FMEA在车门设计中的应用

陈锋

摘要：失效模式影响分析（FMEA）能够提高产品设计可靠性，缩短设计周期，降低产品研制成本。本文阐述了如何将FMEA应用到汽车车门设计项目中，构建一套操作性、实用性强的开发风险管理工作流程，使车门的设计过程中能够实现设计要求与设计方案的相互权衡，来应对车门设计项目中的技术风险。

关键词：FMEA 失效模式分析 车门设计 可靠性

1 概述

失效模式影响分析（以下都简称FMEA）是一种新型的系统分析技术，是保证产品设计可靠性的重要分析方法之一，用以评估项目中潜在问题的发生机率，以及发生后造成的影响，并按每一个故障模式的严重程度、检测难易程度以及发生频度予以分类、归纳分析，来鉴别设计上的薄弱环节，以便采取适当的纠正措施，消除或者减轻其影响。FMEA的核心思想是风险分析和控制。

FMEA最早是在美国军用系统的研制过程中进行可靠性分析，取得良好效果，于是逐渐推广到民用工业领域，尤其是在汽车行业获得广泛认同。本文就针对汽车车门的设计过程，阐述FMEA在其中的应用。

车门是汽车的重要组成部分，既承担进出汽车的功能，又是汽车外观最富有变化和最引人注目的部分之一。在设计过程中，车门作为车身结构中的重要组成部分，其强度、刚度、可靠性、工艺性及造型风格等必需满足车身整体性能的要求，同时车门结构自身的安全性、密封性、视野等性能，对整个汽车的性能影响较大，也是设计必须考虑的重要内容。

车门的一般设计流程如下图一所示，设计的输入指设计任务书、车身表面三维数据模型以及二维线图、设计法规等；输出一般是确定需要建立的三维模型和图纸等。在实际设计过程中，往往需要在各步骤之间循环往复，不断交叉进行，多方面考虑以保证最终设计的合理性。而FMEA的引入可以使这个过程更科学更可靠。

2 如何在车门设计中引入FMEA

2.1 车门设计中FMEA的作用机制

FMEA是一门以预防为主的系统技术，其核心理念是在问题发生前就找出来并解决掉。由于汽车制造行业的倾向是要尽可能持续地改进产品和过程的质量，所以将FMEA作为专门的技术应用以识别并帮助最大程度地减少车门设计中潜在的隐患是可行而且非常重要的。对车辆召回数据的研究结果表明，那些在设计阶段使用FMEA的项目，事后召回的几率大大低于未使用的。使用FMEA技术能提升设计的可靠性，已经成为工业界的共识。

车门设计中引入FMEA的过程，涵盖设计的所有领域，包括结构的设计、附件的设计、材料的选择、制造的工艺性、使用的可靠性、维护的便利性等，都在FMEA考虑的范围，另外还必须和后续的生产过程管控衔接，使设计FMEA和过程FMEA有机结合，成为促进团队合作、提升不同职能部门沟通效率的一种催化剂。

2.2 车门设计中FMEA的适用时机

车门设计中成功实施FMEA项目的最重要因素之一就是实施的及时性。FMEA必须是一种事前行为，而不是一种事后分析。为实现最大价值，FMEA必须在车门设计的早期阶段开始，必须将故障模式的识别和分析纳入车门制造之前进行，事先花时间很好地完成FMEA的分析，才能够更方便、低成本地对车门的设计进行改善，从而最大程度地降低后期更改的危机。

具体而言，车门的设计工程师应该在车门进行品质规划（APQP）的构想阶段（即所谓第一阶段），先将客户的期望转换成可靠度，再从车门设计与开发验证阶段（即第二阶段）组织实施FMEA。FMEA的输出，即各类分析文件表单，最早应在车门设计概念完成之前就开始实施，然后随着设计过程的推进，不断完善和修正。尤其是在车门的设计方案初步确定、对现有的设计方案进行设计变更以及当获得新增信息时，FMEA通常都需要再次实施。

2.3 车门设计中引入FMEA活动的实施步骤

开展FMEA分析是一个重要的活动，工作内容涉及到跨部门和多学科，为了确保车门设计过程中FMEA分析结果的充分性和有效性，分析步骤如图二所示。

车门设计FMEA活动最终的输出应该要编制一份实用性和有效性较高的FMEA分析报告，必须要明确产品的设计要求、产品的功能、使用环境及结构特点，还应搜集以往类似产品的设计经验和实际失效状况。FMEA的输出应该是一份标准化的报告，但在以后的运行过程中，可以不断地修正和完善。

3 车门设计中FMEA的具体实施过程

一个完善的FMEA分析过程，通常包括如图三所示的流程，下面就选取其中的几个重要步骤，探讨在车门设计中运用FMEA的具体做法。

3.1 对车门设计对象进行分析

FMEA的第一步就是分析设计对象。要做好车门的设计，首先需要对车门的功能要求进行分析，车门作为汽车的一个重要模块，必须满足顾客多方面的要求。包括使用方便性、安全性、密封性、动作可靠性、视野性、制造工艺性和维修性，以及外观设计上要具备良好的视觉效果。这都是车门的基本要求。

