产品设计FMEA（DFMEA）

【导读】
由于在产品设计中实施DFMEA要遇到较多困难，在具体实施DFMEA之前，需要做好建立较为完善的故障模式库并确定DFMEA的详细分析对象准备工作。
2.1 DFMEA的准备工作
   由于在产品设计中实施DFMEA要遇到较多困难，在具体实施DFMEA之前，需要做好建立较为完善的故障模式库并确定DFMEA的详细分析对象准备工作。

   ①建立小组。

   ②必需的资料，例如：

   ●经由质量功能展开（QFD）而得到的设计要求；

   ●产品可靠性和质量目标；

   ●产品的使用环境；

   ●以往类似产品的失效分析（FMA）资料；

   ●以往类似产品的DFMEA资料；

   ●初始工程标准；

   ●初始特殊特性明细表。
 
   零  件                      连接方法
   A.灯罩                      1.不连接(滑动配合)
   B.电池(2节电池)             2.铆接
   C.开/关  开关               3.螺纹连接
   D.灯泡总成                  4.卡扣装接
   E.电极                      5.压紧装接
   F.弹簧
 
   ①所要分析的系统、子系统或零部件的逻辑框图。它标明信息、能量、力、流体等的流程。明确该系统的输入、过程及输出。表示系统内零部件的联接和关系。

   附录1是QS9000中推荐的DFMEA表格。本教材以该表格为基础，详细介绍DFMEA的具体应用。
   在进行DFMEA之前，填写好该表格表头的各项内容，它们是：

   1)FMEA编号
   2)系统、子系统或零部件的名称及编号
   3)设计责任部门，包括供方名称
   4)编制者（姓名、部门、电话等）
   5)年型／车型（该系统／零部件应用的年型／车型）
   6)关键日期（预定FMEA完成的日期，不应超过设计图样完成日期）
   7)FMEA日期（初稿日期与最新修订日期）
   8)小组成员（组长、成员的姓名、单位、电话等）
 
2.2 系统／子系统／零部件的功能
   传统的产品可靠性的定义指出：可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。不能完成规定的功能就称失效。因此FMEA，必须从搞清功能开始。

   所谓功能，通俗地说，就是：设计这个系统／子系统／零部件做什么？也就是根据顾客需要，经过QFD明确的设计要求。或者说为满足设计意图，该“产品”的具体的要求是什么？

   一个零部件（或子系统，或系统）的功能往往是多项的。这种情况下，必须把所有的功能全部列出，不能遗漏。例如一个变速箱功能应包括：

   汽车起步时输出的扭矩，

   汽车行驶过程中，通过合理的速比满足整个行驶速度范围内的扭矩输出，

   倒车时，改变传动方向，

   发动机制动状态下，传递相反方向的扭矩，
   
   提供方便舒适的变速操作，

   空档，

   卡车变速箱有的还要有功率输出功能。

   给出完成这些功能的重要的环境条件，如大气温度、湿度、大气压、道路、灰尘和腐蚀介质等。如变速箱的润滑系统的正常工作与环境温度有重要关系。给出设计要求的寿命。以上这些要求都应尽可能给出可度量的（即定量的）的要求。如各档速比，传递的扭矩、功率、工作温度，等等。

   除满足最终顾客的要求而确定的功能外，还要考虑满足直接顾客和中间顾客的要求。其中可制造性和装配性的要求尤为重要。一个产品在产生满足顾客期望的功能的同时，有时还会产生顾客非期望的功能。这些非期望功能常常与安全及政府法规的符合性相关。诸如噪声、振动、电磁干扰、环境污染、能源消耗、材料回收再循环等。如变速箱的噪声、润滑油泄漏的要求也应明确列入功能要求中。许多产品对维修性、服务和后勤保障性还有重要的要求，也应列入功能项目之中。
 
