陳鋒
摘要:失效模式影響分析(FMEA)能夠提高產品設計可靠性,縮短設計周期,降低產品研制成本。本文闡述了如何將FMEA應用到汽車車門設計項目中,構建一套操作性、實用性強的開發(fā)風險管理工作流程,使車門的設計過程中能夠實現設計要求與設計方案的相互權衡,來應對車門設計項目中的技術風險。
關鍵詞:FMEA 失效模式分析 車門設計 可靠性
1 概述
失效模式影響分析(以下都簡稱FMEA)是一種新型的系統(tǒng)分析技術,是保證產品設計可靠性的重要分析方法之一,用以評估項目中潛在問題的發(fā)生機率,以及發(fā)生后造成的影響,并按每一個故障模式的嚴重程度、檢測難易程度以及發(fā)生頻度予以分類、歸納分析,來鑒別設計上的薄弱環(huán)節(jié),以便采取適當的糾正措施,消除或者減輕其影響。FMEA的核心思想是風險分析和控制。
FMEA最早是在美國軍用系統(tǒng)的研制過程中進行可靠性分析,取得良好效果,于是逐漸推廣到民用工業(yè)領域,尤其是在汽車行業(yè)獲得廣泛認同。本文就針對汽車車門的設計過程,闡述FMEA在其中的應用。
車門是汽車的重要組成部分,既承擔進出汽車的功能,又是汽車外觀最富有變化和最引人注目的部分之一。在設計過程中,車門作為車身結構中的重要組成部分,其強度、剛度、可靠性、工藝性及造型風格等必需滿足車身整體性能的要求,同時車門結構自身的安全性、密封性、視野等性能,對整個汽車的性能影響較大,也是設計必須考慮的重要內容。
車門的一般設計流程如下圖一所示,設計的輸入指設計任務書、車身表面三維數據模型以及二維線圖、設計法規(guī)等;輸出一般是確定需要建立的三維模型和圖紙等。在實際設計過程中,往往需要在各步驟之間循環(huán)往復,不斷交叉進行,多方面考慮以保證最終設計的合理性。而FMEA的引入可以使這個過程更科學更可靠。
2 如何在車門設計中引入FMEA
2.1 車門設計中FMEA的作用機制
FMEA是一門以預防為主的系統(tǒng)技術,其核心理念是在問題發(fā)生前就找出來并解決掉。由于汽車制造行業(yè)的傾向是要盡可能持續(xù)地改進產品和過程的質量,所以將FMEA作為專門的技術應用以識別并幫助最大程度地減少車門設計中潛在的隱患是可行而且非常重要的。對車輛召回數據的研究結果表明,那些在設計階段使用FMEA的項目,事后召回的幾率大大低于未使用的。使用FMEA技術能提升設計的可靠性,已經成為工業(yè)界的共識。
車門設計中引入FMEA的過程,涵蓋設計的所有領域,包括結構的設計、附件的設計、材料的選擇、制造的工藝性、使用的可靠性、維護的便利性等,都在FMEA考慮的范圍,另外還必須和后續(xù)的生產過程管控銜接,使設計FMEA和過程FMEA有機結合,成為促進團隊合作、提升不同職能部門溝通效率的一種催化劑。
2.2 車門設計中FMEA的適用時機
車門設計中成功實施FMEA項目的最重要因素之一就是實施的及時性。FMEA必須是一種事前行為,而不是一種事后分析。為實現最大價值,FMEA必須在車門設計的早期階段開始,必須將故障模式的識別和分析納入車門制造之前進行,事先花時間很好地完成FMEA的分析,才能夠更方便、低成本地對車門的設計進行改善,從而最大程度地降低后期更改的危機。
具體而言,車門的設計工程師應該在車門進行品質規(guī)劃(APQP)的構想階段(即所謂第一階段),先將客戶的期望轉換成可靠度,再從車門設計與開發(fā)驗證階段(即第二階段)組織實施FMEA。FMEA的輸出,即各類分析文件表單,最早應在車門設計概念完成之前就開始實施,然后隨著設計過程的推進,不斷完善和修正。尤其是在車門的設計方案初步確定、對現有的設計方案進行設計變更以及當獲得新增信息時,FMEA通常都需要再次實施。
2.3 車門設計中引入FMEA活動的實施步驟
開展FMEA分析是一個重要的活動,工作內容涉及到跨部門和多學科,為了確保車門設計過程中FMEA分析結果的充分性和有效性,分析步驟如圖二所示。
車門設計FMEA活動最終的輸出應該要編制一份實用性和有效性較高的FMEA分析報告,必須要明確產品的設計要求、產品的功能、使用環(huán)境及結構特點,還應搜集以往類似產品的設計經驗和實際失效狀況。FMEA的輸出應該是一份標準化的報告,但在以后的運行過程中,可以不斷地修正和完善。
3 車門設計中FMEA的具體實施過程
一個完善的FMEA分析過程,通常包括如圖三所示的流程,下面就選取其中的幾個重要步驟,探討在車門設計中運用FMEA的具體做法。
3.1 對車門設計對象進行分析
FMEA的第一步就是分析設計對象。要做好車門的設計,首先需要對車門的功能要求進行分析,車門作為汽車的一個重要模塊,必須滿足顧客多方面的要求。包括使用方便性、安全性、密封性、動作可靠性、視野性、制造工藝性和維修性,以及外觀設計上要具備良好的視覺效果。這都是車門的基本要求。
