Дифференциал устройство: устройство, виды и принцип работы

Содержание

где он и зачем нужен?

Трансмиссия

11.01.2017

0 3 333 3 минут чтения

Здравствуйте друзья читатели! Поговорим о механизме, который есть и будет на каждом автомобиле – дифференциал. Что такое дифференциал в автомобиле и зачем нужен? Дифференциал нужен для оптимального распределения крутящего момента при поворотах и маневрировании, когда колеса начинают крутиться с разными угловыми скоростями.

Дифференциал, как я думаю о нем, должен писаться с большой буквы. Он являет собой самый первый сложный шестеренчатый механизм, изобретенный на заре автомобилестроения. Поняв его и испытав восторг от человеческого гения, который смог так просто решить важную проблему, ты убедишься что сути-то он прост как пять копеек, а какую задачу решил!

О нем особо никто теперь не думает, он есть — да и есть, и должен быть всегда. Привыкли. А ведь без него нет ни одного автомобиля. Это важнейший элемент трансмиссии!

Где расположен дифференциал:

  • на заднеприводном автомобиле в картере моста, и совмещен с шестерней главной передачи;
  • на переднеприводном, тоже совмещен с главной передачей и как правило в одном картере с коробкой передач;
  • на полноприводных автомобилях они присутствуют и в переди, и сзади, и совмещены с главными передачами;
  • так же, в полноприводных автомобилях внедорожниках и кроссоверах, для оптимального распределение крутящего момента на все колеса, добавляется третий дифференциал и устанавливается между осями в раздаточной коробке.

Те дифференциалы, которые работают на ведущих колесах называют межколесными, а дифференциалы, распределяющие моменты между осями автомобиля – межосевыми.

Принцип работы дифференциала построен на идее планетарного редуктора. В зависимости от использования вида шестерен, дифференциалы бывают следующих видов: цилиндрические, конические, червячные.

Дифференциал конический, как правило применяют в межколесных дифференциалах. Цилиндрический распространен, ввиду его конструктивной простоте, в межосевых дифференциалах. Червячный признан как универсальный и самый тихий в работе, хотя самый сложный в изготовлении, применяется и в межколесных и в межосевых.

Устройство дифференциала автомобиля

Рассмотрим устройство дифференциала автомобиля. Все дифференциалы имеют один и тот же принцип – принцип планетарного редуктора. То есть имеют полуосевые шестерни и бегущие по ним, шестерни – сателлиты.

Корпус (чашка дифференциала) принимает крутящий момент от шестерни главной передачи, чарез оси сателлитов и сами шестерни-сателлиты и передает на полуосевые шестерни.

Сателлитов может быть два или четыре в коническом дифференциале, это зависит от мощности автомобиля.

В конических и червячных дифференциалах из ровно в два раза больше, это связано с конструктивной особенности такого типа дифференциалов. Пары сателитов распределяется каждый на свою полуосевую шестерню.

Полуосевые шестерни, в планетарке их еще называют светлым название «солнечные шестерни», передают уже крутящий момент на колеса. Левые и правые полуосевые шестерни могут иметь разное количество зубьев, такие дифференциалы называют несимметричные. Нессиметричные дифференциалы, соответственно, имеют и пары сателлитов с разным количеством зубов (рассмотрите внимательно конический дифференциал на чертеже выше).

Несмотря на ассиметричность, дифференциалы работают так же как и симметричные, и та или иная идея конструкторов по компоновке этих механизмов обусловлена лишь соображениями компактности и конструктивной необходимости.

Работа дифференциала

Работа межколесного дифференциала характеризуюется тремя режимами:

  1. движение по прямой;
  2. работа в поворотах;
  3. в условиях скользкой дороги.

При движении прямо, силы распределяются поровну на каждое колесо, крутящий момент через корпус передается на сателлиты. Сателлиты не вращаются на своих осях, соответственно полуоси вращаются с равными угловыми скоростями.