2.3 潜在失效模式
   所谓失效，就是丧失功能。而失效模式，就是失效表现的形式。这里，我们说的是“潜在的”，意思是，这些失效可能发生，但不一定发生。

   广义的说，失效模式有两大类型。
   ①I型失效模式，指的是不能完成规定的功能。

   这类失效的典型模式，可举例如下：
   突发型：断裂、开裂、碎裂、弯曲、塑性变型、失稳、短路、断路、击穿、泄漏、松脱，等等。

   渐变型：磨损、腐蚀、龟裂、老化、变色、热衰退、蠕变、低温脆变、性能下降、渗漏、失去光泽、褪色，等等。

   ②II型失效模式，指的是产生了有害的非期望功能。
   典型的这类失效模式有：噪声、振动、电磁干扰、有害排放、等等。当出现这类失效时，要返回功能描述部分，看是否已有限制要求，如果没有，是否应加以补充。在描述失效模式时，要注意使用普遍使用的术语，避免使用地方性、行业性哩语。
 
2.4潜在失效后果
   潜在的失效后果，是指失效模式可能带来的对完成规定功能的影响，以致带来顾客的不满意，和不符安全和政府的法规。失效后果的分析，要运用失效链分析方法，搞清楚直接后果、中间后果和最终后果。

   失效后果可以从以下几方面考虑：
   ①对完成规定功能的影响；

   ②对上一级系统完成功能的影响；

   ③对系统内其他零件的影响；

   ④对顾客满意的影响；

   ⑤对安全和政府法规符合性的影响；

   ⑥对整车系统的影响。
 
   举例来说，发动机进气阀阀座烧蚀这一失效模式，其直接后果是造成气阀密封不严；其中间后果是造成压缩压力下降，燃烧状况恶化；最终后果是发动机功率下降，燃油消耗增加，排气有害物增加，引起顾客不满，甚至不符合政府法规。
 

2.5 后果严重性评估―――严重度（S）
   为了对失效模式的后果之严重程度进行评估，把对后果的定性描述作成某种数量化的评价，以便于工程中的交流，从而产生了对严重程度进行打分的办法。习惯的打分办法是，分数愈高，后果愈严重。曾经采用过的有3分制，5分制，10分制等。QS9000手册采用的是10分制。 
后果 评定准则：后果的严重度 严重度
无警告的
严重危害		 这是一种非常严重的失效形式，它是在没有任何失效预兆的情况下影响到行车安全或违反了政府的有关法规。  
10
 
有警告的
严重危害		 这是一种非常严重的失效形式，是在具有失效预兆的前提下所发生的，并影响到行车安全或违反了政府的有关法规。  
9
很高 车辆（或系统）不能运行，丧失基本功能。 8
高 车辆（或系统）能运行，但性能下降，顾客不满意。 7
中等 车辆（或系统）能运行，但舒适性或方便性项目性能下降，顾客感觉有些不舒服。 5
低 车辆（或系统）能运行，但舒适性或方便性部件不能工作，顾客感觉不舒服。 5
很低 配合、外观或尖响、卡嗒响等项目不符合要求，大多数顾客发现有缺陷。 3
轻微 配合、外观或尖响、卡嗒响等项目不符合要求，有一半顾客发现有缺陷。 3
很轻微 配合、外观或尖响、卡嗒响等项目不符合要求，但很少有顾客发现有缺陷。 2
无 无影响。 1
 
2.6 失效模式重要程度等
   在QS9000中，突出了对产品／过程特殊特性的注意。所谓特殊特性是指：显著影响安全和政府法规符合性的特性；显著影响顾客满意的特性。

   在FMEA中，要突出对特殊特性的关注。因此，专门设置一个栏目，用以标记所分析的失效模式是否属于特殊特性，并且使用顾客规定的符号进行标注。如：

   安全和／或政府法规定符合性特性
   ●克莱斯勒公司    Safety Item   符号－（S）与盾形

   ●福特公司    Critical Characteristic  符号－（▽）

   ●通用公司    Safety/Compliance Key Product Characteristic 符号－（S／C）或▽重要性能、配合或外观特性

   ●克莱斯勒公司    Critical  Characteristic  符号－（◇）或（D）

   ●Critical Verification 符号－（□）或（P）

   ●福特公司  Significant Characteristic

   ●通用 Fit/Function Key Product Characteristic 符号－（◇）或（F／F）
 
   特殊特性一般由特殊特性初始明细表给出。同时，FMEA也是发现潜在特殊特性的工具之一。当严重度＞8时，应确认为特殊特性，当严重度为5－8，而频度＞3（频度的含义下面将叙述）时，可确认为重要特性。
 

