Дифференциал устройство: устройство, виды и принцип работы

Дифференциал, его функции, устройство, разновидности

Что такое дифференциал и для чего он нужен?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте представим себе, как двигаются колёса автомобиля на повороте. Траектория их движения будет разной: внешнее колесо должно проделать гораздо более длинный путь, чем внутреннее. Следовательно, угловая скорость вращения колёс должна быть разной: внутреннее должно вращаться медленнее, внешнее – быстрее. Если речь идёт о неведущем мосте, достичь этого совсем несложно, поскольку колёса могут быть между собой не связанными и вращаться независимо. Но если говорить о ведущем мосте, то крутящий момент должен подаваться на оба колеса, иначе автомобиль стал бы практически неуправляемым. В случае же жёсткой связи ведущих колёс возникали бы проблемы на поворотах:  внешнему колесу, которое не успевало бы за внутренним, пришлось бы проскальзывать по дорожному покрытию, что привело бы к очень быстрому износу шин.

Именно с этой целью автомобили оснащаются дифференциалом – механизмом планетарного типа, который перераспределяет крутящий момент, поступающий от двигателя, между осями колёс ведущего моста, позволяя им в случае необходимости вращаться с любым соотношением угловой скорости.

В результате, автомобиль нормально управляется и двигается как на поворотах, так и на прямой дороге. При этом среднее арифметическое скорости вращения ведущих колёс будет равно скорости вращения двигателя.

Если автомобиль имеет один ведущий мост, то дифференциал устанавливают между приводами ведущих колёс. В этом случае его называют межколёсным. Если же мы говорим о полноприводном автомобиле, то дифференциал зачастую устанавливают между осями и называют его при этом межосевым.

Планетарный механизм ввиду физических законов имеет свойство передавать усилие на то колесо, которое нагружено в меньшей степени. Если, к примеру, оба ведущих колеса имеют с дорогой одинаковое сцепление и требуют равного усилия для раскручивания, то дифференциал распределит крутящий момент между колёсами поровну. Но если в сцеплении колёс с дорогой возникнет ощутимая разница (к примеру, одно из колёс попало на лёд, а другое осталось на асфальте), то дифференциал тут же этим воспользуется и основные усилия направит на более «лёгкое» колесо, то есть, на то, которое находится на скользком покрытии.

В результате оно начнёт крутиться с бешеной скоростью, а то колесо, которое находится на асфальте, совсем перестанет получать вращение и остановится.

Подобным образом работают так называемые симметричные дифференциалы с коническими шестернями, получившие распространение на легковых автомобилях российского производства. В этих механизмах сателлиты работают как равноплечные рычаги, передавая к шестерням полуосей, а, следовательно, и к ведущим колёсам,  только равные усилия.

Естественно, такое явление заметно ухудшает управляемость и проходимость автомобиля, ведь логика вещей требует, чтобы усилия передавались именно на колесо, находящееся на твёрдом покрытии, поскольку только в этом случае автомобиль сможет продолжить двигаться.

Для увеличения показателей проходимости на автомобилях применяется частичная или полная блокировка дифференциалов. Степень блокировки определяется её коэффициентом (Кб) – соотношением момента на колесе отстающем к крутящему моменту на забегающем. Для симметричных дифференциалов Кб всегда равен единице, для дифференциалов повышенного трения этот показатель может находиться в диапазоне от 1 до 5. Чем выше коэффициент блокировки, тем лучше показатели проходимости автомобиля. Говоря другими словами, если Кб равен 3, то момент, передаваемый на отстающее колесо, будет в 3 раза выше, чем на буксующее. Но возможный крутящий момент на колесе в это время составит от 20 до 70%, зависимо от возможностей блокирующего механизма.

На сегодняшний день дифференциалов повышенного трения существует несколько типов:

Дифференциалы с полной блокировкой

Блокировка в таких дифференциалах приводится в действие водителем принудительно. Во включённом состоянии угловые скорости ведущих колёс всегда одинаковы, а это снижает управляемость автомобиля на твёрдом покрытии и приводит к быстрому износу резины.