В повороте же начинает работать дифференциал, то есть выполнять работу, для которой он и был создан. Внутренне колесо начинает бежать по меньшему радиусу, а внешнее по большому, угловые скорости на полуосевых шестернях начинают меняться. Сателлиты начинают вращаться вокруг своих осей, которые увеличивают скорость внешней шестерни полуоси, бегущего по внешнему радиусу колеса и уменьшать угловую скорость внутренней шестерни, полуось и колесо, бегущего по внутреннему радиусу.

Суммы частот вращения полуосевых шестерен всегда соответствуют частоте вращения ведомой шестерни главной передачи. Поэтому при повороте тяга на колеса всегда одинаковая и никогда не происходит пробуксовки внутреннего колеса, при условии равного сцепления колес с дорогой.

Если же автомобиль попадает в условия скользкой дороги, то колесо у которого меньшее сцепление начинает пробуксовавать, вращаться быстрее, а то колесо у которого сцепление с дорогой больше, просто перестает вращаться и по сути дела автомобиль просто будет стоять на месте с одним вращающемся колесом. Это тот минус дифференциала, который обусловлен его конструкцией.

Бороться с таким явление можно, и конструкторы придумали блокировку дифференциала. Но об этом в другой статье.

https://www.youtube.com/watch?v=KPSig_W0FE0

Спасибо за внимание! Переходите в другую статью, там наверняка вы найдете много для себя полезного. И поделитесь с друзьями в соц.сетях.

Статьи по теме

Что такое дифференциал. Виды и схема работы


Дифференциал как часть трансмиссии

Дифференциал в автомобиле — это механизм, распределяющий крутящий момент карданного вала трансмиссии между ведущими колесами передней или задней оси (в зависимости от типа привода), позволяя каждому из них вращаться без пробуксовки. В этом заключается основное назначение дифференциала.


Ведуший мост с дифференциалом в разрезе

При прямолинейном движении, когда колеса нагружены одинаково и имеют равную угловую скорость вращения – механизм работает в качестве передаточного звена. Если условия движения изменяются (поворот, пробуксовка) – нагрузка становится неравномерной. У полуосей появляется необходимость вращаться с разными скоростями, и, как следствие, становится необходимым распределить полученный крутящий момент между ними в определенном соотношении. Тогда узел выполняет вторую важную функцию: обеспечение безопасного маневрирования автомобиля.

Схема расположения дифференциала зависит от типа привода автомобиля:

  1. Передний привод – картер коробки передач.
  2. Задний привод – корпус ведущего моста.
  3. Полный привод – корпусы переднего и заднего мостов (для передачи крутящего момента ведущим колесам) или раздаточная коробка (для передачи крутящего момента ведущим мостам).

Дифференциал на автомобилях появился не сразу. Конструкторы первых «самодвижущихся экипажей» были очень озадачены плохой маневренностью своих изобретений. Вращение колёс с одинаковой угловой скоростью во время прохождения поворота приводило к тому, что одно из них начинало буксовать или, наоборот, полностью теряло контакт с дорогой. Инженеры вспомнили, что на ранних прототипах первых автомобилей, снабжаемых паровыми двигателями, было устройство, позволявшее избежать потери управляемости.

Механизм распределения вращающего момента изобрёл француз Онесифор Пеккёр. В устройстве Пеккёра присутствовали валы и шестерни. Через них крутящий момент от мотора поступал к ведущим колёсам. Но даже после применения изобретения Пёккера проблема пробуксовки колёс на поворотах не решилась полностью. Выявились недостатки системы. Например, одно из колес в какой-то момент терял сцепление с дорогой. Сильнее всего это проявлялось на обледенелых участках.

Пробуксовка в таких условиях часто приводила к авариям, поэтому конструкторы надолго задумались над тем, как предотвратить занос машины. Решение было найдено Фердинандом Порше. Он стал изобретателем кулачкового механизма, который ограничивал проскальзывание колёс ведущего моста. Немецкое устройство дифференциала нашло применение в автомобилях Volkswagen.

Устройство и принцип работы

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


Устройство типового дифференциала

По своему типу это планетарный редуктор со всеми необходимыми элементами.

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

Как это работает?

Детально показано на видео-ролике, ниже.