2.7 潜在的失效起因／机理
   研究失效可能的原因与机理，是为了能够正确采取控制措施，防止失效的发生或减少基发生的可能性。
 
   在DFMEA中，我们所要研究的失效原因与机理，是指引起失效模式的可能的设计薄弱点。注意，不要把产品的工作环境（如道路产生的振动、冲击、气温的变化、湿度、粉尘、电磁干扰等）作为我们的分析目标。工作环境是造成失效的重要外因，但它是客观存在的，难以控制的。我们要分析的是，在外因作用下的内因。
 
   造成一种失效模式的潜在的原因或机理有时是多种的。这时，我们要把它们一一分别列出。

   原因／机理的评估可以包括以下两个方面：
   ①与制造、装配无关的原因，亦即，当制造与装配符合技术规范的情况下，发生了失效。

   分析潜在失效原因／机理可以采用以下途径：
   1)现有的类似产品的FMA资料，

   2)应用失效链，找出直接原因，中间原因和最终原因，

   3)应用“五个为什么？”根据经验连问“五个为什么？”，一般都有可能找到根源原因。例如：门锁扣不上，为什么？锁舌与锁座错位。为什么？车门下沉。为什么？门铰链变位。为什么？固定门铰链的框架变形。为什么？框架刚度不足。

   ●应用因果图，从人、机、料、法、环等方面分析，

   ●应用排列图，相关分析，试验设计等方法，从可能的多因素原因中找出主要原因，

   ●应用失效树分析（FTA）找出复杂系统的失效原因与机理。

   ●充分发挥小组的经验，采用头脑风暴法，对可能的原因进行归纳分析。
 
   ②与制造／装配有关的原因。这里主要是指由于所拟定采用的制造／装配设计在技术上或操作者体力上的限制与难度，以及容易产生误操作而引起的潜在失效。也就是说是与产品设计中可制造性与装配性有关的问题。纯属制造与装配过程有关的问题，原则上可由PFMEA来进行。下面是一些典型的例子：

   ●零件正反面均可装入，左右相近的零件无明显标志引起误装配而造成失效，

   ●缺乏适宜的对中设计，使对中困难，容易对中错误，

   ●技术规范要求与现有的过程能力不协调，

   ●材料热处理规范使零件表面过硬，致机械加工困难，

   ●用手举起装配的零件过重，使操作者易疲劳，或难以正确安装，

   ●设计的加工装配、空间过小，使工具无法操作，

   ●接近性差，拆装，维修困难。

   ●加注液体的口，经常需要检查、调整、保养的部分难以接近，可视性差。

   ●产品设计对制造／装配的变差过于敏感。
 
    综上所述，在产品设计的FMEA中对制造／装配问题的考虑，可以归纳为：a.误操作，b.技术与体力的限制，c.对变差的敏感性。一个好的产品（或系统）设计，应考虑对制造中各种因素（或构成系统、总成的零件、元件）的变差的容忍必性，不敏感性，也就是提高产品设计的健壮性。
 
2.8 失效模式出现可能性大小的评估――频度（O）
   某种失效模式可能产生，也可能不产生，究竟产生的可能性有多大？对出现可能性大的，当然要格外引起重视，说明其风险大。在QS9000的DFMEA手册中，引入了从1－10的所谓的频度（O），英文Occurrence。表中的频度估计是跟随着原因／机理，相对于一个原因／机理，有一个频度。注意的是，这里讲的频度是指由于该原因／机理而产生的失效模式出现的可能性。
 