При этом типе локинга дифференциал фактически прекращает выполнять свои функции, превращаясь в обычную муфту, жёстко сцепляющую полуоси. В действие её механизм приводится пневматическим, гидравлическим или электрическим приводом. Она может быть как межколёсной, так и межосевой. Межосевым дифференциалом с полной блокировкой оснащаются, к примеру, автомобили ВАЗ-2121.

Включать полную блокировку разрешено только при полной остановке автомобиля и использовать её лишь при невысоких скоростях на труднопроходимых участках.

Многодисковые дифференциалы

Многодисковыми называются симметричные дифференциалы, которые в своей конструкции имеют поджатые пружинами пакеты фрикционных дисков. Момент срабатывания (статический преднатяг) составляет у этих дифференциалов от 2 до 12 кг. Механизмы этого типа используются преимущественно в спортивных автомобилях. К их недостаткам относится быстрый износ и после каждого пробега они требуют профилактических работ для восстановления их технических характеристик.

Вискомуфта

Вискомуфта – это полностью герметичное устройство с набором фрикционных дисков, один из которых жёстко связан с корпусом, а другие – с валом. Для увеличения трения жидкости в дисках предусмотрены каналы и отверстия. Внутри корпус вискомуфты на 80 – 90%заполнен жидким силиконом, обладающим высокой степенью вязкости. Этот агрегат является неремонтируемым и в случае протечки жидкости подлежит замене, поскольку именно её количество и вязкость определяют рабочие характеристики дифференциала.

Торсен

Из самого названия – производного от английского «TORQUE» — «момент» и «SENSING» — чувствительность – становится понятным, что данные дифференциалы являются чувствительными к крутящему моменту. Это один из наиболее эффективных форм блокировки дифференциалов.

Сателлиты в корпусе дифференциала располагаются перпендикулярно его оси и попарно соединяются между собой посредством прямозубого соединения. С шестернями полуосей сателлиты связываются червячным зацеплением. В процессе поворота связанная с отстающим колесом шестерня проворачивает зацепленный с нею сателлит, который вращает в свою очередь второй сателлит и полуосевую шестерню.

При помощи такой жёсткой механической связи колёса получают возможность обращаться с различными скоростями. Возникающие в зацеплении червячного типа по причине разности крутящих моментов на колёсах силы трения и осуществляют блокировку дифференциалов.

К недостаткам данной конструкции следует отнести сложность её изготовления, сборки и ремонта.

Квайф

Данная конструкция была запатентована под маркой «QUIFE» и названа так по имени своего создателя Рода Квайфа. Сателлиты в ней располагаются двухрядно параллельно к оси вращения корпуса. При этом они размещаются в закрытых с двух сторон отверстиях в корпусе, а не крепятся, как обычно, на осях. Правосторонние сателлиты, а их количество может быть от 3 до 5, зацепляются с правой полуосевой шестернёй, сателлиты левого ряда —  с левой. Помимо этого, сателлиты, находящиеся в разных рядах, через один зацепляются друг с другом.

Все зубчатые колёса оснащены винтовыми зубьями с одним и тем же модулем и углом профиля. Число сателлитов и количество зубьев полуосевых шестерней определяется условиями собираемости конструкции в целом.

В случае, если одно из колёс отстаёт, связанная с ним шестерня полуоси начинает вращаться с меньшей скоростью, чем корпус дифференциала, поворачивая сателлит, находящийся с нею в зацеплении. Тот передаёт вращение сателлиту, связанному с ним, а оттуда крутящий момент поступает на шестерню полуоси. Таким образом обеспечиваются различные обороты колёс во время поворота. Благодаря разности в крутящих моментах на колёсах, в винтовых зацеплениях возникают силы осевой и радиальной направленности, которые прижимают шестерни полуосей и сателлиты к корпусу их торцами или к разделителю крышками. При этом появляются силы трения, которые и осуществляют блокировку, что позволяет увеличить силу тяги в автомобиле, а следовательно – и его проходимость.

Величина коэффициента блокировки находится в прямой зависимости от угла, под которым располагаются зубья шестерни. Изменяя в процессе проектирования углы наклона зубьев (так называемый «угол спирали»), можно изменить Кб в той степени, в которой это необходимо для автомобиля, исходя из его характеристик и предполагаемых условий его применения и эксплуатации.