3.2 鑒別車門失效模式
根據FMEA 的基本原理及方法要求,進行車門失效模式分析,首先列出車門系統(tǒng)所有零部件的全部故障模式和產生原因,明確重要的故障模式;然后根據系統(tǒng)可靠性的邏輯關系,用歸納推理的方法分析車門各種故障模式對其各功能級別造成的影響和后果;再判定出各種故障模式對汽車功能造成的失效效應的嚴重等級;最后提供發(fā)生故障以后的建議補償措施。整個過程以一張FMEA分析表作為輸出。
3.3 評價車門設計潛在失效的后果
潛在失效的后果就是失效模式對功能的影響。車門的潛在失效后果可能有:行駛中的噪音、車門不密閉導致的漏水現象、油漆不佳導致外觀不良、車門變形導致開關不暢、門鎖故障導致安全性能降低等等。在進行后果分析時要根據內、外部顧客可能發(fā)現或經歷的情況來描述失效的后果;要清楚地說明該失效模式是否會影響到安全性或與法規(guī)不符。另外要記住不同級別的系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零件之間存在著系統(tǒng)層次上的關系。例如:一個門邊卡鎖零件的斷裂可能引起車門總成件的振動,導致整車運行不穩(wěn),性能下降引起顧客不滿。endprint
嚴重度是一個量化的指標,是以數值方式對一個失效模式的影響程度進行分級。針對汽車制造行業(yè),FMEA系統(tǒng)有個標準的嚴重度評價準則,在FMEA的相關國際標準資料中都能查詢到,它將嚴重度從低到高分為10級,后果最輕微為1級,后果最嚴重為10級。在車門設計中,研究車門失效模式帶來的后果嚴重度時,也采用這個評價準則。
3.4 研究車門設計潛在失效的原因
潛在失效起因或機理,指的是引起潛在失效的一個設計缺陷,也就是引起失效的直接原因。在車門設計中,例如不合理的公差配合、選用的材料有問題、設計壽命估計不足、流程規(guī)范存在錯誤、環(huán)境影響考慮欠缺、維護保養(yǎng)說明錯誤等。設計失誤對潛在失效模式的影響,使用頻度指標進行評價。頻度是指設計缺陷導致的某一特定功能失效發(fā)生的可能性。頻度和嚴重度指標一樣,也是一個量化的級別數。描述頻度級別數重在含義,而不是具體的數值。在汽車制造行業(yè)的FMEA系統(tǒng)中,也有標準的頻度級別評價準則。在汽車車門設計FMEA項目中,可以參照頻度級別評價準則確定頻度值。
探測度指標反映的是潛在失效模式被預先發(fā)現的可能性,也就是說,是用設計控制方法事先探測出失效模式的能力的評價指標。最初的探測度通常比較高。通過不斷改進的設計控制,可取得較低的探測度級別。探測度指標和嚴重度、頻度一樣,也是一個分10級的等級指標,探測度等級越高,潛在失效模式越不容易預先找出來。在車門FMEA項目中,同樣可以參考汽車行業(yè)相應的探測度評價標準。
3.5 確定風險系數RPN
風險系數RPN是FMEA分析的一個重要參數,其定義為潛在失效模式分析中嚴重度(S)、頻度(O)和探測度(D)三者的乘積。即:RPN=S*P*D。這是一個描述對產品設計風險性的度量指標。風險系數越大,表明該項設計越不好。對列表中較高的RPN,應給予優(yōu)先重視,采取對策措施,以降低RPN值。尤其對嚴重度(S)級別高者,須特別注意。GM規(guī)定:作為一個總體原則,RPNs應<40。
3.6 針對各失效模式進行車門設計改善
在建議措施中,高RPN值、高嚴重度的項目視為首要改善項目。糾正措施的目的就是要降低各項目嚴重度、頻度、探測度級別。可以采取的改善措施包括:修改設計幾何尺寸或公差、修改材料規(guī)范、變更加工工藝、修正試驗設計等。要降低嚴重度級別,修改設計是唯一途徑。當確定了糾正預防措施后,估算并記錄措施執(zhí)行之后的嚴重度、頻度和探測度數值,并重新計算RPN值,只要措施正確,車門設計中的幾項潛在失效模式,風險系數很快降到40以下,滿足設計的可靠性要求。
4 總結
從前面的分析可以看出,在車門設計中引入FMEA,對設計過程帶來很多幫助。其預期的效益主要包括三個方面:首先,引入FMEA,對車門設計過程可以帶來很多有益的幫助,尤其是在評價功能要求和設計方案的效果方面,包括對車門制造、裝配、維護要求所作的最初設計,FMEA可以全方位地進行評價,使設計過程少走彎路,提高設計的效率;其次,FMEA的實施,能夠更清晰了解顧客對車門的功能需求,為全面有效的設計、開發(fā)和項目的策劃,提供更多的信息,FMEA能夠根據潛在失效模式對顧客的影響,對其進行排序列表,進而建立一套改進設計和開發(fā)試驗的優(yōu)先控制系統(tǒng);最后,FMEA的實施能夠提高未來車輛使用過程中車門的可靠性,將發(fā)生問題的幾率降到最低,從而間接保證整車的優(yōu)越性能。
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