FMEA在車門設(shè)計中的應(yīng)用

陳鋒

摘要：失效模式影響分析（FMEA）能夠提高產(chǎn)品設(shè)計可靠性，縮短設(shè)計周期，降低產(chǎn)品研制成本。本文闡述了如何將FMEA應(yīng)用到汽車車門設(shè)計項目中，構(gòu)建一套操作性、實用性強(qiáng)的開發(fā)風(fēng)險管理工作流程，使車門的設(shè)計過程中能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求與設(shè)計方案的相互權(quán)衡，來應(yīng)對車門設(shè)計項目中的技術(shù)風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：FMEA 失效模式分析 車門設(shè)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(shù)，是保證產(chǎn)品設(shè)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(jī)率，以及發(fā)生后造成的影響，并按每一個故障模式的嚴(yán)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(shè)計上的薄弱環(huán)節(jié)，以便采取適當(dāng)?shù)募m正措施，消除或者減輕其影響。FMEA的核心思想是風(fēng)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(jìn)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(lǐng)域，尤其是在汽車行業(yè)獲得廣泛認(rèn)同。本文就針對汽車車門的設(shè)計過程，闡述FMEA在其中的應(yīng)用。

車門是汽車的重要組成部分，既承擔(dān)進(jìn)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(shè)計過程中，車門作為車身結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其強(qiáng)度、剛度、可靠性、工藝性及造型風(fēng)格等必需滿足車身整體性能的要求，同時車門結(jié)構(gòu)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(shè)計必須考慮的重要內(nèi)容。

車門的一般設(shè)計流程如下圖一所示，設(shè)計的輸入指設(shè)計任務(wù)書、車身表面三維數(shù)據(jù)模型以及二維線圖、設(shè)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(shè)計過程中，往往需要在各步驟之間循環(huán)往復(fù)，不斷交叉進(jìn)行，多方面考慮以保證最終設(shè)計的合理性。而FMEA的引入可以使這個過程更科學(xué)更可靠。

2 如何在車門設(shè)計中引入FMEA

2.1 車門設(shè)計中FMEA的作用機(jī)制

FMEA是一門以預(yù)防為主的系統(tǒng)技術(shù)，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(jìn)產(chǎn)品和過程的質(zhì)量，所以將FMEA作為專門的技術(shù)應(yīng)用以識別并幫助最大程度地減少車門設(shè)計中潛在的隱患是可行而且非常重要的。對車輛召回數(shù)據(jù)的研究結(jié)果表明，那些在設(shè)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(shù)能提升設(shè)計的可靠性，已經(jīng)成為工業(yè)界的共識。

車門設(shè)計中引入FMEA的過程，涵蓋設(shè)計的所有領(lǐng)域，包括結(jié)構(gòu)的設(shè)計、附件的設(shè)計、材料的選擇、制造的工藝性、使用的可靠性、維護(hù)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(chǎn)過程管控銜接，使設(shè)計FMEA和過程FMEA有機(jī)結(jié)合，成為促進(jìn)團(tuán)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(shè)計中FMEA的適用時機(jī)

車門設(shè)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(xiàn)最大價值，F(xiàn)MEA必須在車門設(shè)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(jìn)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(shè)計進(jìn)行改善，從而最大程度地降低后期更改的危機(jī)。

具體而言，車門的設(shè)計工程師應(yīng)該在車門進(jìn)行品質(zhì)規(guī)劃（APQP）的構(gòu)想階段（即所謂第一階段），先將客戶的期望轉(zhuǎn)換成可靠度，再從車門設(shè)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(yīng)在車門設(shè)計概念完成之前就開始實施，然后隨著設(shè)計過程的推進(jìn)，不斷完善和修正。尤其是在車門的設(shè)計方案初步確定、對現(xiàn)有的設(shè)計方案進(jìn)行設(shè)計變更以及當(dāng)獲得新增信息時，F(xiàn)MEA通常都需要再次實施。

2.3 車門設(shè)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(nèi)容涉及到跨部門和多學(xué)科，為了確保車門設(shè)計過程中FMEA分析結(jié)果的充分性和有效性，分析步驟如圖二所示。

車門設(shè)計FMEA活動最終的輸出應(yīng)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(chǎn)品的設(shè)計要求、產(chǎn)品的功能、使用環(huán)境及結(jié)構(gòu)特點，還應(yīng)搜集以往類似產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗和實際失效狀況。FMEA的輸出應(yīng)該是一份標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)計中運用FMEA的具體做法。

3.1 對車門設(shè)計對象進(jìn)行分析

FMEA的第一步就是分析設(shè)計對象。要做好車門的設(shè)計，首先需要對車門的功能要求進(jìn)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(shè)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(jù)FMEA 的基本原理及方法要求，進(jìn)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(chǎn)生原因，明確重要的故障模式；然后根據(jù)系統(tǒng)可靠性的邏輯關(guān)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(yīng)的嚴(yán)重等級；最后提供發(fā)生故障以后的建議補(bǔ)償措施。整個過程以一張F(tuán)MEA分析表作為輸出。

