周迎春 胡迪

株洲齒輪有限責(zé)任公司 湖南省株洲市 421000

1 引言

對于產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)，往往由于缺乏整體、系統(tǒng)的開發(fā)觀念，前期設(shè)計分析、工程分析沒有有效開展，與實際生產(chǎn)作業(yè)無法連貫，造成許多在研發(fā)初期就應(yīng)該做好預(yù)防的工作，卻要等進入正式生產(chǎn)時才提出設(shè)計更改進行嬌正，浪費時間和金錢。技術(shù)人員每天奔波于各種制造現(xiàn)場問題的解決。當(dāng)公司業(yè)績提升到一定階段時，就沒有辦法進一步突破，經(jīng)常開會，但不解決實際問題，每個人都很累。為了改變現(xiàn)狀，以預(yù)防為主，建立系統(tǒng)化的思維過程，全面發(fā)現(xiàn)并評價一種產(chǎn)品或過程的潛在失效及其后果，找到可以消除或減少潛在失效發(fā)生機會的措施，使這種系統(tǒng)化的預(yù)防方法成為我們設(shè)計過程中的貫用思維，以明確必須做什么樣的設(shè)計和過程才能滿足顧客的要求。DFMEA 就是這樣一種系統(tǒng)化的預(yù)防方法和分析技術(shù)。

2 DFMEA 概述

DFMEA 是由負責(zé)設(shè)計的工程師及多功能小組在產(chǎn)品設(shè)計階段采用的一種分析技術(shù)，用以最大限度地保證各種潛在的失效模式及相關(guān)的起因、機理在產(chǎn)品設(shè)計時得到充分的考慮和說明。它不僅是IATF16949 標準條款“8.3.5.1 設(shè)計和開發(fā)輸出——補充”中的強制要求，還是產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃（APQP）第二階段的輸出中的要求。

新版第五版FMEA 較之舊版第四版有幾個主要變化點。典型變化一：方法統(tǒng)一，新版“七步法”兼具原來的“五步法”和“表格法”，為汽車行業(yè)提供了一個共同的FMEA 基礎(chǔ)；典型變化二：表格變化，表頭、表格內(nèi)容以及表格列數(shù)都有所拓展；典型變化三：評價規(guī)則變化，使用行動優(yōu)先級AP代替舊版的風(fēng)險順序數(shù)RPN；典型變化四：失效分析，結(jié)合關(guān)注要素的上下層級結(jié)構(gòu)，建立失效鏈，而不是單層的失效，使得分析思路更加清晰；典型變化五：建議措施要求，建議措施細分為“預(yù)防措施”和“探測措施”，增設(shè)對建議措施的“狀態(tài)”跟蹤欄；典型變化六：新增了FMEA-MSR。(圖1)

圖1

3 DFMEA 在產(chǎn)品開發(fā)中的管理實施

3.1 DFMEA 開發(fā)的時間安排

DFMEA 是一種“事發(fā)前”的行為，而不是“事發(fā)后”的行動，應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程的早期階段啟動，及時性是成功實施DFMEA 方案最重要的因素之一。

根據(jù)項目開發(fā)APQP 不同階段， DFMEA開發(fā)及評審的時間安排如表1 所示：

表1

3.2 DFMEA 開展/更新的時機

主要包括：新的零部件；更改的零部件；應(yīng)用/環(huán)境有變化的零部件；在開發(fā)各階段中，當(dāng)設(shè)計有變化或得到其它信息時（應(yīng)及時、不斷修改，在產(chǎn)品圖樣、規(guī)范發(fā)放前結(jié)束）；改進設(shè)計或?qū)υO(shè)計重新評估時；當(dāng)發(fā)生因設(shè)計失效導(dǎo)致的內(nèi)、外部質(zhì)量問題時，DFMEA要及時反映最新的產(chǎn)品更改級別和最新的相關(guān)實施措施，包括量產(chǎn)后。

3.3 DFMEA 的來源

主要包括：顧客要求；法律法規(guī)；APQP第二階段輸入和任何其它相應(yīng)輸入；小組經(jīng)驗；類似產(chǎn)品的DFMEA 和問題履歷；設(shè)計變更；各個過程環(huán)節(jié)的質(zhì)量問題；8D 報告；保修記錄；顧客反饋、投訴、報怨、退貨資料；糾正和預(yù)防措施等等。

