетероперехода, где была получена гораздо более высокая высота потенциального барьера 45 . Это приводит к уменьшению пикового тока устройства BP/ReS 2 NDR с уменьшением напряжения на затворе, поскольку сильно ограниченные электронные носители в потенциальной яме трудно покинуть потенциальную яму. Снижение пикового тока в BP/ReS 2 Устройства NDR с уменьшающимся напряжением затвора также можно оценить с использованием кривых I D – V D , рассчитанных с помощью аналитической модели (дополнительный рис. 5). Таким образом, PVCR устройства BP/ReS 2 NDR модулировался между 4,26 и 3,46 A/A путем применения различных напряжений затвора, как показано на рис. 2g.

Рис. 2. Электрические характеристики устройства NDR на основе гетероперехода BP/ReS 2 при комнатной температуре.

( a ) Иллюстрация устройства NDR с гетеропереходом BP/ReS 2 . ( b ) Вольт-амперная ( I – V ) характеристика прибора БП/РэС 2 НДР в линейной шкале. На вставке показаны значения PVCR для трех различных устройств BP/ReS 2 NDR. ( c ) Экспериментально измеренные и теоретически рассчитанные I – V кривые устройства BP/ReS 2 NDR в логарифмическом масштабе. ( д ) Выравнивание энергетических зон гетероперехода BP/ReS 2 при различных условиях смещения. Ширина красной стрелки представляет величину тока. ( e ) Извлеченные значения пикового и минимального тока устройства BP/ReS 2 NDR за восемь последовательных разверток I – V . ( f ) Кривые зависимости тока стока от напряжения стока ( I D – В D ) при различных смещениях затвора от 30 В до −30 В ( г ) Значения PVCR устройства BP/ReS 2 NDR в зависимости от напряжения затвора.

Увеличенное изображение

Кроме того, для анализа температурной зависимости транспорта носителей в устройстве BP/ReS 2 NDR были выполнены измерения I – V при различных температурах от 180 до 300 K. на рис. 3а пиковый ток ( I пик ) увеличился, тогда как ток впадины ( I впадина ) уменьшился при снижении температуры, что привело к улучшению значения PVCR с 4,02 до 6,78 А/А (рис. 3б). Кроме того, пиковое напряжение ( В пик ) и напряжения впадины ( В впадина ) значения сдвигались в положительную сторону по мере снижения температуры измерения. Для количественного анализа температурно-зависимых электрических характеристик устройства NDR BP/ReS 2 мы использовали предложенную аналитическую модель устройства NDR. Расчетные характеристики I – V при различных температурах представлены на дополнительном рис. 6, где I – V 9Кривые 0006, рассчитанные с помощью аналитической модели, хорошо согласовывались с измеренными данными I – V . На рис. 3с показаны данные I пика в зависимости от температуры, которые были извлечены из экспериментально измеренных и теоретически рассчитанных характеристик I – V . Поскольку большая часть I вершины в основном занята I туннелем , как показано на рис. 2c, I пик , по-видимому, связан с плотностью состояний в зоне проводимости ReS 2 и валентной зоне BP, где плотность занятых или пустых состояний определяется функцией Ферми–Дирака. Таким образом, мы сосредоточились на анализе температурной зависимости распределения Ферми-Дирака. С понижением температуры распределение Ферми–Дирака вблизи уровня Ферми BP и ReS 2 становится резким, что увеличивает вероятность заполнения состояний ( f ( E )) в зоне проводимости ReS 2 , как показано на вставке к рис. 3в, где f ( E ) при энергии E из E 6

6 −0,03 эВ составляли 0,76 и 0,87 при 300 К и 180 К соответственно. Между тем, f ( E ) в валентной зоне БП уменьшается (тем самым увеличивается вероятность пустых состояний) с понижением температуры, где f ( E ) при энергии E = E F +0,03 эВ составляли 0,24 и 0,13 при 300 и 180 К соответственно. Это впоследствии увеличивает I туннель из-за увеличения количества занятых состояний в зоне проводимости ReS 2 и уменьшения пустых состояний в валентной зоне BP, что в конечном итоге приводит к небольшому увеличению I пика (2,7  нА). при 300 К и 3,0 нА при 180 К на рис. 3в). Напротив, поскольку доминирующее течение I долины составляет I diff , который зависит от температуры (см. вставку к рис. 3г), I долина , по прогнозам, уменьшается с понижением температуры (0,67  нА при 300 К и 0,45 нА при 180 К, на рис. 3д). В целом, в приборе BP/ReS 2 NDR температурные зависимости I пик и I впадина были представлены по-разному за счет увеличения I туннеля и уменьшения diff по мере снижения температуры измерения. Между тем, мы также рассмотрели паразитное последовательное сопротивление ( R s ) в аналитической модели для точного анализа работы устройства. R s в основном связано с контактным сопротивлением между металлическим электродом и полупроводником 46 . Здесь уменьшение концентрации носителей n-типа из-за снижения температуры приводит к увеличению ширины истощения на переходе металл/полупроводник (MS) и, таким образом, к подавлению эффекта снижения высоты барьера, зависящего от электронного поля, что в конечном итоге увеличивает контактное сопротивление на переходе MS (дополнительный рис. 7) 47 . Таким образом, как показано на рис. 3е, положительно сдвинутые В пик и В впадина наблюдались по мере снижения температуры измерения, поскольку для работы устройства NDR требовалось более высокое напряжение из-за увеличения R S при пониженной температуре.

Рис. 3. Зависящие от температуры электрические характеристики устройства BP/ReS 2 NDR.

( a ) I – V Кривые BP/ReS 2 Устройство NDR при различных температурах от 180   K до 300   K. ( b ) Значения PVCR устройства BP/ReS 2 NDR в зависимости от температуры. ( c – e ) Пиковый ток ( c ), минимальный ток ( d ), минимальные и пиковые значения напряжения устройства BP/ReS 2 NDR как функция температуры ( e ), которые были извлечены из экспериментально измеренных и теоретически рассчитанных I – V характеристических кривых. На вставке к c показана вероятность занятости состояний ( f ( E )) как функция заданной энергии E относительно E F ( E −

1 F

5 E

5 ). На вставке в d показан теоретически рассчитанный диффузионный ток устройства BP/ReS 2 NDR при различных температурах.