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

При прямолинейном движении

Когда автомобиль движется прямолинейно по гладкой поверхности с твёрдым сухим покрытием, обе полуоси вращаются с одинаковой угловой скоростью. Полуосевые шестерни находятся в покое одна относительно другой, весь дифференциал сильно похож на монолитную конструкцию.

Сателлиты, будучи связанными через свои зубья с обеими полуосевыми шестернями, относительно своих осей не вращаются. Момент распределяется поровну между осями, если дифференциал симметричный и свободный, то есть лишён блокировок. Впрочем, с блокировками в таком идеальном случае будет то же самое.

При повороте

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

Это очень любопытно рассмотреть с точки зрения мощности. Момент одинаков, а скорость у внешнего от поворота колеса больше, то есть и мощность на него передаётся пропорционально большая.

И это неудивительно, так как чем больше скорость, тем выше потери, которые компенсируются добавкой мощности. При этом ни малейших помех вращению колёс с разной скоростью создаваться не будет, в отличие от жёсткой связи.

При пробуксовке

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

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

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

Что представляет собой дифференциал и каково его назначение

В машине дифференциал является особым механизмом , который распределяет угловые скорости и момент вращения на колёса от основной передачи. Это необходимо для того, чтобы автотранспорт нормально поворачивался, при этом не нарушая равномерность сцепления колёс. При попытке развернуть движущуюся повозку с жёсткой осью вы непременно столкнётесь с тем, что колесо, располагающееся внутри радиуса, начинает пробуксовывать.

В то же время колесо, располагающееся на наружной дуге, которое должно двигаться на порядок быстрее, утрачивает сцепление с поверхностью. Проще говоря, оказывается, что крайне проблематично совершать поворот с парой колёс, насаженных на единую ось. Остаётся лишь выразить сочувствие несчастным лошадям, которым приходится таскать неповоротливые телеги.

Но автомобиль – не телега и в том числе потому, что при совершении им поворотов активируется дифференциал, распределяющий скорость вращения таким образом, чтобы колёса замедлялись внутри дуги поворота и ускорялись в 3 раза при движении по внешней дуге. Это происходит исключительно благодаря механическому распределению момента вращения, без участия со стороны водителя.

Преимущества и недостатки

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

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

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

И, конечно, нельзя забывать о контроле за техническим состоянием узла. Это еще один узел, в котором нужно менять масло, хоть и не часто, и отслеживать износ деталей. И, кстати, о необходимости этой процедуры многие автовладельцы забывают.

Обслуживание

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

Обычно все дифференциалы повышенного трения требуют применения специального масла типа LSD (Limited Slip), но сейчас лучшие универсальные масла уже обладают подобными свойствами, о чём указано на этикетке.

В любом случае, лучше руководствоваться инструкцией изготовителя конкретного изделия.

Разновидности автомобильных дифференциалов

Помимо конического, цилиндрического и червячного, существуют и успешно используются следующие разновидности дифференциалов: дифференциал с полной блокировкой, дифференциал Торсен, дифференциал Квайф, вискомуфта.

Дифференциал с полной блокировкой

Дифференциалы этого типа чаще всего используются на грузовиках и внедорожниках. Их блокировка включается и отключается непосредственно из салона с помощью специальной клавиши водителем. Они используются для повышения проходимости автомобилей.

Межосевой дифференциал с блокировкой типа Torsen

Конструкция рабочего привода данной системы состоит из следующих единиц:

  1. корпус;
  2. правая полуосевая шестерня;
  3. левая полуосевая шестерня;
  4. сателлиты правой и левой полуосевых шестерен;
  5. выходные валы.

Стоит отметить, что дифференциал Torsen имеет наиболее совершенную конструкцию.

Принцип работы:

Межосевой блокируемый дифференциал Torsen состоит из ведомых и ведущих червячных колес, иначе называемых полуосевыми и саттелитами. В такой системе блокировка случается вследствие особенностей функционирования шестерен данного типа. В нормальном состоянии им задается определенное передаточное число. Если колеса имеют хорошее сцепление с поверхностью и движутся плавно, работа дифференциала происходит точно так же, как и у симметричного. Но как только происходит резкое увеличение момента, саттелит пытается начать движение в обратную сторону. Полуосевая червячная шестерня перегружается, и происходит блокировка выходных валов. При этом лишний крутящий момент двигателя переходит на другую ось. Максимальная степень перераспределения момента для дифференциалов Torsen – 75 на 25.