3.4 DFMEA 的修訂及評審

DFMEA 是一個動態(tài)、循環(huán)、不斷改進的過程，應(yīng)永遠體現(xiàn)最新的設(shè)計水平及最新采取的糾正預(yù)防措施，包括量產(chǎn)后發(fā)生的設(shè)計更改和措施。

在APQP 開發(fā)各階段及量產(chǎn)階段，當(dāng)發(fā)生更改或獲得更多信息時，DFMEA 小組及相關(guān)負責(zé)的設(shè)計人員應(yīng)及時對DFMEA 進行修訂和評審；當(dāng)沒有更改或沒有獲得更多信息時，相關(guān)負責(zé)的設(shè)計人員也應(yīng)定期對DFMEA進行評審，確認是否需要修訂和更新。

DFMEA 修訂更新的時機見2.2，但不僅限于2.2；更多的信息來源見2.3,但不僅限于2.3。

4 DFMEA 在產(chǎn)品開發(fā)中的具體運用

以某型號新能源減速機為例，具體闡明DFMEA 在產(chǎn)品開發(fā)中的運用，按七步法( 圖2)：

圖2

4.1 規(guī)劃和準備（第1 步）

在策劃和準備階段的主要工作：確定項目將要執(zhí)行的DFMEA 類型、定義每個DFMEA 類型中包含和不包含的內(nèi)容、識別基準DFMEA、確定DFMEA 表頭，并將DFMEA 活動納入總體項目計劃，步驟一“規(guī)劃和準備”中收集的信息將為步驟二“結(jié)構(gòu)分析”做準備。

確定項目將要執(zhí)行的是系統(tǒng)DFMEA 如“X 型新能源減速機總成”，關(guān)注要素是新能源減速機總成，那么也就確定了關(guān)注要素所包含的分析內(nèi)容和基準DFMEA。然后制定項目計劃，明確計劃目的、時間安排、團隊成員、任務(wù)分工以及分析工具，將一些基本的DFMEA 范圍的信息填入表頭。

4.2 結(jié)構(gòu)分析（第2 步）

設(shè)計結(jié)構(gòu)分析的目的是將設(shè)計識別和分解為系統(tǒng)、子系統(tǒng)、組件和零件，以便進行技術(shù)風(fēng)險分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)要素組成，上一較高級別是分析范圍內(nèi)最高集成層級，關(guān)注要素是分析失效鏈的主題項目，下一較低級別或特性類型是處于關(guān)注要素下一低級別的要素?！敖Y(jié)構(gòu)分析”中定義的信息將被用于下一步“功能分析”，結(jié)構(gòu)分析中缺少的設(shè)計要素，在功能分析中也會缺少。

第1 步已經(jīng)確定了關(guān)注要素的主題項目是“X 型新能源減速機總成”，它的設(shè)計結(jié)構(gòu)上一高層級是系統(tǒng)“動力總成”，下一低層級是由輸入軸總成、中間軸總成、差速器總成、密封潤滑系統(tǒng)、殼體組件和潤滑油等要素構(gòu)成。

4.3 功能分析（第3 步）

功能分析需要分析兩種：功能和要求。

功能是描述系統(tǒng)要素的預(yù)期用途。功能分為主要功能和輔助功能。功能的描述需清晰準確，盡量使用專業(yè)術(shù)語，如果無法描述功能，那么可以用要求來描述。要求是設(shè)計、產(chǎn)品或過程需要滿足的需求和期望。要求分為兩類：功能性要求和非功能性要求，要求可以是法律要求、行業(yè)規(guī)范標準要求、顧客要求、公司要求和產(chǎn)品特性。

第2 步已經(jīng)分析了結(jié)構(gòu)要素，包括了關(guān)注要素和上、下層級要素，上一步定義下來的各結(jié)構(gòu)要素功能或要求在第3 步里都應(yīng)全面分析到。

上一高層級“動力總成”的功能是將電能轉(zhuǎn)化成動能輸出，并具有差速、反轉(zhuǎn)功能。

關(guān)注要素“X 型新能源減速機總成”的主要功能是傳遞動力，實現(xiàn)降速增扭，輸出具有差速功能、輔助功能是連接電機、半軸、左右懸置、附件安裝點、電機定子等。