   下表是手册中推荐的频度数估计参考表
  
失效发生可能性 可能的失效率 频度数
  ≥1/2 10
很高：失效几乎是不可避免的 1/3 9
高：反复发生的失效 1/8 8
  1/20 7
中等：偶尔发生的失效
 		 1/80 6
1/400 5
1/2000 4
低：相对很少发生的失效 1/15000 3
1/150000 2
极低：失效不太可能发生 ≤1/1500000 1
 
   频度的估计可以参考以下资料：
   ●类似零件或子系统的维修资料；

   ●设计的零件与过去零件的差别；

   ●使用条件有否变化；

   ●有关新设计或修改设计的工程分析资料。
 
2.9 现行的设计控制
   对潜在的失效模式及其起因，重要的是采取预防措施。以防止这些失效模式成为事实。为此，我们要首先对目前已经用于相同或相似设计中的控制方法进行分析，评估这些方法的有效性及其风险。我们也可以把设计控制比喻成预防潜在失效变成现实或减少其出现可能性的防线。

   典型的设计控制有：工程计算、材料试验、设计评审、台架试验、可行性评审、各种设计验证方法，样件制造与试验、道路试验、车队试验，等等。

   我们可以把设计控制按优先采用的顺序，分成三种，或者形象地比喻为三道防线。
   优先采用的第一种方法，即第一道防线是：防止失效模式的原因／机理发生，或减少它出现的可能性。例如，通过工程分析，使零件具备充分的合理的强度、刚度、寿命等；通过材料试验与分析，使材料具有良好的耐腐蚀性；通过实体仿真，模拟制造和装配过程，观察分析是否存在可能的失效，等等。

   第二种方法，即第二道防线是：在只知失效模式，而对造成该失效模式的原因／机理不清的情况下，找出造成该失效模式的潜在原因／机理。例如，通过台架试验找出造成齿轮表面损坏的原因，找出发动机早期磨损的原因，等等；通过试验设计等方法找出各种因素变差对系统变差的影响，从而找出防止失效的优化方案等。

   第三种设计控制，即第三道防线是：在不清潜在的失效模式情况下，找出可能的失效模式。最典型的这类方法是汽车的整车道路试验。道路试验对于产品设计的最后验证是十分重要的，但由于其粗糙性与综合性，依靠它进行设计控制的风险是很大的。
综上所述，应优先采用第一种方法，其次是第二种方法，第三种方法只能做为最后一道防线。当然，没有任何设计控制，设计将具有很大盲目性，风险极大。

   从时间角度考虑，设计控制采取的越早越好。这将有利于失效的早期识别和预防，降低开发成本，缩短开发周期，降低风险。
需要加以强调的是，用于制造、装配过程的检验和试验不能视为设计控制。
 
2.10 设计控制方法有效性的评估――探测度（D）
   所谓探测度是指所采用的第2种设计控制方法能探测出潜在失效模式的原因／机理，或且，采用第3种设计控制方法探测出潜在的失效模式的有效性。D是英文Detection字首。

   探测度也是用1~10分来评估。下表列出QS9000FMEA手册中推荐的探测度打分表。
探测性 评价准则：由设计控制可探测的可能性 探测度
绝对不肯定 设计控制将不能和／或不可能找出潜在的原因／机理及后续的失效模式，或根本没有设计控制 10
很极少 设计控制只有很极少的机会能找出潜在原因／机理及后续的失效模式 9
极少 设计控制只有极少的机会能找出潜在原因／机理及后续的失效模式 8
很少 设计控制有很少的机会能找出潜在原因／机理及后续的失效模式 7
少 设计控制有较少的机会能找出潜在原因／机理及后续的失效模式 6
中等 设计控制有中等机会能找出潜在原因／机理及后续的失效模式 5
中上 设计控制有中上多的机会能找出潜在原因／机理及后续的失效模式 4
多 设计控制有较多的机会能找出潜在原因／机理及后续的失效模式 3
很多 设计控制有很多机会能够找出潜在原因／机理及后续的失效模式 2
几乎肯定 设计控制几乎肯定能够找出潜在原因／机理及后续的失效模式 1
 