Дифференциалы этого типа самое большое распространение получили в тюнинге. Производство блокировок этого типа налажено и в России: ими оборудуются некоторые модели автомобилей УАЗ.

устройство, назначение и принцип работы

Функции трансляции и распределения крутящего момента присутствуют во многих механизмах. В оптимизированном виде такие задачи реализуются в обычных автомобилях для обеспечения возможности вращения колес на разных скоростях. Данную работу выполняет дифференциал – в автомобиле это конструкционная часть трансмиссии, позволяющая избегать пробуксовок и улучшающая динамические характеристики.

Дифференциал в трансмиссионной системе

В транспортных средствах дифференциал является функциональным компонентом ходовой части. В зависимости от конфигурации колесных осей он может занимать разные позиции, но принципиально его связка с базовыми исполнительными органами ведущей системы не меняется. Для начала стоит рассмотреть устройство трансмиссии, в которое также входит коробка передач, сцепление, блок отбора мощности и механизм раздачи. В общем комплексе это набор узлов и агрегатов, которые обеспечивают сопряжение двигателя с колесами. К слову, трансмиссия присутствует и в стационарной технике, где требуется соединение других вращающихся органов.

В общем случае механизм обеспечивает передачу рабочему узлу крутящего момента с той или иной силой. Но что такое трансмиссия автомобиля конкретно в связке с дифференциалом? Это техническая инфраструктура, в рамках которой обеспечивается работа ведущей оси. Причем в зависимости от устройства трансмиссии дифференциалов может быть несколько. Например, в машинах с полноприводной подключаемой системой дифференциал присутствует на каждой оси.

Назначение дифференциала

Потребность в данном узле обуславливается различиями в скоростях работы колес. Конечно, на прямой дороге они движутся в одинаковом режиме, но малейший поворот заставляет одно из колес проходить большее расстояние, чем противоположное на той же оси. В ином случае будет иметь место пробуксовка. Иными словами, что такое дифференциал в автомобиле на практике? Это механизм, благодаря которому ведущие колеса в принципе могут вращаться с равными угловыми скоростями в условиях непрерывной трансляции крутящего момента от силового агрегата. Другое дело, что могут быть разные схемы размещения и взаимодействия данного агрегата с другими элементами ходовой части.

Может ли дифференциал отсутствовать в трансмиссии?

Само присутствие дифференциала в конструкции автомобиля как средства разделения и оптимизации мощностных нагрузок на оси вращения является нежелательным. Это компромиссный вариант, который даже с учетом полезной функции оправдывает себя далеко не всегда. В каких же случаях устройство трансмиссии обходится без дифференциала? Преимущественно такая конфигурация возможна и на обычных легковых машинах, но ввиду быстрого износа колес это будет нерациональное решение. С точки зрения эксплуатационной целесообразности исключение дифференциала оправдывается на гоночных автомобилях, у которых ведущая ось – задняя. В частности, речь идет о спорткарах, которые используются на специальных покрытиях с пониженным коэффициентом сцепки. Отсутствует дифференциал и на тяговых машинах наподобие электровозов, тепловозов, электропоездов и т. д.

Конструкционное устройство дифференциала

Принципиальной особенностью дифференциала является наличие планетарной передачи, за счет которой обеспечивается функция вращательно-распределительного действия в трансмиссионном комплексе. Независимо от формата выпуска, устройство будет основываться на трехзвенной планетарной системе без управляющих дополнений. Распределение между уровнями расположения шестерней в передаче определяется внешними командами от ручной КП или автоматическим регулятором – в зависимости от типа трансмиссии. При этом конфигурации звеньев могут меняться. Например, в простейшем устройстве дифференциала межколесного типа предусматривается наличие четырех конических шестерней. Функцию водила (направляющего звена) в данной системе выполняет корпус дифференциала. По отношению к ведущему звену две другие шестерни будут выступать сателлитами.