3.2 鉴别车门失效模式

根据FMEA 的基本原理及方法要求，进行车门失效模式分析，首先列出车门系统所有零部件的全部故障模式和产生原因，明确重要的故障模式；然后根据系统可靠性的逻辑关系，用归纳推理的方法分析车门各种故障模式对其各功能级别造成的影响和后果；再判定出各种故障模式对汽车功能造成的失效效应的严重等级；最后提供发生故障以后的建议补偿措施。整个过程以一张FMEA分析表作为输出。

3.3 评价车门设计潜在失效的后果

潜在失效的后果就是失效模式对功能的影响。车门的潜在失效后果可能有：行驶中的噪音、车门不密闭导致的漏水现象、油漆不佳导致外观不良、车门变形导致开关不畅、门锁故障导致安全性能降低等等。在进行后果分析时要根据内、外部顾客可能发现或经历的情况来描述失效的后果；要清楚地说明该失效模式是否会影响到安全性或与法规不符。另外要记住不同级别的系统、子系统和零件之间存在着系统层次上的关系。例如：一个门边卡锁零件的断裂可能引起车门总成件的振动，导致整车运行不稳，性能下降引起顾客不满。endprint

严重度是一个量化的指标，是以数值方式对一个失效模式的影响程度进行分级。针对汽车制造行业，FMEA系统有个标准的严重度评价准则，在FMEA的相关国际标准资料中都能查询到，它将严重度从低到高分为10级，后果最轻微为1级，后果最严重为10级。在车门设计中，研究车门失效模式带来的后果严重度时，也采用这个评价准则。

3.4 研究车门设计潜在失效的原因

潜在失效起因或机理，指的是引起潜在失效的一个设计缺陷，也就是引起失效的直接原因。在车门设计中，例如不合理的公差配合、选用的材料有问题、设计寿命估计不足、流程规范存在错误、环境影响考虑欠缺、维护保养说明错误等。设计失误对潜在失效模式的影响，使用频度指标进行评价。频度是指设计缺陷导致的某一特定功能失效发生的可能性。频度和严重度指标一样，也是一个量化的级别数。描述频度级别数重在含义，而不是具体的数值。在汽车制造行业的FMEA系统中，也有标准的频度级别评价准则。在汽车车门设计FMEA项目中，可以参照频度级别评价准则确定频度值。

探测度指标反映的是潜在失效模式被预先发现的可能性，也就是说，是用设计控制方法事先探测出失效模式的能力的评价指标。最初的探测度通常比较高。通过不断改进的设计控制，可取得较低的探测度级别。探测度指标和严重度、频度一样，也是一个分10级的等级指标，探测度等级越高，潜在失效模式越不容易预先找出来。在车门FMEA项目中，同样可以参考汽车行业相应的探测度评价标准。

3.5 确定风险系数RPN

风险系数RPN是FMEA分析的一个重要参数，其定义为潜在失效模式分析中严重度（S）、频度（O）和探测度（D）三者的乘积。即：RPN=S*P*D。这是一个描述对产品设计风险性的度量指标。风险系数越大，表明该项设计越不好。对列表中较高的RPN，应给予优先重视，采取对策措施，以降低RPN值。尤其对严重度（S）级别高者，须特别注意。GM规定：作为一个总体原则，RPNs应<40。

3.6 针对各失效模式进行车门设计改善

在建议措施中，高RPN值、高严重度的项目视为首要改善项目。纠正措施的目的就是要降低各项目严重度、频度、探测度级别。可以采取的改善措施包括：修改设计几何尺寸或公差、修改材料规范、变更加工工艺、修正试验设计等。要降低严重度级别，修改设计是唯一途径。当确定了纠正预防措施后，估算并记录措施执行之后的严重度、频度和探测度数值，并重新计算RPN值，只要措施正确，车门设计中的几项潜在失效模式，风险系数很快降到40以下，满足设计的可靠性要求。

4 总结

从前面的分析可以看出，在车门设计中引入FMEA，对设计过程带来很多帮助。其预期的效益主要包括三个方面：首先，引入FMEA，对车门设计过程可以带来很多有益的帮助，尤其是在评价功能要求和设计方案的效果方面，包括对车门制造、装配、维护要求所作的最初设计，FMEA可以全方位地进行评价，使设计过程少走弯路，提高设计的效率；其次，FMEA的实施，能够更清晰了解顾客对车门的功能需求，为全面有效的设计、开发和项目的策划，提供更多的信息，FMEA能够根据潜在失效模式对顾客的影响，对其进行排序列表，进而建立一套改进设计和开发试验的优先控制系统；最后，FMEA的实施能够提高未来车辆使用过程中车门的可靠性，将发生问题的几率降到最低，从而间接保证整车的优越性能。

参考文献：

[1]边红生.汽车生产企业如何构建DFMEA平台[J].汽车实用技术，2010（01）：80.

[2]苏羽平.潜在失效模式及后果分析在汽车零部件关键工序中的应用[J].机械工人，2006（02）：57.

[3]赵开敏，董晓瑞等.FMEA在汽车产品开发中的应用研究[J].研究与开发.2011（5）：69.

[4]白晓丽.FMEA在汽车产品全生命周期风险管理中的应用[J].现代工业经济和信息化.2012（1）：34.endprint