   评估探测度时，首先确定现有的设计控制是否能用来检出失效模式的原因／机理。如果可以，它将可能减少失效模式出现的可能性，亦即将降低频度。如果现有的设计控制不能用来检出失效模式的原因，则应评价其检出失效模式的有效性，或且，根本没有设计控制。

   试验条件的正确选择，增加试验样品的数量，能提高设计控制方法的有效性。以下我们举两个例子。
   例一：拟采用试验台试验来找出失效模式的原因，试验条件与现有零件的试验条件相似，该试验对现有零件是有效的。而该零件与现有零件只有小修改。试验样品的数量为40。经小组分析，探测度为3。

   例二：某一零件的设计有明显的改变。采用的设计控制方法是：4辆汽车各装1个样件进行道路耐久性试验。经小组评估，探测度为6。
 
2.11 潜在失效的风险评估――风险顺序数
   失效模式的潜在后果严重度S，失效模式的可能频度O，设计控制方法对检出失效模式及其原因的探测度D,联合构成潜在失效模式对产品设计质量的风险。联合上述三个评估分数的常用方法是，将它们连乘，得到所谓的风险顺序数。当S＝10，O＝10，D＝10时，PRN＝1000；当S＝1，O＝1，D＝1时，RPN＝1。显然，RPN越大，意味着设计的风险越大，越需要采取措施。

   究竟RPN降到多少，该失效模式的风险是可以接受的？这要根据企业的经验来确定。例如，据资料介绍，有的企业将RPN 划成三个线：红线――RPN为125（相当于5＊5＊5），风险严重；黄线――RPN为64（相当于4＊4＊4），风险较大；绿线――RPN为27（相当于3＊3＊3），风险较小。可供参考。

   RPN值的大小， 也为我们确定了解决问题的优先顺序提供参考。当RPN相近的情况下，应优先注意S大的失效模式，以及S和O都较大的失效模式。S大的失效模式，哪怕出现的概率很小，一旦发生，后果就很严重，因此，始终要引起重视。
 
2.12 建议措施
   根据对失效模式风险评估结果，经过小组讨论，决定是否要采取措施，采取哪些措施。我们所指的措施是针对产品设计的措施。产品设计的FMEA中的措施不应包括在制造、装配过程的措施，更不能依赖过程检验的强化措施。采取措施的目标是降低潜在失效风险，即降低失效模式的严重度（S）、频度（O）和探测度（D）。

   降低严重度S，只有通过修改设计，使失效模式改变或不出现。例如：改变水箱支架结构的联接方式，大大降低支架的应力，使之断裂失效不会产生。

   降低频度O，也只有通过修改设计消除失效原因或减少其原因发生。如改进材料的规范，通过有限元分析改进结构，改进表面处理提高耐腐蚀性，等。

   要降低探测度D，应采取更有效的设计控制方法，由第三种控制方法改变为第二种控制方法，由第二、三种方法改变为第一种控制方法。如除道路试验外，增加台架试验，增加材料试验，采取试验设计方法找出各设计因素变差的影响与优化方案，增加试验的样本数和试验周期等等。
 
2.13 对被采用的措施的评价
   当建议措施被实施并验证后，小组将最终确定采取的设计措施(设计改进和新的控制措施)。然后对之进行新的风险评估，即估计采取新措施后的S、O和D，并计算RPN。如果风险评估结果仍末达到预期效果，小组将进入新的一轮建议措施的研究――验证――评估，一直到可接受为止。
 
2.14 跟踪
   建议措施的落实是十分重要的，任何建议措施都应有具体的负责人和规定的完成日期，小组和主管设计的人员要对此负责到底。DFMEA还应该是一种动态文件，它应体现最新的设计思想，包括投产后发现问题而采取的设计修改而进行新的FMEA。



  • 2019-08-14 09:58
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