Работа дифференциала на прямой дороге

Обычные модели дифференциалов могут находиться в одном из трех рабочих режимов в зависимости от текущей задачи трансмиссии. Это может быть движение по прямой, маневр на скользкой дороге или движение в повороте. В каждом случае предусматривается определенная механика срабатывания дифференциала с подачей крутящего момента через ведущий мост к колесам. Так, при движении по прямой оба колеса сталкиваются с равным сопротивлением покрытия. В этом режиме от корпуса подается тяга на сателлиты, которые обегают полуосевые звенья и в равных долях распределяют усилие на колесах.

Работа дифференциала в повороте

При движении в повороте нарушается симметрия распределения крутящего момента, в котором выделяется внутреннее и наружное колесо, получающее большую угловую скорость. Для обеспечения этой разницы полуосевая внутренняя шестерня притормаживается, заставляя свои сателлиты крутиться вокруг оси, наращивая скорость внешних полуосевых шестерней. Хотя устройство дифференциала может иметь несколько планетарных групп в составе, соотношение суммарной частоты вращения всех полуосевых элементов с количеством оборотов ведомой шестерни всегда будет одинаковым. Также и начальный крутящий момент, который подается на внешнюю и внутреннюю сегменты распределения частоты, будет одинаков относительно двух колес независимо от угловых скоростей.

Работа дифференциала на скользкой дороге

В предыдущем случае речь шла о движении по дороге с оптимальной сцепкой, а вмешательство функции дифференциала было вызвано разницей в расстояниях, которые должны были пройти в повороте ведущие колеса. В данной ситуации те же колеса будут выполнять разный объем работы, но по другой причине. На скользкой дороге одно из колес буксует, заставляя и трансмиссию делать соответствующую поправку. Сразу надо подчеркнуть, что в случаях с двумя колесами на скользком покрытии функция дифференциала принципиального и решающего значения не имеет. Итак, буксующее колесо должно работать с увеличенной скоростью, однако крутящий момент будет невелик ввиду недостаточного сцепления. Более выигрышно на скользкой дороге действует дифференциал переднего моста, хотя и в его применении есть свои риски. Дело в том, что контроль колес в данной конфигурации более стабильный, но есть вероятность неуправляемого ухода в больший радиус, после чего увеличится и риск сноса машины. То есть многое в функции дифференциалов будет зависеть от других факторов – траектории движения и условий на дороге помимо снега и наледи.

Блокировка свободного дифференциала

Сама по себе функция блокировки предназначена для более эффективной регуляции соотношения между крутящим моментом и сцепкой колес с покрытием. В конструкции с наличием свободного дифференциала эта задача осуществляется следующим образом: при естественной пробуксовке одного колеса на второе транслируется вращение, недостаточное для движения. Принцип работы блокировки дифференциала в такой ситуации будет заключаться в выполнении двух операций:

• Сопряжение корпуса дифференциала с полуосью, которую необходимо сдерживать.
• Ограничение вращения сателлитов.

Это наиболее распространенная частичная блокировка, при которой обеспечивается эффект регулировки распределения крутящего момента. Но также бывает и полная блокировка, предполагающая жесткую сцепку сегментов дифференциала для максимальной (свободной) передачи вращения на колесо с наилучшим сцеплением.

Дифференциал с принудительной блокировкой

В таких конфигурациях функция блокировки обычно выполняется за счет кулачковой муфты, которая обеспечивает жесткую сцепку с колесами посредством приводного механизма. Системы приводов бывают разными – от классической гидравлики или механики до более инновационных электрических и пневматических устройств. Например, что такое механическая принудительная блокировка в дифференциале автомобиля? Это функция, которая активируется водителем посредством рычага и задействует группу механизмов, среди которых тросы и силовые узлы. Что касается гидравлических приводов, то в них усилие передается по группе цилиндров – в принципе, работает та же механика. Существенные отличия в рабочих схемах имеют современные пневмоцилиндры и электрические приводные устройства, в которых инициация блокировки реализуется путем нажатия кнопки на приборной панели. Далее от поданной команды происходит замыкание назначенных муфт в той или иной схеме – в зависимости от типа блокировки.