下一低層級：輸入軸總成功能是接受動力，傳遞動力，連接電機，保證連接準確、可靠；中間軸總成功能是傳遞動力，保證運轉(zhuǎn)平穩(wěn)無異響；差速器總成功能是傳遞動力，實現(xiàn)輸出端兩邊差速，保證運轉(zhuǎn)平穩(wěn)無異響，連接半軸，連接準確、可靠；殼體總成功能是支撐、密封、潤滑，連接左懸置、后懸置、附件安裝、電機定子安裝、支撐輸入軸總成、中間軸總成、差速器總成，連接準確等。

還有其它顧客提出并關(guān)注的非功能性的特殊要求(圖3)。

圖3

4.4 失效分析（第4 步）

設(shè)計失效分析的目的是識別失效起因、模式和影響，并顯示它們之間的關(guān)系，以便能進行風(fēng)險評估。失效由功能推導(dǎo)而來，非預(yù)期的功能都是失效，一個功能可能會有很多個失效，盡可能全部識別出來。確認分析關(guān)注要素功能的潛在失效影響、失效模式和失效起因，即建立了失效鏈。

失效影響可以是對內(nèi)部或外部的下一級產(chǎn)品集成的影響，可以是對外部最終用戶的影響，也可以是對法規(guī)適用性的影響，這些影響盡可能的全部識別出來，描述失效影響最好通俗易懂；失效模式是無法滿足預(yù)期功能的方式，與功能有關(guān)，應(yīng)該用技術(shù)術(shù)語來描述；失效起因是失效模式發(fā)生的原因，應(yīng)盡可能識別出所有起因，以便針對具體起因采取措施。

第3 步已經(jīng)分析各層級功能，可以大致理解為：上一層級功能達不到即為失效影響，關(guān)注要素功能達不到即為失效模式，下一層級功能達不到即為失效原因。

對上一高層級“動力總成”或最終用戶的影響按嚴重程度分，有嚴重影響：不符合法律法規(guī)，客戶或用戶不滿意，電能不能轉(zhuǎn)化成動能輸出，車輛無法正常行駛，漏油，無法連接等等；較嚴重影響有：異響，降低壽命，早期磨損，潤滑不足，滲油，裝配困難等等；一般影響有：外觀、噪音、舒適性等等。

關(guān)注要素“X 型新能源減速機總成”的失效模式有：減速機總成卡死，無法輸出扭矩；減速機總成早期磨損，輸出扭矩功能降低；減速機總成無法輸出扭矩，不能差速；減速機總成早期磨損，差速功能降低；總成開裂；總成漏油；接合面不密封；螺栓松動；早期磨損；潤滑不足；NVH 階次噪聲超標；連接電機不可靠；連接半軸困難及其它外部連接不可靠；不符合環(huán)保要求或其它顧客要求等等。

關(guān)注要素減速機總成的失效與各個下一低層級的失效有關(guān)，下一低層級的失效是減速機總成失效的原因。

輸入軸總成、中間軸總成和或差速器總成斷裂、開裂、齒部彎曲折斷、齒部疲勞斷裂、花鍵彎曲斷裂、花鍵疲勞斷裂、軸承斷裂、燒死、平墊圈和球形墊圈開裂、安裝螺栓脫落等都會導(dǎo)致減速機總成卡死，無法輸出扭矩，不能差速；齒面點蝕、齒面膠合、齒面塑性變形、花鍵早期磨損、花鍵配合松動、軸承滾道磨損、滾珠點蝕、平墊與差殼膠合、球墊與差殼膠合等都會導(dǎo)致減速機總成早期磨損，輸出扭矩和差速功能降低；齒輪宏觀參數(shù)和微觀修形不當(dāng)會導(dǎo)致總成NVH 階次噪聲超標；輸入軸內(nèi)孔相對電機內(nèi)徑不同軸或配合處軸徑早期磨損會導(dǎo)致總成與電機連接不可靠，半軸齒輪花鍵配合間隙太小、左右半軸孔徑配合間隙太小都會導(dǎo)致與外部半軸連接困難。

殼體總成開裂導(dǎo)致減速機總成失去支撐，動力中斷；殼體結(jié)合面不密封、螺栓松動導(dǎo)致減速機總成滲油；油堵、透氣帽、油封處不密封，導(dǎo)致減速機總成漏油；殼體油道設(shè)計不合理、潤滑油雜質(zhì)多導(dǎo)致減速機總成潤滑不足，早期磨損；接口尺寸設(shè)計不合理導(dǎo)致外部連接不準確等等。