Наиболее известной разновидностью данной системы является Torsen Audi Quattro. Это один из самых популярных механизмов в конструкциях современных полноприводных автомобилей. Его неоспоримыми преимуществами являются широкий спектр переброса вращающего момента, мгновенная скорость срабатывания и отсутствие негативного влияния на тормозную систему. А вот к недостаткам можно отнести сложность конструкции со всеми сопутствующими последствиями.

Преимущества дифференциалов этой конструкции

Преимуществ у данной конструкции достаточно много. Данный механизм устанавливают за то, что точность его работы чрезвычайно высокая, при этом работает устройство очень плавно и тихо. Мощность распределяется между колесами и мостами автоматически – какое-либо вмешательство водителя не нужно. Перераспределение момента никак не влияет на торможение. Если дифференциал эксплуатируется корректно, то обслуживать его не нужно – от водителя требуется только проверять и периодически менять масло.

Именно поэтому многие водители ставят дифференциал “Торсен” на “Ниву”. Там также применена система постоянного полного привода и никакой электроники, поэтому нередко любители экстрима меняют штатный дифференциал на данный узел.

Недостатки

Есть и минусы. Это высокая цена, ведь внутри конструкция устроена достаточно сложно. Так как дифференциал работает на принципе терния, из-за этого повышается расход топлива. При всех преимуществах КПД довольно низкий, если сравнивать с похожими системами другого типа. Механизм имеет высокую предрасположенность к заклиниванию, а износ внутренних элементов довольно интенсивный. Для смазки нужны специальные продукты, так как при работе узла выделяется много тепла. Если на одной оси установлены разные колеса, то детали изнашиваются еще более интенсивно.

Дифференциалы Квайф

Отличительной особенностью дифференциалов этого типа является то, что сателлиты в них располагаются параллельно оси вращения корпуса (чаши), причем в два ряда. Кроме того, при функционировании этих агрегатов образуются силы трения, которые при необходимости автоматически осуществляют блокировку, повышают проходимость и силу тяги автомобиля. Чаще всего дифференциалы Квайф используются для тюнинга легковых автомобилей и внедорожников.

Вискомуфта

Функционирование этот типа дифференциала основано на том же принципе, что и работа гидротрансформатора. Чаще всего вискомуфты используются в автомобилях с полным приводом и используются для того, чтобы обеспечивать связь передних колес с задними по следующему принципу: если одни из них проскальзывают, то крутящий момент транслируется на другие, за счет чего и решается проблема пробуксовки. Конструктивно вискомуфта представляет собой цилиндр, в которой находится погруженный в вязкую жидкость пакет металлических дисков, имеющих перфорацию, и соединенных с валами (как ведущим, так и ведомым). В зависимости от температуры вязкость жидкости меняется, на чем и основывается принцип работы этого агрегата.

Видео на тему

Виды блокировок дифференциала

Есть несколько видов блокировки:

  • Полная. Напрямую подсоединить корпус к полуоси, которая получает основную нагрузку и жестко его закрепить. Т.е. передать крутящий момент, как он есть, на колеса.
  • Частичная. Ограничить в планетарном механизме вращение сателлитов. При этом заблокировать дифференциал получиться частично, а значит и крутящий момент перераспределить также частично, но большую его часть перенаправить на колесо со сцеплением.

По способу включения бывают:

  • ручной блокировки;
  • автоматической (самоблокирующей).

Привод ручной блокировки может быть:

  • механический;
  • электрический;
  • гидравлический;
  • пневматический.

Как правило ручная блокировка происходит за счет кулачкового механизма. Он приводит в действие принудительную блокировку дифференциала, с помощью переключателя на приборной панели или рычажного механизма. Т.е. водитель вручную должен активировать блок. Никаких датчиков и напоминаний. Механизм универсален для применения. Водитель, включая специальную муфту, соединяет полуось с корпусом дифференциала, и момент передается на прямую без участия сателлитов.