Самоблокирующийся дифференциал

Подобные устройства также называют дифференциалами высокого трения. Они формируют промежуточную группу исполнительных механизмов, занимая место между свободными и принудительными средствами блокировки полуосей. Причем самоблокирующиеся системы могут выполнять как свободную, так и полную блокировку в зависимости от текущих требований. Фактором регуляции распределения крутящего момента может выступать и угловая скорость, и разность в силе вращения у ведущих колес. По конструкционному устройству наиболее распространенными считаются механизмы с пакетами фрикционных дисков. Например, блокировка дифференциала заднего моста у внедорожников обеспечивается фрикционными блоками с пружинами. Перспективные разработки в этом направлении связаны с концепцией героторного дифференциала. В его основу входит поршень с насосом, который при фиксации разности угловых скоростей нагнетает техническую жидкость (специальные составы с присадками) и сдавливает фрикционную группу для обеспечения блокировки.

Заключение

Автомобили нового поколения становятся все более функциональными, эргономичными и надежными, что в значительной степени достигается благодаря электронике. В то же время сохраняются рабочие части, агрегаты и механизмы, где применение «умной» техники пока не столь эффективно по сравнению с конструкционным улучшением. Так и устройство дифференциала все еще зависимо от физической реализации систем контроля тяги и сцепления ведущих колес посредством планетарной передачи с ее звеньями. Но и в этой нише есть технологические продвижения. Об этом говорит и все более плотная связка с системами безопасности наподобие блокировщиков ABS, и электронное управление базовыми режимами работы дифференциала.

Дифференциальное медицинское аэрозольное устройство и выбор интерфейса у пациентов во время спонтанной, традиционной механической и неинвазивной вентиляции

Обзор

. 2016 апр; 29(2):95-106.

doi: 10.1089/jamp.2015.1266. Epub 2015 30 декабря.

Арзу Ари ¹ , Джеймс Б Финк ¹

Принадлежности

принадлежность

• ¹ Отделение респираторной терапии Университета штата Джорджия, Атланта, Джорджия.

• PMID: 26717448
• DOI: 10.1089/jamp.2015.1266

Обзор

Арзу Ари и др. J Aerosol Med Pulm Drug Deliv. 2016 Апрель

. 2016 апр; 29(2):95-106.

doi: 10.1089/jamp.2015.1266. Epub 2015 30 декабря.

Авторы

Арзу Ари ¹ , Джеймс Б Финк ¹

принадлежность

• ¹ Отделение респираторной терапии Университета штата Джорджия, Атланта, Джорджия.

• PMID: 26717448
• DOI: 10.1089/jamp.2015.1266

Абстрактный

На рынке доступно множество устройств для доставки аэрозолей, которые имеют различные функции, характеристики и эксплуатационные требования, которые необходимо учитывать для эффективного лечения пациентов с легочными заболеваниями. Выбор устройства в аэрозольной медицине в значительной степени зависит от пациента. Поскольку не существует аэрозольного устройства, подходящего для всех групп пациентов, выбор устройства и успешная интеграция назначенного аэрозольного устройства пациентам имеют важное значение. В этой статье рассматриваются ключевые вопросы дифференциального выбора устройств для спонтанно дышащих взрослых с искусственными дыхательными путями или без них, а также для пациентов в критическом состоянии, получающих инвазивную и неинвазивную вентиляцию, с обсуждением соображений интеграции аэрозольных устройств в каждую из этих групп пациентов.

Ключевые слова: аэрозоли; тяжелобольные пациенты; выбор устройства; ингаляторы с сухим порошком; механическая вентиляция; дозированные ингаляторы; небулайзеры; неинвазивная вентиляция; трахеостомия.

Похожие статьи

• Аэрозольная терапия в легочной интенсивной терапии.

  Ари А. Ари А. Уход за дыханием. 2015 июнь;60(6):858-74; обсуждение 874-9. doi: 10.4187/respcare.03790. Уход за дыханием. 2015. PMID: 26070580 Обзор.

• Доставка аэрозоля при ИВЛ: от базовых методик к новым устройствам.

  Дханд Р. Дханд Р. J Aerosol Med Pulm Drug Deliv. 2008 март; 21(1):45-60. doi: 10.1089/jamp.2007.0663. J Aerosol Med Pulm Drug Deliv. 2008. PMID: 18518831 Обзор.

• Основные способы доставки аэрозоля при ИВЛ.

  Дханд Р. Дханд Р. Уход за дыханием. 2004 г., июнь; 49 (6): 611-22. Уход за дыханием. 2004. PMID: 15165296 Обзор.

• Выбор устройства доставки аэрозоля для самостоятельно дышащих пациентов: 2012 г.

  Ари А., Рестрепо РД; Американская ассоциация респираторной помощи. Ари А и др. Уход за дыханием. 2012 Апрель; 57 (4): 613-26. doi: 10.4187/respcare.01756. Уход за дыханием. 2012. PMID: 22472501

• Оценка in vitro доставки аэрозоля через трахеостому и эндотрахеальную трубку с использованием различных интерфейсов.

  Ари А., Харвуд Р.Дж., Шеард М.М., Финк Д.Б. Ари А и др. Уход за дыханием. 2012 июль; 57 (7): 1066-70. doi: 10.4187/respcare.01167. Epub 2012 23 января. Уход за дыханием. 2012. PMID: 22273459

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Улучшает ли клапанная удерживающая камера осаждение аэрозоля в легких с помощью струйного распылителя? Рандомизированное перекрестное исследование.

  Алкофорадо Л., Пайва Д.Н., Ари А., Барселар Дж.М., Брандао СКС, Финк Дж.Б., Дорнелас де Андраде А. Алкофорадо Л. и др. Фармацевтика. 2022 4 марта; 14 (3): 566. doi: 10.3390/фармацевтика14030566. Фармацевтика. 2022. PMID: 35335942 Бесплатная статья ЧВК.

• Лабораторное исследование триггерной асинхронии, вызванной введением внешнего газа в контур неинвазивной механической вентиляции.

  Лалмольда К., Флорес П., Гримау К., Ларроса Р., Коррал М., Сайас Дж., Лухан М. Лалмолда С. и др. Научный представитель 2021 г. 10 декабря; 11 (1): 23814. doi: 10.1038/s41598-021-03291-y. Научный представитель 2021. PMID: 34893679 Бесплатная статья ЧВК.

• Лечение пациентов с ХОБЛ ингаляционными препаратами в эпоху COVID-19 и в последующий период: варианты и обоснования для пациентов на дому.

  Ари А., Блейн К., Субра С., Ханания Н.А. Ари А и др. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis. 2021 28 сентября; 16: 2687-2695. doi: 10.2147/COPD.S332021. Электронная коллекция 2021. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis. 2021. PMID: 34611397 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Оптимальное соединение для доставки тиотропия SMI через искусственную вентиляцию легких: исследование in vitro.

  Fang TP, Chen YJ, Yang TM, Wang SH, Hung MS, Chiu SH, Li HH, Fink JB, Lin HL. Фанг Т.П. и др. Фармацевтика. 2020 24 марта; 12 (3): 291. doi: 10.3390/фармацевтика12030291. Фармацевтика. 2020. PMID: 32213833 Бесплатная статья ЧВК.

• Спрей для иммунных клеток (ICS) позволяет доставлять функциональные моноциты/макрофаги.

  Бенеке В. , Кюстер Ф., Нихус А.Л., Гессе С., Лопес-Родригес Э., Хааке К., Рафи Хаштчин А., Шотт Дж.В., Уолтер Д., Браун А., Волкерс В.Ф., Акерманн М., Лахманн Н. Бенеке В. и др. Научный представитель 2018 г. 2 ноября; 8 (1): 16281. doi: 10.1038/s41598-018-34524-2. Научный представитель 2018. PMID: 30389997 Бесплатная статья ЧВК.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

Типы публикаций

термины MeSH

вещества

Обучение с конфиденциальностью в масштабе

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

Введение

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

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

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

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

Мы сосредоточены на проблеме оценки частотности 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 0181 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 рис. 3 показан образец 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 частного подсчета среднего значения (CMS) объединяет записи, отправленные устройствами, и выводит гистограмму подсчета по словарю элементов предметной области, сохраняя 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 хеш-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 на стороне клиента 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 9.0181 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.

Рисунок 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 9 0182 , 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 e ( 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] К. Дворк, Ф. МакШерри, К. Ниссим и А. Смит . Калибровка шума по чувствительности в анализе частных данных . TCC , 2006.

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