Изображение в натуральную величину

Тернарный инвертор с тремя логическими состояниями

Наконец, мы изготовили тройной инвертор, который является основным строительным блоком в приложениях MVL, как схематично показано на рис. 4a. Этот троичный инвертор был сформирован путем интеграции устройства NDR с гетеропереходом BP/ReS 2 в качестве драйвера со встроенным p-канальным TFT BP в качестве нагрузочного резистора, где общее сопротивление в TFT BP можно было контролировать с помощью примененного затвора. напряжение (дополнительный рис. 8). На рис. 4b,c показаны эквивалентная конфигурация схемы и оптическое изображение троичного инвертора соответственно. Поставка ( В ДД ) и входные напряжения ( В В ) подавались на истоковый электрод на БП и задний затвор. Металлический электрод на ReS 2 (электрод истока в приборе BP/ReS 2 NDR) подключали к земле ( V SS ), после чего измеряли выходное напряжение ( V OUT ) на средний общий электрод (электрод стока в BP TFT и в приборе BP/ReS 2 NDR). 94г, где В DD составляло 2 В. , В OUT показали три различных состояния: (i) В OUT >1,7 В (состояние «2») для 5 В< В IN <8 В, (ii) 0,8 В ВЫХ <1,12 В (состояние «1») для 12 В< В IN <18 В и (iii) В OUT <0,24 В (состояние «0») для 20 В< В IN <25 В. выполнил анализ цепи нагрузки, в котором пересечения двух характеристических кривых указывают на рабочие точки этой цепи. Как показано на рис. 4e, при низкоомном напряжении В IN (5 В< В IN <8 В) нагрузочный резистор (BP TFT) обеспечивает низкоомный путь между источником ( В ДД ) и стоковые (выходные) узлы БП ТПТ, поскольку приложенное В В выше порогового напряжения ( В TH ) БП ТПТ (дополнительный рис. 8) . Так, на выходной клемме были измерены высокие значения напряжения (логическое состояние «2»), близкие к В DD (синие кружки на рис. 4д). Напротив, при подаче высокого напряжения В IN (20 В< В IN <25 В) BP TFT отключался ( В IN < В TH ), что создает цепь с низким сопротивлением между выходной клеммой и землей. Следовательно, это представило низкие значения напряжения (логическое состояние «0») на выходной клемме (красные кружки на рис. 4e). При умеренном В IN (12 В< В IN <18 В) рабочие точки располагались в области НДР на кривой I – В кривой BP/ReS. 2 Устройство NDR, как показано на рис. 4f. Это привело к промежуточным выходным значениям (логическое состояние «1») с небольшими колебаниями из-за дисбаланса рабочих точек, где находились три пересечения. В целом, благодаря интеграции BP/ReS 2 НДР устройство со встроенным БП ТПТ, троичный инвертор просто демонстрировался как приложение МВЛ.

Рис. 4: Тройной инвертор с тремя логическими состояниями.

( a ) Схематическое изображение тройного инвертора. ( b ) Эквивалентная конфигурация схемы троичного инвертора. ( c ) Оптическое изображение троичного инвертора. ( d ) V IN по сравнению с V OUT характеристика тройного инвертора. На вставке показана таблица ввода-вывода троичного инвертора. ( e , f ) Анализ линии нагрузки тройной схемы инвертора при трех условиях смещения: ( e ) 5 В< В IN <8 В, 20 В< В

2 IN

1

1

1 25 В и ( f ) 12 В< В IN <18 В. ) представлены сплошной и пунктирной линиями соответственно.

Полноразмерное изображение

Обсуждение

Мы продемонстрировали устройство NDR на основе гетероперехода BP/ReS 2 с высокими значениями PVCR 4,2 и 6,8 при комнатной температуре и 180 K соответственно. Эта характеристика NDR может быть легко достигнута путем формирования выравнивания зон с нарушенной запрещенной зоной (тип III) без отдельного процесса, такого как электростатическое легирование путем смещения затвора и процесс химического легирования, который обычно требуется в гетеропереходе типа II для реализации устройство НДР. Выравнивание полос с разрывом промежутка BP/ReS 9Гетеропереход 0031 2 был подтвержден измерениями KPFM, где запрещенные зоны BP и ReS 2 вообще не перекрывались (тип-III). Кроме того, механизмы транспорта носителей в устройстве NDR BP/ReS 2 были подробно исследованы путем анализа туннельных и диффузионных токов при различных температурах от 180 до 300 K с использованием предложенной аналитической модели устройства NDR. В частности, мы подтвердили, что I пик увеличился, а I впадина уменьшилась по мере снижения температуры измерения, в результате чего значение PVCR улучшилось с 4,02 до 6,8. Наконец, мы продемонстрировали троичный инвертор в качестве приложения MVL, который был изготовлен путем интеграции устройства NDR с гетеропереходом BP/ReS 2 со встроенным TFT BP. В характеристике троичного инвертора В В по сравнению с В ВЫХ при изменении В В от 5 до 25 В, V OUT показал три разных значения (состояния «2», «1» и «0»). Это исследование двумерного гетероперехода материала является шагом вперед к будущим исследованиям многозначных логических устройств.

Методы

Изготовление устройств NDR на основе BP/ReS

2 на основе гетеропереходов

Чешуйка BP была расслоена на подложку SiO 2 /Si толщиной 90 нм с помощью клейкой ленты (224SPV, Nitto). Затем чешуйка ReS 2 была перенесена на чешуйку BP с использованием метода механического переноса. Наконец, области электродов истока и стока были сформированы с помощью оптической литографии, и слои Ti/Pd (10/30 нм) были нанесены на систему электронно-лучевого испарения с последующим процессом отрыва.

Изготовление тройного инвертора

С помощью метода механического переноса чешуйка ReS 2 была уложена на чешуйку BP, которая была расслоена на подложку SiO 2 /Si толщиной 90 нм. Области металлических электродов определяли с использованием обычного процесса фотолитографии. Наконец, слои Ti/Pd (10/30 нм) были нанесены методом электронно-лучевого испарения для формирования контактов для BP и ReS 2 с последующим процессом отрыва в ацетоне. BP/ReS 2 9Устройства 0032 NDR и BP TFT были разработаны для работы в качестве драйвера и нагрузочного резистора для троичного инвертора соответственно. На исток БП ТПТ подавалось напряжение В ДД , а исток прибора БП/РэС 2 подключался к земле ( В СС ). Общий задний затвор приборов BP TFT и BP/ReS 2 NDR служил входным электродом напряжения ( V IN ). Выходное напряжение ( В OUT ) измеряли на электроде стока прибора BP/ReS 2 NDR.

Характеристика гетеропереходов BP/ReS

2

Исследования комбинационного рассеяния проводились с использованием системы микро-рамановского спектрометра WITec с лазерным лучом Nd-YAG с удвоенной частотой (лазерное возбуждение 532 нм). Анализ атомно-силового микроскопа проводили на установке XE 100 (Park Systems Corp.). Измерения электрического переноса проводились при комнатной температуре в условиях окружающей среды на зондовой станции с Keysight B29.12А. Зависящие от температуры электрические характеристики измеряли в вакуумной камере (ниже 10 -4 Торр) с использованием анализатора параметров полупроводников Keithley 4200. Измерение KPFM было выполнено с использованием NTEGRA Spectra (NT-MDT).

Теоретическая модель транспорта носителей в гетеропереходах BP/ReS

2

Туннельный ток ( I туннель ) и диффузионный ток ( I diff ) были рассмотрены для понимания механизма работы BP/ReS. Рез 2 Устройство отчета о недоставке. Туннель I можно получить из

, где α — коэффициент экранирования, q — заряд элементарного элемента, h — постоянная Планка, E V2BP 9 в BP, E C_Re — самая низкая энергия зоны проводимости в ReS 2 . DOS BP ( E ), DOS Re ( E ), f BP ( E ) и f Re ( E ) означают плотность состояний и функции распределения Ферми–Дирака BP и ReS 2 соответственно.

I DIFF получается с

, где I 0 — ток насыщения, V — прикладное напряжение, I — ток спредничества, R S — контактный ток, R S IS The Cunction Tack, R S. последовательное сопротивление, η id – фактор идеальности, k B — постоянная Больцмана, T — температура.

Доступность данных

Данные, подтверждающие результаты этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Дополнительная информация

Как цитировать эту статью: Shim, J. et al . Устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением на основе гетероперехода фосфорен/дисульфид рения для многозначной логики. Нац. коммун. 7, 13413 doi: 10.1038/ncomms13413 (2016).

Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Ссылки

  1. Ган, К.-Дж., Цай, К.-С., Чен, Ю.-В. и Йе, В.-К. Схема многозначной логики, управляемая напряжением, с использованием устройств с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Твердотельный электрон. 54 , 1637–1640 (2010).

    КАС Статья Google ученый

  2. Ганджипур, Б. и др. Туннельные диоды Esaki с высокой плотностью тока на основе нанопроводов гетероструктуры GaSb-InAsSb. Нано Летт. 11 , 4222–4226 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  3. Desplanque, L. et al. Влияние наноразмерной огранки на туннельные свойства гетеропереходов InAs/AlGaSb, выращенных методом селективной эпитаксии. Нанотехнологии 25 , 465302 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  4. Li, Q., Han, Y., Lu, X. & Lau, K.M. Ребристые туннельные диоды GaAs-InGaAs-GaAs на подложках (001) Si с отношением пикового тока к минимальному току при комнатной температуре 5.4. IEEE Electron Dev. лат. 37 , 24–27 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  5. Ян Р. и др. Диоды Эсаки в ван-дер-ваальсовых гетеропереходах с выравниванием энергетических зон с разрывом запрещенной зоны. Нано Летт. 15 , 5791–5798 (2015).

    КАС Статья Google ученый

  6. Рой, Т. и др. Туннельные диоды и транзисторы Ван-дер-Ваальса MoS2/WSe2 с двойным затвором. ACS Nano 9 , 2071–2079 (2015).

    КАС Статья Google ученый

  7. Нурбахш А., Зубаир А., Дрессельхаус М. С. и Паласиос Т. Транспортные свойства транзистора с гетеропереходом MoS2/WSe2 и возможности его применения. Нано Летт. 16 , 1359–1366 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  8. Schmidt, O.G. et al. Резонансные туннельные диоды, состоящие из самособирающихся островков Ge/Si. Заяв. физ. лат. 77 , 4341–4343 (2000).

    КАС Статья Google ученый

  9. Duschl, R. & Eberl, K. Физика и применение резонансных межзонных туннельных диодов Si/SiGe/Si. Тонкие твердые пленки 380 , 151–153 (2000).

    КАС Статья Google ученый

  10. См. П. и Пол Д. Дж. Масштабированные характеристики резонансно-туннельных диодов Si/Si1-xGex. IEEE Electron Dev. лат. 22 , 582–584 (2001).

    КАС Статья Google ученый

  11. Джин, Н. и др. Логика с тремя состояниями с использованием вертикально интегрированных резонансных межзонных туннельных диодов Si-SiGe с двойным NDR. IEEE Electron Dev. лат. 25 , 646–648 (2004).

    КАС Статья Google ученый

  12. Браун, Э. Р. и др. Колебания до 712 ГГц в резонансно-туннельных диодах InAs/AlSb. заявл. физ. лат. 58 , 2291–2293 (1991).

    КАС Статья Google ученый

  13. Вахо Т., Чен К. Дж. и Ямамото М. Резонансно-туннельный диод и логические схемы HEMT с несколькими порогами и многоуровневым выходом. IEEE J. Твердотельные схемы 33 , 268–274 (1998).

    Артикул Google ученый

  14. Накамура, М., Такахаги, С., Сайто, М. и Сухара, М. Анализ монолитной интегрированной ректенны с использованием трехбарьерного резонансного туннельного диода InGaAs/InAlAs для обнаружения субмиллиметровых волн с нулевым смещением. физ. Status Solidi C 9 , 377–380 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  15. Фаллахазад, Б. и др. Настраиваемое затвором резонансное туннелирование в двойных двухслойных графеновых гетероструктурах. Нано Летт. 15 , 428–433 (2015).

    КАС Статья Google ученый

  16. Бритнелл, Л. и др. Резонансное туннелирование и отрицательная дифференциальная проводимость в графеновых транзисторах. Нац. Коммуна 4 , 1794 (2013).

    КАС Статья Google ученый

  17. Мищенко А. и др. Резонансное туннелирование, управляемое поворотом, в гетероструктурах графен/нитрид бора/графен. Нац. Нанотехнологии 9 , 808–813 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  18. Нгуен, Л.-Н. и другие. Резонансное туннелирование через дискретные квантовые состояния в многоуровневом атомарно-слоистом MoS2. Нано Летт. 14 , 2381–2386 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  19. Лин Ю.-К. и другие. Атомарно-тонкие резонансные туннельные диоды, построенные из синтетических ван-дер-ваальсовых гетероструктур. Нац. коммун. 6 , 7311 (2015).