Если Вы купили автомобиль со значком «полный привод», это еще вовсе не значит, что на нем установлена блокировка дифференциала. К сожалению, не все любители 4Х4 об этом знают. Поэтому внедорожник, повисший в диагональном вывешивание в колее грунтовой дороги, совсем не редкость. В этой ситуации колеса, находящие в воздухе, энергично крутятся, а те, что плотно прижаты к земле, стоят без участия. Почему же так происходит?

Для городских автомобилей, вполне достаточно штатного дифференциала. Если на заснеженной трассе встретился участок со льдом, они передадут большую часть крутящего момента колесу, оставшемуся на твердой поверхности. Но для поездок по сложному бездорожью, или размытой грунтовке, этого мало.

Поэтому изобрели механизмы, которые по ситуации, или по желанию водителя, могут осуществить блокировку, у полноприводных монстров даже на выбор, заднего или переднего дифференциала и блокировку межосевого дифференциала.

Безопасность прежде всего

Дифференциал создан для обеспечения безопасного комфортного маневрирования на трассе. Описанные выше недостатки касаются езды в экстремальных условиях, а также по пересеченной местности. Поэтому если на автомобиле установлен привод ручной блокировки, использовать его нужно исключительно в соответствующих дорожных условиях. А шоссейные автомобили, которые сложно «уговорить» ехать медленнее 100 км/час, эксплуатировать без дифференциала вообще невозможно и даже опасно. Такой вот нехитрый, но бесконечно важный механизм в трансмиссии.

Как работает самоблокирующийся дифференциал

Самоблокирующийся дифференциал, по сути, представляет собой компромисс между полным блоком и свободным диффом и позволяет снизить пробуксовку колес машины в случае возникновения между ними разницы в коэффициенте сцепления с грунтом. Таким образом, значительно повышается проходимость, управляемость на бездорожье, а также динамика разгона автомобиля, причем независимо от качества дороги.

Самоблок исключает полную блокировку колес, что защищает полуоси от критических нагрузок, которые могут возникнуть на дифференциалах с принудительным выключением.

Блокировка с полуосей снимается автоматически, если при прямолинейном движении скорости вращения колес выравнивается.

Итог

На сегодняшний день дифференциал применяется абсолютно на всех автомашинах, что является свидетельством его незаменимости. Для большинства владельцев авто не имеет значения что именно располагается под днищем их «железного коня». Тонкости и нюансы данного узла интересуют разве что любителей автомобилей и езды по суровому бездорожью. Однако чем качественнее работает этот узел, тем безопаснее и увереннее может чувствовать себя автовладелец при совершении манёвров на дороге.

Сайт источник vaznetaz.RU

Дифференциал трактора

Дифференциал трактора

Дифференциал. При повороте колесного трактора (рис. 74, а, б, в, г, д) его колесо, идущее ближе к центру поворота 0, проходит меньший путь, чем колесо, расположенное дальше от центра. Следовательно, внутреннее и наружное колеса за это время сделают различное число оборотов, т. е. будут вращаться с разной частотой.

Чтобы ведущие колеса трактора при поворотах могли иметь различную частоту вращения, их устанавливают не на одном общем валу, а на двух самостоятельных, называемых полуосями. На этих полуосях также укреплены ведомые шестерни конечной передачи. Кроме того, в ступице ведомой шестерни главной передачи установлен специальный механизм—дифференциал, который распределяет крутящий момент между ведущими колесами и обеспечивает при необходимости их вращение с различной частотой.

Устройство. Дифференциал состоит из корпуса (его роль выполняет разъемная ступица ведомой шестерни главной передачи), внутри которого размещены конические шестерни, соединенные валами с ведущими шестернями конечной передачи, и жестко закрепленные оси 6 со свободно сидящими на них небольшими коническими шестернями — сателлитами. Сателлиты своими зубьями соединяются с шестернями.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Действие. При вращении вала ведущей шестерни главной передачи крутящий момент передается шестерне с закрепленными в ее ступице осями сателлитов. Сателлиты при этом увлекают за собой шестерни. От этих шестерен вращение через конечную передачу передается на ведущие колеса трактора.