還有其它不滿足顧客特殊要求的失效。失效分析越全越多越好，缺失的失效將不會得到控制措施。局部內(nèi)容如圖4所示：

圖4

4.5 風(fēng)險分析（第5 步）

設(shè)計風(fēng)險分析的目的是通過評估嚴重度、頻度和探測度來估計風(fēng)險，并對需要采取的措施進行優(yōu)先排序。

現(xiàn)行設(shè)計控制是針對以前類似的設(shè)計建立的，其效果已得到證實。預(yù)防型控制和探測型控制是現(xiàn)有的驗證和確認方法庫的一部分。預(yù)防控制提供信息和指導(dǎo)，作為設(shè)計的輸入使用，預(yù)防措施是用在設(shè)計之前的。探測控制則描述了已建立的驗證和確認程序，這些程序已被證明在出現(xiàn)失效時，能探測到失效，探測措施是用在樣品出來后，并在項目交付生產(chǎn)前完成。對于那些必要的但不屬于當(dāng)前已確定的預(yù)防和探測方法，應(yīng)作為改進措施寫入DFMEA。

第4 步已經(jīng)全面分析了失效鏈，現(xiàn)針對這些失效起因分配預(yù)防控制、針對失效起因和/或失效模式分配探測控制，評估后評級。

現(xiàn)行的預(yù)防控制有：參考國家標準、參考設(shè)計手冊、參照公司標準、參考成熟設(shè)計、設(shè)計計算、設(shè)計校核、設(shè)計評審、對標分析、CAE分析（齒輪強度分析、齒輪承載能力分析、花鍵校核分析、軸承承載能力分析、TE 分析、差速器性能分析、潤滑分析）等。

現(xiàn)行的探測控制有：設(shè)計仿真、疲勞壽命試驗、靜扭試驗、道路試驗、總成臺架試驗、總成耐久試驗、NVH 測試、氣密封試驗、水密封試驗、動態(tài)密封試驗、試裝配、理化檢測分析、機械性能測試、硬度測試、儀器檢測、量具檢測等等（圖5）。

圖5

4.6 優(yōu)化（第6 步）

設(shè)計優(yōu)化的目的是確定減輕風(fēng)險的改進措施以及評估這些措施的有效性。確認了必要措施，還需為措施的實施分配職責(zé)和任務(wù)期限，措施實施完成后，確認措施是否有效，重新評估風(fēng)險等級。通過評估措施優(yōu)先級，有6 項需采取進一步改進措施。局部示例如下( 表2)：

表2

4.7 結(jié)果文件化（第7 步）

結(jié)果文件化是為了總結(jié)和交流，總結(jié)經(jīng)驗、交流結(jié)果，這部分內(nèi)容可不記錄在DFMEA 表中，而是形成另外的文件或知識庫。DFMEA 活動后，可以形成文件的內(nèi)容有：失效鏈分析內(nèi)容可形成經(jīng)驗教訓(xùn)，建立失效庫；風(fēng)險評估內(nèi)容可形成現(xiàn)行措施積累，建立設(shè)計控制措施庫；風(fēng)險評估結(jié)果措施優(yōu)先級可形成設(shè)計特殊特性清單；優(yōu)化措施可以豐富擴展原有的設(shè)計控制措施庫；現(xiàn)行措施、改進措施還可形成DVP 驗證計劃等等。

本實例應(yīng)用仍需依據(jù)2 DFMEA 在產(chǎn)品開發(fā)中的管理要求開展、執(zhí)行、評審和更新。

5 總結(jié)

DFMEA 活動和方法可影響整個產(chǎn)品實現(xiàn)過程，它是設(shè)計開發(fā)的一部分。如果它的模式明確、影響真實、起因合理、措施有效并且足夠完整，它就能發(fā)揮很大的作用，成為產(chǎn)品設(shè)計、特殊特性清單、DVP驗證計劃、樣件控制計劃、PFMEA 等等的有效輸入。DFMEA 1-6 的步驟都很清晰明確的體現(xiàn)在DFMEA 表中，里面填寫的內(nèi)容有很強的主觀性，但無非就是保證：橫向邏輯合理；縱向列舉全面，核心還是我們對產(chǎn)品的專業(yè)理解、經(jīng)驗積累和改進創(chuàng)新。需要注意的是，DFMEA 只能早期識別風(fēng)險、識別問題、提出問題，但并不能解決問題。解決問題還得采取后續(xù)行動，結(jié)合其它工具和手段，如DOE、QFD、DVP 驗證計劃等。