    КАС Статья Google ученый

  20. Букс, Г., Руфьё, П., Грёнинг, П. и Грёнинг, О. Отрицательное дифференциальное сопротивление, вызванное дефектами, в одностенных углеродных нанотрубках. заявл. физ. лат. 93 , 073115 (2008 г.).

    Артикул Google ученый

  21. Heij, C.P., Dixon, D.C., Hadley, P. & Mooij, J.E. Отрицательное дифференциальное сопротивление из-за одноэлектронного переключения. Заяв. физ. лат. 74 , 1042–1044 (1999).

    КАС Статья Google ученый

  22. Симонян Н., Ли Дж., Лихарев К. Отрицательное дифференциальное сопротивление при последовательном одноэлектронном туннелировании через атомы и молекулы. Нанотехнологии 18 , 424006 (2007).

    Артикул Google ученый

  23. Чен Дж., Рид М.А., Роулетт А.М. и Тур Дж.М. Большие коэффициенты включения-выключения и отрицательное дифференциальное сопротивление в молекулярном электронном устройстве. Наука 286 , 1550–1552 (1999).

    КАС Статья Google ученый

  24. Ментович Э.Д. и др. Многопиковое молекулярное устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Малый 4 , 55–58 (2008).

    КАС Статья Google ученый

  25. Ву, Ю. и др. Трехвыводные графеновые устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением. ACS Nano 6 , 2610–2616 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  26. Лю Г. , Ахсан С., Хитун А. Г., Лейк Р. К. и Баландин А. А. Небулевы логические схемы на основе графена. J. Appl. физ. 114 , 154310 (2013).

    Артикул Google ученый

  27. Шарма, П., Бернард, Л.С., Базигос, А., Магрес, А. и Ионеску, А.М. Отрицательное дифференциальное сопротивление при комнатной температуре в графеновых полевых транзисторах: эксперименты и теория. ACS Nano 9 , 620–625 (2015).

    КАС Статья Google ученый

  28. Херст, С. Л. Многозначная логика — ее статус и ее будущее. IEEE Trans. Комп. c-33 , 1160–1179 (1984).

    Артикул Google ученый

  29. Wang, L. et al. Одномерный электрический контакт с двумерным материалом. Наука 342 , 614–617 (2013).

    КАС Статья Google ученый

  30. Джо, С. -Х. и другие. Высокоэффективный фотодетектор WSe2/h-BN, использующий метод n-легирования на основе трифенилфосфина (PPh4). Доп. Матер. 28 , 4824–4831 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  31. Шим, Дж. и Парк, Дж.-Х. Оптимизация барристора графен-MoS2 с помощью 3-аминопропилтриэтоксисилана (APTES). Орг. Электрон 33 , 172–177 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  32. Чжан Дж., Чжан М., Сун Р.-К. и Ван, X. Простое выравнивание зон полимерных полупроводников из нитрида углерода для построения изотипных гетеропереходов. Анжю. хим. Междунар. Эд. 124 , 10292–10296 (2012).

    Артикул Google ученый

  33. Ли, К.-Х. и другие. Атомарно тонкие p–n-переходы с ван-дер-ваальсовыми гетерограницами. Нац. нанотехнологии. 9 , 676–681 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  34. Fang, H. et al. Сильная межслойная связь в ван-дер-ваальсовых гетероструктурах, построенных из однослойных халькогенидов. Проц. Натл акад. науч. США 111 , 6198–6202 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  35. Furchi, M.M. et al. Фотогальванический эффект в электрически перестраиваемом гетеропереходе Ван-дер-Ваальса. Нано Летт. 14 , 4785–4791 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  36. Hong, X. et al. Сверхбыстрый перенос заряда в атомарно тонких гетероструктурах MoS2/WS2. Нац. нанотехнологии. 9 , 682–686 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  37. Кан, Д. -Х. и другие. Сверхэффективный фотоприемник на основе гибридной структуры перовскит-переходный металл-дихалькогенид. Доп. Матер. 28 , 7799–7806 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  38. Шим, Дж. и др. Чрезвычайно большая модуляция затвора в вертикальном барристоре на гетеропереходе графен/WSe2 на основе нового транспортного механизма. Доп. Матер. 28 , 5293–5299 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  39. Такахаши Т., Токайлин Х. и Сагава Т. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением незанятой зонной структуры графита. Физ. Ред. B 32 , 8317–8324 (1985).

    КАС Статья Google ученый

  40. Шим, Дж. и др. Высокоэффективные двумерные рениево-дисульфидные (ReS2) транзисторы и фотодетекторы, обработанные кислородной плазмой. Доп. Матер. 28 , 6985–6992 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  41. Джо, С.-Х. и другие. Фотодетектор из диселенида рения с широким диапазоном обнаружения, усиленный обработкой (3-аминопропил)триэтоксисиланом и трифенилфосфином. Доп. Матер. 28 , 6711–6718 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  42. Перелло, Д. Дж., Че, С. Х., Сонг, С. и Ли, Ю. Х. Высокопроизводительные транзисторы с черным фосфором n-типа с управлением типом с помощью толщины и контактного металла. Нац. коммун. 6 , 7809 (2015).

    КАС Статья Google ученый

  43. Liu, X. et al. Полевые транзисторы на основе черного фосфора с одновременным достижением близкого к идеальному подпорогового размаха и высокой подвижности дырок при комнатной температуре. науч. Респ. 6 , 24920 (2016).

    КАС Статья Google ученый

  44. Хо, С. Х., Хуанг, Ю. С., Чен, Дж. Л., Данн, Т. Э. и Тионг, К. К. Электронная структура ReS2 и ReSe2 на основе расчетов из первых принципов, фотоэлектронной спектроскопии и электроотражения электролита. Физ. Ред. B 60 , 15766–15771 (1999).

    КАС Статья Google ученый

  45. Михайлова М.П., ​​Моисеев К.Д., Яковлев Ю.П. Индуцированные интерфейсом оптические и транспортные явления в одиночных гетеропереходах II типа с разрывом запрещенной зоны. Полуконд. науч. Технол. 19 , R109–R128 (2004 г.).

    КАС Статья Google ученый

  46. Zhou, P. et al. Высокоэффективные GaAs/AlGaAs лазеры с низким последовательным сопротивлением и вертикальным резонатором с поверхностным излучением и непрерывно градуированными зеркалами, выращенными методом MOCVD. Технология фотоники IEEE. Lett 3 , 591–593 (1991).

    Артикул Google ученый

  47. Райдеут В. Л. Обзор теории, технологии и применения металло-полупроводниковых выпрямителей. Тонкие твердые пленки 48 , 261–291 (1978).

    КАС Статья Google ученый

Скачать ссылки

Дифференциал (механическое устройство) Факты для детей

Детская энциклопедия Факты

Штриховая схема дифференциала. (1) Зубчатый венец, (2) Шестерни, (3) Ведущий вал, (4) Ведущая шестерня, (5) Правая ось, (6) Боковые шестерни, (7) Левая ось

Дифференциал представляет собой механическое устройство состоит из нескольких шестерен. Он используется практически во всех механизированных четырехколесных транспортных средствах. Он используется для передачи крутящего момента от карданного вала к ведущим колесам. Его основная функция — позволить ведущим колесам вращаться с разной скоростью вращения, позволяя колесам проходить повороты, продолжая получать мощность от двигателя.

Различные типы

  • Открытый дифференциал (OD) является наиболее распространенным типом. Он также является наименее дорогим. Открытый дифференциал позволяет автомобилю проходить повороты без волочения внешнего колеса. Однако мощность передается на колесо с наименьшим сцеплением с дорогой. Если это колесо находится на льду или другой скользкой поверхности, транспортное средство не будет двигаться вперед, а колесо с усилителем просто будет вращаться. В автомобилях с приводом на два колеса, если они имеют открытый дифференциал, они имеют только одно ведущее колесо. В полноприводных автомобилях с открытыми дифференциалами (обычно заводскими) только одно колесо на каждой оси приводит в движение автомобиль. Преимущества включают в себя редкое разрушение оси, меньший износ шин, и они бесплатны, поскольку большинство новых автомобилей поставляются с открытыми дифференциалами.
  • Дифференциал повышенного трения (LSD) решает эту проблему. Используя ряд сцеплений (называемых пакетом сцеплений), LSD допускает ограниченное проскальзывание колес, сохраняя при этом мощность на оба ведущих колеса. LSD популярны в гоночных автомобилях, так как часто бывают случаи, когда они выходят из поворота и нуждаются в ускорении без потери мощности на одно ведущее колесо.
  • Блокирующий дифференциал (блокировка) способен блокировать два ведущих колеса на оси вместе. Преимущество в том, что оба колеса всегда имеют мощность. Недостатком является то, что поворачивать намного сложнее, так как оба колеса должны вращаться с одинаковыми оборотами. Таким образом, большинство шкафчиков должны быть отключены при резких поворотах. Шкафчики также могут создать для водителя некоторые опасные ситуации. Например, при движении по склону (движение поперек), если одно ведущее колесо теряет сцепление с дорогой, оба теряют сцепление с дорогой, и автомобиль может скользить вниз по склону. Водителей часто предупреждают, чтобы они не пересекали склон, если поверхность рыхлая или скользкая. Шкафчики могут включаться и выключаться механически, электронным способом (электронный шкафчик) или с помощью сжатого воздуха (воздушный шкафчик). Шкафчики желательны на внедорожниках, но обычно бесполезны на улицах и шоссе.
  • Катушка представляет собой открытый дифференциал, в котором оси механически скреплены друг с другом. Это не позволяет ни одному из колес двигаться быстрее или медленнее на поворотах. Это дешево и практически не увеличивает вес автомобиля, но обычно ограничивается соревнованиями по бездорожью и ездой по бездорожью. Они не желательны для езды по улице, так как будут «чирикать» шинами при прохождении поворотов.

Торсен — тот же конечный эффект, что и ограниченное скольжение, но не использует сцепление или не решается сделать это

Картинки для детей

  • Чертеж заднего моста автомобиля в разрезе, показывающий ведущее колесо и шестерню главной передачи, а также меньшие шестерни дифференциала

  • Дифференциал ZF. Приводной вал входит спереди, а ведущие оси движутся слева и справа.

  • Планетарная передача

    используется здесь для асимметричного распределения крутящего момента. Входной вал — зеленый полый, желтый — низкий крутящий момент, а розовый — высокий крутящий момент. Сила, прикладываемая к желтой и розовой шестерням, одинакова, но поскольку плечо розовой шестерни в 2–3 раза больше, крутящий момент будет в 2–3 раза выше.

  • Дифференциал с цилиндрическими зубьями, состоящий из зацепления сателлитов двух соосных планетарных зубчатых передач. Корпус является несущим для этой планетарной передачи.

  • Автомобильный дифференциал: ведущая шестерня 2 установлена ​​на водиле 5, которое поддерживает планетарные конические шестерни 4, входящие в зацепление с ведомыми коническими шестернями 3, прикрепленными к мостам 1.

  • Гипоидная зубчатая пара, соединяющая карданный вал автомобиля с дифференциалом

  • Дифференциал, используемый для управления приемной катушкой устройства для чтения бумажных лент, изготовленного Tally примерно в 1962 году. Конические шестерни свободно вращаются на своих валах, если только тормозная колодка не останавливает левую шестерню. Это приводит к тому, что планетарная шестерня приводит в движение выходной вал с половиной скорости ведомой шестерни справа.

  • Планетарный дифференциал, используемый для привода самописца, около 1961 года. Двигатели приводят в движение солнечную и кольцевую шестерни, а выходной сигнал поступает от водила планетарной передачи. Это дает 3 различных скорости в зависимости от того, какие двигатели включены.

Все содержимое статей энциклопедии Kiddle (включая изображения статей и факты) можно свободно использовать по лицензии Attribution-ShareAlike, если не указано иное. Процитируйте эту статью:

Дифференциал (механическое устройство) Факты для детей. Энциклопедия Киддла.

Обучение с конфиденциальностью в масштабе

Понимание того, как люди используют свои устройства, часто помогает улучшить взаимодействие с пользователем. Однако доступ к данным, которые дают такую ​​информацию, например к тому, что пользователи печатают на своей клавиатуре и какие веб-сайты они посещают, может поставить под угрозу конфиденциальность пользователей. Мы разрабатываем системную архитектуру, которая позволяет учиться в масштабе, используя локальную дифференциальную конфиденциальность в сочетании с существующими передовыми методами обеспечения конфиденциальности. Мы разрабатываем эффективные и масштабируемые локальные дифференциально-приватные алгоритмы и проводим тщательный анализ, чтобы продемонстрировать компромисс между полезностью, конфиденциальностью, серверными вычислениями и пропускной способностью устройства. Понимание баланса между этими факторами приводит нас к успешному практическому развертыванию с использованием локальной дифференциальной конфиденциальности. Это развертывание масштабируется до сотен миллионов пользователей в различных вариантах использования, таких как определение популярных смайликов, популярных типов данных о здоровье и предпочтений воспроизведения мультимедиа в Safari. Мы предоставляем дополнительную информацию о нашей системе в полной версии.

Введение

Получение информации об общей совокупности пользователей имеет решающее значение для улучшения взаимодействия с пользователем. Данные, необходимые для получения такой информации, являются личными и конфиденциальными и должны храниться в тайне. Помимо соображений конфиденциальности, практическое развертывание систем обучения, использующих эти данные, должно также учитывать накладные расходы на ресурсы, затраты на вычисления и затраты на связь. В этой статье мы даем обзор системной архитектуры, которая сочетает в себе дифференциальную конфиденциальность и лучшие практики конфиденциальности, чтобы учиться у пользователей.

Дифференциальная конфиденциальность [2] дает математически строгое определение конфиденциальности и является одной из самых надежных доступных гарантий конфиденциальности. Он основан на идее, что тщательно откалиброванный шум может маскировать данные пользователя. Когда данные отправляют многие люди, добавленный шум усредняется, и появляется значимая информация.

В системе дифференциальной конфиденциальности есть две настройки: центральная и локальная . В нашей системе мы предпочитаем не собирать необработанные данные на сервере, которые необходимы для обеспечения конфиденциальности централизованного разграничения; следовательно, мы принимаем локальную дифференциальную конфиденциальность, которая является высшей формой конфиденциальности [3]. Локальная дифференциальная конфиденциальность имеет то преимущество, что данные рандомизируются перед отправкой с устройства, поэтому сервер никогда не видит и не получает необработанные данные.

Наша система разработана таким образом, чтобы быть доступной и прозрачной. Никакие данные не записываются и не передаются до тех пор, пока пользователь явно не решит сообщить информацию об использовании. Данные приватизируются на устройстве пользователя с использованием дифференциальной конфиденциальности на уровне событий [4] в локальной модели, где событием может быть, например, ввод пользователем смайликов. Кроме того, мы ограничиваем количество передаваемых частных событий для каждого варианта использования. Передача на сервер происходит по зашифрованному каналу один раз в сутки, без идентификаторов устройств. Записи поступают на сервер с ограниченным доступом, где IP-идентификаторы немедленно отбрасываются, а также отбрасываются любые ассоциации между несколькими записями. На данный момент мы не можем различить, например, если запись emoji и запись веб-домена Safari были получены от одного и того же пользователя. Записи обрабатываются для вычисления статистики. Затем эта совокупная статистика передается внутри соответствующих команд Apple.

Мы сосредоточены на проблеме оценки частоты элементов — например, эмодзи и веб-доменов. При оценке частот элементов мы рассматриваем две подзадачи. В первом мы вычисляем гистограмму из известного словаря элементов. Во втором словаре неизвестный , и мы хотим получить список наиболее часто встречающихся элементов в наборе данных.

Архитектура системы

Архитектура нашей системы состоит из обработки данных на стороне устройства и на стороне сервера. На устройстве 9Этап приватизации 1601 гарантирует, что необработанные данные будут дифференцированно закрытыми. Сервер с ограниченным доступом выполняет обработку данных, которую можно разделить на этапы приема и агрегации . Ниже мы подробно объясним каждый этап.

Рис. 1. Обзор системы.

Приватизация

Пользователи могут в Системных настройках на macOS или в настройках на iOS поделиться приватизированными записями для аналитики. Для пользователей, которые не соглашаются, система остается неактивной. Для пользователей, которые соглашаются, мы определяем параметр конфиденциальности для каждого события, Кроме того, мы устанавливаем ограничение на количество приватизированных записей, которые можно передавать ежедневно для каждого варианта использования. Наш выбор основан на характеристиках конфиденциальности базового набора данных для каждого варианта использования. Эти значения согласуются с параметрами, предложенными сообществом исследователей дифференциальной конфиденциальности, такими как [5] и [6]. Более того, алгоритмы, которые мы представляем ниже, предоставляют пользователям дополнительную возможность отрицания из-за коллизий хэшей. Мы обеспечиваем дополнительную конфиденциальность, удаляя идентификаторы пользователей и IP-адреса на сервере, где записи разделены по вариантам использования, чтобы не было связи между несколькими записями.

Всякий раз, когда на устройстве генерируется событие, данные немедленно приватизируются с помощью -local Differential Privacy и временно сохраняются на устройстве с помощью защиты данных [1], а не немедленно передаются на сервер. После задержки, зависящей от состояния устройства, система случайным образом выбирает из дифференциально частных записей с учетом вышеуказанного ограничения и отправляет выбранные записи на сервер. Эти записи не включают идентификаторы устройств или метки времени, когда были созданы события. Связь между устройством и сервером шифруется с помощью TLS. См. рис. 2 для обзора.

Рисунок 2. Этап приватизации.

В iOS отчеты отображаются в разделе «Настройки» «Аналитика конфиденциальности» «Данные аналитики» в записях, начинающихся с «DifferentialPrivacy». В macOS эти записи видны в консоли, в системных отчетах. На рисунке 3 показан пример записи нашего алгоритма для варианта использования Popular Emojis. В записи перечислены алгоритмические параметры, которые обсуждаются в разделе ниже, а ввод приватизированных данных представлен в виде шестнадцатеричной строки. Обратите внимание, что приватизированные данные опущены здесь для представления; полный размер в этом примере составляет 128 байт.

Рисунок 3. Образец отчета с приватизированной записью.

Прием и агрегация

Приватизированные записи сначала лишаются своих IP-адресов перед входом в приемник. Затем приемник собирает данные от всех пользователей и обрабатывает их в пакетном режиме. Пакетный процесс удаляет метаданные, такие как временные метки полученных приватизированных записей, и разделяет эти записи в зависимости от варианта их использования. Принимающая сторона также случайным образом меняет порядок приватизированных записей в каждом варианте использования, прежде чем направить вывод на следующий этап.

Агрегатор берет частные записи от получателя и для каждого варианта использования создает дифференциальную частную гистограмму в соответствии с алгоритмами, описанными в разделе ниже. Данные из нескольких вариантов использования никогда не объединяются при расчете статистики. В эти гистограммы включаются только те элементы домена, количество которых превышает установленный порог. Затем эти гистограммы передаются внутри соответствующих команд Apple.

Алгоритмы

Теперь в следующих разделах мы опишем три локальных дифференциально-приватных алгоритма.

Среднее значение частного подсчета

Алгоритм среднего значения частного подсчета (CMS) объединяет записи, отправленные устройствами, и выводит гистограмму подсчета по словарю элементов предметной области, сохраняя при этом локальную дифференциальную конфиденциальность. Это происходит в два этапа: обработка на стороне клиента, за которой следует агрегация на стороне сервера.

Проиллюстрируем процесс на примере. Предположим, пользователь посещает веб-домен. Алгоритм на стороне клиента случайным образом выбирает хэш-функцию из набора хэш-функций-кандидатов и кодирует веб-домен в небольшое пространство размера, используя выбранную хэш-функцию, скажем, Let . Это кодирование записывается как однократный вектор размера, где бит в позиции st установлен на . Чтобы обеспечить дифференциальную конфиденциальность, каждый бит вектора однократной обработки независимо переворачивается с вероятностью , где параметр конфиденциальности, формирующий приватизированный вектор. Затем этот вектор и выбранный индекс хеш-функции отправляются на сервер.

Алгоритм на стороне сервера создает матрицу эскиза путем агрегирования приватизированных векторов с устройств. Матрица имеет строки — по одной для каждой хеш-функции — и столбцы, соответствующие размеру вектора, передаваемого от клиента.

Когда записи поступают на сервер, алгоритм добавляет приватизированный вектор к вектору в строке , где — индекс хэш-функции, выбранной устройством. Затем значения масштабируются соответствующим образом, чтобы каждая строка помогала обеспечить несмещенную оценку частоты каждого элемента.

Чтобы вычислить частоту для веб-домена, алгоритм берет каждую несмещенную оценку, читая каждую строку, и вычисляет среднее значение этих оценок. В полной версии этой статьи мы доказываем аналитическое выражение для ошибки (или дисперсии) частных подсчетов, что позволяет нам использовать принципиальный подход к получению точных подсчетов при минимизации накладных расходов на ресурсы, таких как пропускная способность устройства и время работы сервера в нашем развертывании. .

Рядовой Адамар Граф Средний Скетч

В полной версии этой статьи мы описываем, как увеличение пропускной способности устройства приведет к более точному подсчету в CMS. Однако это приводит к более высоким затратам на передачу для пользователей. Мы хотели оказать минимальное влияние на точность при одновременном снижении стоимости передачи. Это привело нас к разработке алгоритма Private Adamard Count Mean Sketch (HCMS), который имеет то преимущество, что устройство может отправлять один бит с небольшой потерей точности. С HCMS можно добиться достаточно точных подсчетов, не заставляя пользователей платить высокую стоимость передачи. Мы количественно оцениваем точность, которую получаем с помощью HCMS в полной версии.

Теперь мы представляем HCMS на примере. Предположим, пользователь посещает веб-домен. Как и в CMS, алгоритм на стороне клиента выбирает случайную хэш-функцию из набора хэш-функций-кандидатов и кодирует веб-домен в небольшое пространство, используя выбранную хэш-функцию, скажем, . Позволять . Эта кодировка записывается как однократный вектор, где находится в позиции . Поскольку мы хотим передать один бит, тривиальным подходом будет выборка и отправка случайной координаты из . Однако это значительно увеличивает ошибку (дисперсию) в результирующей гистограмме. Чтобы уменьшить дисперсию, мы используем базисное преобразование Адамара, чтобы получить, например, . Одна случайная координата выбирается из , и соответствующий бит переворачивается с вероятностью , чтобы обеспечить дифференциальную конфиденциальность. Выходные данные, отправляемые на сервер, включают в себя индекс выбранной хеш-функции, индекс выборки координат и приватизированный бит; см. рис. 4.

Рис. 4. Алгоритм клиентской стороны для эскизного среднего счета Адамара.

Подобно CMS, алгоритм на стороне сервера использует структуру данных, матрицу эскиза , для агрегирования приватизированных векторов от клиентов. Строки матрицы индексируются хэш-функциями-кандидатами. Кроме того, столбцы индексируются по случайным индексам координат, выбранным устройством. Ячейка th матрицы агрегирует приватизированные векторы, представленные устройствами, которые выбрали хэш-функцию th и выбрали координату th из вектора. Кроме того, приватизированные векторы соответствующим образом масштабируются и преобразуются обратно в исходную основу с использованием обратной матрицы Адамара. На этом этапе каждая строка матрицы помогает обеспечить несмещенную оценку частоты элемента. Чтобы вычислить частоту для веб-домена, алгоритм сначала получает оценку из каждой строки путем чтения из строки. В качестве последнего шага алгоритм вычисляет среднее значение этих оценок, чтобы уменьшить дисперсию; см. рис. 5.

Рисунок 5. Алгоритм на стороне сервера для среднего эскиза числа Адамара.

Головоломка фрагмента частной последовательности

Предыдущие алгоритмы предполагают, что существует некоторый известный словарь элементов предметной области, который сервер может перечислить, чтобы определить соответствующие счетчики. Однако, в некоторых случаях домен является массивным, и перечисление по всему пространству является непомерно вычислительным. Например, при обнаружении часто набираемых новых слов, даже если мы ограничимся 10-буквенными английскими словами с учетом регистра, этот подход потребует от сервера перебора как минимум элементов.

Вместо этого мы разрабатываем алгоритм под названием Sequence Fragment Puzzle (SFP) и представляем его в обстановке открытия новых слов. Мы используем тот факт, что для данной популярной строки любая подстрока этой строки также не менее популярна. На устройстве мы используем клиентский алгоритм CMS для приватизации набранного слова. Кроме того, мы выбираем подстроку слова и объединяем ее с 8-битным хешем слова. Мы ссылаемся на маленькую решетку как на часть головоломки , а на подстроку, соединенную с хешем, — как на 9.1601 фрагмент . Фрагмент приватизируется с помощью CMS и также передается на сервер вместе с приватизируемым словом. Например, если слово есть и выбрана подстрока , клиент отправляет три вещи: CMS CMS, где находится фрагмент головоломки, и местоположение выбранной подстроки.

Используя эскизы для фрагментов, серверный алгоритм получает гистограмму по всем возможным фрагментам для каждого местоположения подстроки. Часть головоломки позволяет серверу сопоставлять фрагменты одного и того же слова, поскольку все фрагменты слова будут иметь одну и ту же часть головоломки. Затем, ограничиваясь наиболее популярными фрагментами, алгоритм сервера определяет список строк-кандидатов, объединяя популярные фрагменты, чьи части головоломки совпадают. Набор строк-кандидатов образует словарь разумного размера и позволяет нам использовать алгоритм CMS для полного слова.

Результаты

Ниже мы представляем три варианта использования, чтобы проиллюстрировать, как наши алгоритмы используются для улучшения функций продукта при защите конфиденциальности пользователей.

Обнаружение популярных эмодзи

Учитывая популярность эмодзи среди нашей пользовательской базы, мы хотим определить, какие конкретные эмодзи чаще всего используются нашими клиентами, а также относительное распределение этих символов. С этой целью мы используем наши алгоритмы, чтобы понять распределение эмодзи, используемых в разных локалях клавиатуры. Для этого варианта использования мы устанавливаем параметры для CMS = 1024, = 65 536 и = 4 с размером словаря 2600 эмодзи.

Данные показывают много различий между языковыми настройками клавиатуры. На рисунке 6 мы наблюдаем снимки из двух языков: английского и французского. Используя эти данные, мы можем улучшить наш интеллектуальный набор смайликов QuickType в разных регионах.

Рис. 6. Смайлики в разных региональных настройках клавиатуры.

Идентификация высокого потребления энергии и памяти в Safari

Некоторые веб-сайты чрезвычайно ресурсоемки, и мы хотим идентифицировать эти сайты, чтобы обеспечить лучшее взаимодействие с пользователем. Мы рассматриваем два типа доменов: те, которые вызывают высокий уровень использования памяти, и те, которые вызывают чрезмерный расход энергии из-за использования ЦП. В iOS 11 и macOS High Sierra Safari может автоматически обнаруживать эти исключительные домены и сообщать о них, используя дифференциальную конфиденциальность.

Используя наши алгоритмы, мы можем определить, какие домены потребляют много ресурсов. Для этого варианта использования мы устанавливаем параметры для HCMS = 32 768, = 1024 и = 4 с размером словаря 250 000 веб-доменов. Напомним, что в HCMS дифференциально закрытая запись — это всего лишь один бит. Наши данные показывают, что наиболее распространенные ресурсоемкие домены включают веб-сайты с просмотром видео, веб-сайты с покупками и новостные веб-сайты.

Открытие новых слов

Мы хотим выучить слова, которых нет в словарях, включенных в устройство, чтобы улучшить автокоррекцию. Чтобы обнаружить новые слова, мы используем алгоритм Sequence Fragment Puzzle (SFP), описанный выше.

Алгоритм выдает результаты на нескольких языках, включая английский, французский и испанский. Например, выученные слова для английской клавиатуры можно разделить на несколько категорий: сокращения, такие как wyd , wbu , idc ; популярные выражения, такие как bruh , hun , bae и tryna , сезонные или трендовые слова, такие как Mayweather , McGregor , Despacito , 9196021601 Моана и Лея ; и иностранные слова, такие как dia , queso , aqui и jai . Используя эти данные, мы постоянно обновляем лексиконы на устройствах, чтобы улучшить работу с клавиатурой.

Другая категория обнаруженных слов — известные слова без завершающих и ( lov или th ) или w ( kno ). Если пользователь случайно нажмет крайнюю левую ячейку подсказки над клавиатурой, содержащую набранную до сих пор литеральную строку, к их текущему слову будет добавлен пробел вместо символа, который они намеревались ввести. Это ключевое понимание, которое мы смогли узнать благодаря нашему локальному дифференциально-частному алгоритму.

Заключение

В этой статье мы представили новую архитектуру системы обучения, которая использует локальную дифференциальную конфиденциальность и сочетает ее с лучшими практиками конфиденциальности. Чтобы масштабировать нашу систему для миллионов пользователей и различных вариантов использования, мы разработали новые локальные дифференциально-приватные алгоритмы — CMS, HCMS и SFP — как для известных, так и для неизвестных настроек словаря. В нашей полной статье мы предоставили аналитические выражения для компромиссов между различными факторами, включая конфиденциальность, полезность, накладные расходы на серверные вычисления и пропускную способность устройства. Наши теоремы о полезности дают принципиальный способ выбора алгоритмических параметров для минимизации стоимости передачи для пользователей без снижения точности. Без таких выражений трудно оценить влияние на точность, если, например, стоимость передачи снижается без выполнения дорогостоящих итераций. Кроме того, чтобы свести затраты на передачу к абсолютному минимуму, наш алгоритм HCMS может получать точные подсчеты, когда каждый пользователь отправляет только один приватизированный бит. Мы считаем, что наша статья является одной из первых, демонстрирующих успешное развертывание локальной дифференциальной конфиденциальности [7] в реальных условиях в различных вариантах использования. Мы показали, что можем найти популярные аббревиатуры и сленговые слова, популярные смайлики, популярные типы данных о здоровье, удовлетворяя локальную дифференциальную конфиденциальность. Кроме того, мы можем определить веб-сайты, которые потребляют слишком много энергии и памяти, а также веб-сайты, на которых пользователи хотят запускать автоматическое воспроизведение. Эта информация была использована для улучшения функций в интересах пользователей.

Мы надеемся, что наша работа поможет преодолеть разрыв между теорией и практикой частных систем. Мы также считаем, что наша работа будет продолжать поддерживать исследования широкого круга крупномасштабных проблем обучения, сохраняя при этом конфиденциальность пользователей.

Ссылки

[1]  https://manuals.info.apple.com/MANUALS/1000/MA1902/en_US/apple-platform-security-guide.pdf

[2] C. Дворк, Ф. Макшерри, К. Ниссим и А. Смит. Калибровка шума по чувствительности при анализе частных данных . TCC , 2006.

[3] C. Dwork and A. Roth. Алгоритмические основы дифференциальной конфиденциальности . Foundations and Trends in Theoretical Computer Science , 2014.

[4] К. Дворк, М. Наор, Т. Питасси и Г. Н. Ротблюм. Дифференциальная конфиденциальность под постоянным наблюдением . Труды сорок второго симпозиума ACM по теории вычислений , 2010.