Если сопротивление вращению обеих полуосевых шестерен одинаково, что бывает при движении трактора по прямой ровной дороге, сила Р передается на зубцы шестерен одинаковыми частями р/2. Сателлиты при этом не вращаются вокруг осей, а выполняют роль замка, соединяющего обе шестерни.

Если сопротивление увеличится, например, на колесе, получающем вращение через шестерню, тогда сателлит начнет вращаться на оси и, перекатываясь по шестерне, будет увеличивать частоту вращения шестерни. При этом частота вращения шестерни увеличится настолько, насколько уменьшится частота вращения шестерни, а передаваемые крутящие моменты на каждое из колес останутся равными. Если шестерню полностью затормозить, то частота вращения шестерни будет в 2 раза больше, чем при движении трактора по прямой.

Рис. 74. Дифференциал:
а — схема поворота колесного трактора; б — дифференциал не заблокирован; в — дифференциал заблокирован; г — устройство; д — схема действия; 1, 14 — валы; 2, 5, 11, 13, 15 — шестерни; 3, 12 — полуоси; 4 — педаль; 6 — ось; 7 — ступица; 8 — неподвижная муфта; 9 — подвижная муфта; 10 — пружина; 16 — сателлиты.

При движении трактора по прямой дороге с хорошим однородным покрытием сцепление с почвой, частоты вращения и толкающие силы его ведущих колес одинаковы.

Если правое и левое колеса трактора катятся по грунту различной плотности, то вследствие неодинакового сцепления колес с почвой их буксование будет разным, а это приведет к тому, что частота их вращения и развиваемая сила тяги каждого колеса будут различны.

Но так как между колесами установлен дифференциал, уравнивающий передаваемые крутящие моменты, общее тяговое усилие, развиваемое колесами, будет равно удвоенному тяговому усилию колеса, идущего по грунту меньшей плотности.

Пример. Универсально-пропашной трактор обычной конструкции, массой 3000 кг (распределение этой массы по передним и задним колесам как 1/3 к 2/3) движется по ровной, гладкой, сухой дороге. Коэффициент сцепления обоих колес с дорогой ср = 0,7.

Рис. 75. Влияние действия дифференциала на тяговое усилие трактора: / — оба колеса имеют одинаковое сцепление с почвой, дифференциал не заблокирован; II — колеса имеют разное сцепление с почвой, дифференциал не заблокирован; III — колеса имеют разное сцепление с почвой, дифференциал заблокирован.

Поскольку между колесами установлен дифференциал, уравнивающий передаваемые моменты, правое колесо может реализовать только такую силу, которую развивает левое колесо.

Устройства для блокировки дифференциала. Дифференциал можно блокировать механически, нажимая на соответствующую педаль, и автоматически.

Механическое устройство состоит из подвижной кулачковой муфты (см. рис. 74, г), установленной на шлицах полуоси левого ведущего колеса, приводимого в движение педалью, и неподвижной муфты, закрепленной на полуоси правого колеса.

Действие такого устройства заключается в следующем. Когда тракторист нажимает на педаль, пружина сжимается, подвижная часть муфты передвигается по шлицам, входит в выемки неподвижной муфты (см. рис. 74, в) и тем самым жестко соединяет обе полуоси в один общий вал. Ведущие колеса трактора при этом могут вращаться только с одинаковой частотой. При снятии ноги с педали подвижная муфта под действием пружины занимает исходное положение (см. рис. 74, б).

Автоматическое устройство состоит из исполнительного механизма, расположенного на кожухе левого тормоза трактора, и датчика, установленного в системе гидроусилителя рулевого управления.

Датчик автоматического устройства состоит из золотника и поворотного крана с маховичком. В состав датчика входит также нерегулируемый редукционный клапан 8, поддерживающий в гидросистеме давление 0,7…0,8 МПа при температуре масла 40…70 °С.

Действие механизма автоматической блокировки заключается в следующем. При установке маховичка в положение «Включено» во время движения трактора по прямой масло, подаваемое насосом, проходит через поворотный кран, затем поступает через золотник в исполнительный механизм и начинает давить на диафрагму. Диафрагма сжимает между собой диски и выключает дифференциал из работы.