3.3 評價車門設(shè)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(dǎo)致的漏水現(xiàn)象、油漆不佳導(dǎo)致外觀不良、車門變形導(dǎo)致開關(guān)不暢、門鎖故障導(dǎo)致安全性能降低等等。在進(jìn)行后果分析時要根據(jù)內(nèi)、外部顧客可能發(fā)現(xiàn)或經(jīng)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(guān)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(dǎo)致整車運行不穩(wěn)，性能下降引起顧客不滿。endprint

嚴(yán)重度是一個量化的指標(biāo)，是以數(shù)值方式對一個失效模式的影響程度進(jìn)行分級。針對汽車制造行業(yè)，F(xiàn)MEA系統(tǒng)有個標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)重度評價準(zhǔn)則，在FMEA的相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)資料中都能查詢到，它將嚴(yán)重度從低到高分為10級，后果最輕微為1級，后果最嚴(yán)重為10級。在車門設(shè)計中，研究車門失效模式帶來的后果嚴(yán)重度時，也采用這個評價準(zhǔn)則。

3.4 研究車門設(shè)計潛在失效的原因

潛在失效起因或機(jī)理，指的是引起潛在失效的一個設(shè)計缺陷，也就是引起失效的直接原因。在車門設(shè)計中，例如不合理的公差配合、選用的材料有問題、設(shè)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(hù)保養(yǎng)說明錯誤等。設(shè)計失誤對潛在失效模式的影響，使用頻度指標(biāo)進(jìn)行評價。頻度是指設(shè)計缺陷導(dǎo)致的某一特定功能失效發(fā)生的可能性。頻度和嚴(yán)重度指標(biāo)一樣，也是一個量化的級別數(shù)。描述頻度級別數(shù)重在含義，而不是具體的數(shù)值。在汽車制造行業(yè)的FMEA系統(tǒng)中，也有標(biāo)準(zhǔn)的頻度級別評價準(zhǔn)則。在汽車車門設(shè)計FMEA項目中，可以參照頻度級別評價準(zhǔn)則確定頻度值。

探測度指標(biāo)反映的是潛在失效模式被預(yù)先發(fā)現(xiàn)的可能性，也就是說，是用設(shè)計控制方法事先探測出失效模式的能力的評價指標(biāo)。最初的探測度通常比較高。通過不斷改進(jìn)的設(shè)計控制，可取得較低的探測度級別。探測度指標(biāo)和嚴(yán)重度、頻度一樣，也是一個分10級的等級指標(biāo)，探測度等級越高，潛在失效模式越不容易預(yù)先找出來。在車門FMEA項目中，同樣可以參考汽車行業(yè)相應(yīng)的探測度評價標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 確定風(fēng)險系數(shù)RPN

風(fēng)險系數(shù)RPN是FMEA分析的一個重要參數(shù)，其定義為潛在失效模式分析中嚴(yán)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(chǎn)品設(shè)計風(fēng)險性的度量指標(biāo)。風(fēng)險系數(shù)越大，表明該項設(shè)計越不好。對列表中較高的RPN，應(yīng)給予優(yōu)先重視，采取對策措施，以降低RPN值。尤其對嚴(yán)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(yīng)<40。

3.6 針對各失效模式進(jìn)行車門設(shè)計改善

在建議措施中，高RPN值、高嚴(yán)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(yán)重度、頻度、探測度級別?？梢圆扇〉母纳拼胧┌ǎ盒薷脑O(shè)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(shè)計等。要降低嚴(yán)重度級別，修改設(shè)計是唯一途徑。當(dāng)確定了糾正預(yù)防措施后，估算并記錄措施執(zhí)行之后的嚴(yán)重度、頻度和探測度數(shù)值，并重新計算RPN值，只要措施正確，車門設(shè)計中的幾項潛在失效模式，風(fēng)險系數(shù)很快降到40以下，滿足設(shè)計的可靠性要求。

4 總結(jié)

從前面的分析可以看出，在車門設(shè)計中引入FMEA，對設(shè)計過程帶來很多幫助。其預(yù)期的效益主要包括三個方面：首先，引入FMEA，對車門設(shè)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(shè)計方案的效果方面，包括對車門制造、裝配、維護(hù)要求所作的最初設(shè)計，F(xiàn)MEA可以全方位地進(jìn)行評價，使設(shè)計過程少走彎路，提高設(shè)計的效率；其次，F(xiàn)MEA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(shè)計、開發(fā)和項目的策劃，提供更多的信息，F(xiàn)MEA能夠根據(jù)潛在失效模式對顧客的影響，對其進(jìn)行排序列表，進(jìn)而建立一套改進(jìn)設(shè)計和開發(fā)試驗的優(yōu)先控制系統(tǒng)；最后，F(xiàn)MEA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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