При повороте направляющих колес трактора на угол больше 8° рейка перемещается вправо или влево (в зависимости от направления поворота), шарик золотника выходит из углубления в рейке, золотник поднимается и соединяет внутреннюю юлость крана 9 со сливным отверстием.

Через это отверстие масло из напорной магистрали и полости диафрагмы направляется в бак, в результате чего происходит разблокирование дифференциала.

Рис. 76. Автоматическая блокировка дифференциала:
а — устройство; б — механизм включения; 1 — блокировочный вал; 2 — ведомые диски; 3 — диафрагма; 4 — нажимные диски; 5 — маховичок; 6 — насос; 7 — бак; 8 — редукционный клапан; 9 — кран; 10 — направляющие колеса; 11 — золотник; 12 — рейка; 13 — шарик; 14 — крестовина; 15 — конечная передача; 16 — тросик; 17 — рукоятка.

Управление маховичком (см. рис. 76, б) производится рукояткой, установленной в кабине трактора, через тросик.

Если маховичок поставить в положение «Выключено», кран 9 встанет так, что напорная масляная магистраль отключится от полости диафрагмы и она соединится со сливной магистралью. Автоматическую блокировку целесообразно применять при скоростях движения трактора не выше 10 км/ч. При работе трактора на транспортных скоростях заблокированный дифференциал значительно ухудшает маневренность трактора, что может привести к аварии.

Самоблокирующийся дифференциал. На передних ведущих колесах устанавливаются самоблокирующиеся дифференциалы, которые при прямолинейном движении трактора в отличие от обычных дифференциалов могут обеспечивать передачу на ведущие колеса крутящих моментов различных по величине. При этом, как было показано выше, повышается тяговое усилие трактора.

Конструкции самоблокирующихся дифференциалов бывают различными. В качестве примера рассмотрим применяемую на универсально-пропашных тракторах.

Устройство. Дифференциал состоит из двух корпусов (рис. 77, а, б), соединенных между собой болтами. Внутри корпусов размещены четыре сателлита, посаженные на двух осях, две полуосевые шестерни и два комплекта фрикционных дисков ведущих, имеющих наружные зубья, соединенные с внутренними зубьями корпусов, и ведомых, внутренними зубьями, соединенными с наружными зубьями ступиц полуосевых шестерен. Вместе с ведомыми дисками на ступицы шестерен установлены нажимные чашки. Внутренние шлицы ступиц шестерен соединяются с полуосями.

Рис. 77. Самоблокирующийся дифференциал:
а — схема действия; б — устройство; 1,2,5 — шестерни; 3 — оси; 4 — сателлиты; 6 — чашки; 7 — ведущие диски; 8— ведомые диски; 9 — полуоси; 10.

Особенность данного дифференциала — наличие плавающих осей 3 сателлитов, которые могут перемещаться одна относительно другой. Для этой цели на концах осей сделаны скосы.

Действие. В том случае, если передний мост трактора не включен, дифференциал не заблокирован (см. рис. 77), он работает как обычный дифференциал.

После включения переднего моста в работу оси сателлитов под нагрузкой перемещаются по пазам — скосам в корпусах на величину зазоров между фрикционными дисками. От осей усилие передается на сателлиты, которые при этом нажмут на чашки, а те, в свою очередь, сожмут диски до упора в стенки корпусов.

При этом крутящий момент, подведенный шестерней, будет передаваться не только через зубья сателлитов, но и за счет сил трения между сжатыми дисками. При этом моменты, передаваемые зубьями сателлитов и полуосевых шестерен, окажутся одинаковыми, а моменты, передаваемые за счет трения, могут отличаться один от другого в зависимости от сцепления правого колеса с почвой.

При поворотах трактора с включенным передним мостом, когда внешние силы превысят силы трения между дисками, они будут пробуксовывать, не мешая повороту.

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 БП (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 разомкнутой запрещенной зоной (гетеропереход типа III), потому что 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. 2с, 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. 3г). 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 тройной инвертор был образован 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. 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 однослойных 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 обучающих систем, 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 смайлика. 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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *