基于第五版DFMEA 在产品开发中的管理实施及具体运用

周迎春 胡迪

株洲齿轮有限责任公司 湖南省株洲市 421000

1 引言

对于产品设计开发，往往由于缺乏整体、系统的开发观念，前期设计分析、工程分析没有有效开展，与实际生产作业无法连贯，造成许多在研发初期就应该做好预防的工作，却要等进入正式生产时才提出设计更改进行娇正，浪费时间和金钱。技术人员每天奔波于各种制造现场问题的解决。当公司业绩提升到一定阶段时，就没有办法进一步突破，经常开会，但不解决实际问题，每个人都很累。为了改变现状，以预防为主，建立系统化的思维过程，全面发现并评价一种产品或过程的潜在失效及其后果，找到可以消除或减少潜在失效发生机会的措施，使这种系统化的预防方法成为我们设计过程中的贯用思维，以明确必须做什么样的设计和过程才能满足顾客的要求。DFMEA 就是这样一种系统化的预防方法和分析技术。

2 DFMEA 概述

DFMEA 是由负责设计的工程师及多功能小组在产品设计阶段采用的一种分析技术，用以最大限度地保证各种潜在的失效模式及相关的起因、机理在产品设计时得到充分的考虑和说明。它不仅是IATF16949 标准条款“8.3.5.1 设计和开发输出——补充”中的强制要求，还是产品质量先期策划（APQP）第二阶段的输出中的要求。

新版第五版FMEA 较之旧版第四版有几个主要变化点。典型变化一：方法统一，新版“七步法”兼具原来的“五步法”和“表格法”，为汽车行业提供了一个共同的FMEA 基础；典型变化二：表格变化，表头、表格内容以及表格列数都有所拓展；典型变化三：评价规则变化，使用行动优先级AP代替旧版的风险顺序数RPN；典型变化四：失效分析，结合关注要素的上下层级结构，建立失效链，而不是单层的失效，使得分析思路更加清晰；典型变化五：建议措施要求，建议措施细分为“预防措施”和“探测措施”，增设对建议措施的“状态”跟踪栏；典型变化六：新增了FMEA-MSR。(图1)

图1

3 DFMEA 在产品开发中的管理实施

3.1 DFMEA 开发的时间安排

DFMEA 是一种“事发前”的行为，而不是“事发后”的行动，应在产品设计开发过程的早期阶段启动，及时性是成功实施DFMEA 方案最重要的因素之一。

根据项目开发APQP 不同阶段， DFMEA开发及评审的时间安排如表1 所示：

表1

3.2 DFMEA 开展/更新的时机

主要包括：新的零部件；更改的零部件；应用/环境有变化的零部件；在开发各阶段中，当设计有变化或得到其它信息时（应及时、不断修改，在产品图样、规范发放前结束）；改进设计或对设计重新评估时；当发生因设计失效导致的内、外部质量问题时，DFMEA要及时反映最新的产品更改级别和最新的相关实施措施，包括量产后。

3.3 DFMEA 的来源

主要包括：顾客要求；法律法规；APQP第二阶段输入和任何其它相应输入；小组经验；类似产品的DFMEA 和问题履历；设计变更；各个过程环节的质量问题；8D 报告；保修记录；顾客反馈、投诉、报怨、退货资料；纠正和预防措施等等。

3.4 DFMEA 的修订及评审

DFMEA 是一个动态、循环、不断改进的过程，应永远体现最新的设计水平及最新采取的纠正预防措施，包括量产后发生的设计更改和措施。

在APQP 开发各阶段及量产阶段，当发生更改或获得更多信息时，DFMEA 小组及相关负责的设计人员应及时对DFMEA 进行修订和评审；当没有更改或没有获得更多信息时，相关负责的设计人员也应定期对DFMEA进行评审，确认是否需要修订和更新。

DFMEA 修订更新的时机见2.2，但不仅限于2.2；更多的信息来源见2.3,但不仅限于2.3。

4 DFMEA 在产品开发中的具体运用

以某型号新能源减速机为例，具体阐明DFMEA 在产品开发中的运用，按七步法( 图2)：

图2

4.1 规划和准备（第1 步）

在策划和准备阶段的主要工作：确定项目将要执行的DFMEA 类型、定义每个DFMEA 类型中包含和不包含的内容、识别基准DFMEA、确定DFMEA 表头，并将DFMEA 活动纳入总体项目计划，步骤一“规划和准备”中收集的信息将为步骤二“结构分析”做准备。

确定项目将要执行的是系统DFMEA 如“X 型新能源减速机总成”，关注要素是新能源减速机总成，那么也就确定了关注要素所包含的分析内容和基准DFMEA。然后制定项目计划，明确计划目的、时间安排、团队成员、任务分工以及分析工具，将一些基本的DFMEA 范围的信息填入表头。

4.2 结构分析（第2 步）

设计结构分析的目的是将设计识别和分解为系统、子系统、组件和零件，以便进行技术风险分析。系统结构由系统要素组成，上一较高级别是分析范围内最高集成层级，关注要素是分析失效链的主题项目，下一较低级别或特性类型是处于关注要素下一低级别的要素。“结构分析”中定义的信息将被用于下一步“功能分析”，结构分析中缺少的设计要素，在功能分析中也会缺少。

第1 步已经确定了关注要素的主题项目是“X 型新能源减速机总成”，它的设计结构上一高层级是系统“动力总成”，下一低层级是由输入轴总成、中间轴总成、差速器总成、密封润滑系统、壳体组件和润滑油等要素构成。

4.3 功能分析（第3 步）

功能分析需要分析两种：功能和要求。

功能是描述系统要素的预期用途。功能分为主要功能和辅助功能。功能的描述需清晰准确，尽量使用专业术语，如果无法描述功能，那么可以用要求来描述。要求是设计、产品或过程需要满足的需求和期望。要求分为两类：功能性要求和非功能性要求，要求可以是法律要求、行业规范标准要求、顾客要求、公司要求和产品特性。

第2 步已经分析了结构要素，包括了关注要素和上、下层级要素，上一步定义下来的各结构要素功能或要求在第3 步里都应全面分析到。

上一高层级“动力总成”的功能是将电能转化成动能输出，并具有差速、反转功能。

关注要素“X 型新能源减速机总成”的主要功能是传递动力，实现降速增扭，输出具有差速功能、辅助功能是连接电机、半轴、左右悬置、附件安装点、电机定子等。

下一低层级：输入轴总成功能是接受动力，传递动力，连接电机，保证连接准确、可靠；中间轴总成功能是传递动力，保证运转平稳无异响；差速器总成功能是传递动力，实现输出端两边差速，保证运转平稳无异响，连接半轴，连接准确、可靠；壳体总成功能是支撑、密封、润滑，连接左悬置、后悬置、附件安装、电机定子安装、支撑输入轴总成、中间轴总成、差速器总成，连接准确等。

还有其它顾客提出并关注的非功能性的特殊要求(图3)。

图3

4.4 失效分析（第4 步）

设计失效分析的目的是识别失效起因、模式和影响，并显示它们之间的关系，以便能进行风险评估。失效由功能推导而来，非预期的功能都是失效，一个功能可能会有很多个失效，尽可能全部识别出来。确认分析关注要素功能的潜在失效影响、失效模式和失效起因，即建立了失效链。

失效影响可以是对内部或外部的下一级产品集成的影响，可以是对外部最终用户的影响，也可以是对法规适用性的影响，这些影响尽可能的全部识别出来，描述失效影响最好通俗易懂；失效模式是无法满足预期功能的方式，与功能有关，应该用技术术语来描述；失效起因是失效模式发生的原因，应尽可能识别出所有起因，以便针对具体起因采取措施。

第3 步已经分析各层级功能，可以大致理解为：上一层级功能达不到即为失效影响，关注要素功能达不到即为失效模式，下一层级功能达不到即为失效原因。

对上一高层级“动力总成”或最终用户的影响按严重程度分，有严重影响：不符合法律法规，客户或用户不满意，电能不能转化成动能输出，车辆无法正常行驶，漏油，无法连接等等；较严重影响有：异响，降低寿命，早期磨损，润滑不足，渗油，装配困难等等；一般影响有：外观、噪音、舒适性等等。

关注要素“X 型新能源减速机总成”的失效模式有：减速机总成卡死，无法输出扭矩；减速机总成早期磨损，输出扭矩功能降低；减速机总成无法输出扭矩，不能差速；减速机总成早期磨损，差速功能降低；总成开裂；总成漏油；接合面不密封；螺栓松动；早期磨损；润滑不足；NVH 阶次噪声超标；连接电机不可靠；连接半轴困难及其它外部连接不可靠；不符合环保要求或其它顾客要求等等。

关注要素减速机总成的失效与各个下一低层级的失效有关，下一低层级的失效是减速机总成失效的原因。

输入轴总成、中间轴总成和或差速器总成断裂、开裂、齿部弯曲折断、齿部疲劳断裂、花键弯曲断裂、花键疲劳断裂、轴承断裂、烧死、平垫圈和球形垫圈开裂、安装螺栓脱落等都会导致减速机总成卡死，无法输出扭矩，不能差速；齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形、花键早期磨损、花键配合松动、轴承滚道磨损、滚珠点蚀、平垫与差壳胶合、球垫与差壳胶合等都会导致减速机总成早期磨损，输出扭矩和差速功能降低；齿轮宏观参数和微观修形不当会导致总成NVH 阶次噪声超标；输入轴内孔相对电机内径不同轴或配合处轴径早期磨损会导致总成与电机连接不可靠，半轴齿轮花键配合间隙太小、左右半轴孔径配合间隙太小都会导致与外部半轴连接困难。

壳体总成开裂导致减速机总成失去支撑，动力中断；壳体结合面不密封、螺栓松动导致减速机总成渗油；油堵、透气帽、油封处不密封，导致减速机总成漏油；壳体油道设计不合理、润滑油杂质多导致减速机总成润滑不足，早期磨损；接口尺寸设计不合理导致外部连接不准确等等。

还有其它不满足顾客特殊要求的失效。失效分析越全越多越好，缺失的失效将不会得到控制措施。局部内容如图4所示：

图4

4.5 风险分析（第5 步）

设计风险分析的目的是通过评估严重度、频度和探测度来估计风险，并对需要采取的措施进行优先排序。

现行设计控制是针对以前类似的设计建立的，其效果已得到证实。预防型控制和探测型控制是现有的验证和确认方法库的一部分。预防控制提供信息和指导，作为设计的输入使用，预防措施是用在设计之前的。探测控制则描述了已建立的验证和确认程序，这些程序已被证明在出现失效时，能探测到失效，探测措施是用在样品出来后，并在项目交付生产前完成。对于那些必要的但不属于当前已确定的预防和探测方法，应作为改进措施写入DFMEA。

第4 步已经全面分析了失效链，现针对这些失效起因分配预防控制、针对失效起因和/或失效模式分配探测控制，评估后评级。

现行的预防控制有：参考国家标准、参考设计手册、参照公司标准、参考成熟设计、设计计算、设计校核、设计评审、对标分析、CAE分析（齿轮强度分析、齿轮承载能力分析、花键校核分析、轴承承载能力分析、TE 分析、差速器性能分析、润滑分析）等。

现行的探测控制有：设计仿真、疲劳寿命试验、静扭试验、道路试验、总成台架试验、总成耐久试验、NVH 测试、气密封试验、水密封试验、动态密封试验、试装配、理化检测分析、机械性能测试、硬度测试、仪器检测、量具检测等等（图5）。

图5

4.6 优化（第6 步）

设计优化的目的是确定减轻风险的改进措施以及评估这些措施的有效性。确认了必要措施，还需为措施的实施分配职责和任务期限，措施实施完成后，确认措施是否有效，重新评估风险等级。通过评估措施优先级，有6 项需采取进一步改进措施。局部示例如下( 表2)：

表2

4.7 结果文件化（第7 步）

结果文件化是为了总结和交流，总结经验、交流结果，这部分内容可不记录在DFMEA 表中，而是形成另外的文件或知识库。DFMEA 活动后，可以形成文件的内容有：失效链分析内容可形成经验教训，建立失效库；风险评估内容可形成现行措施积累，建立设计控制措施库；风险评估结果措施优先级可形成设计特殊特性清单；优化措施可以丰富扩展原有的设计控制措施库；现行措施、改进措施还可形成DVP 验证计划等等。

本实例应用仍需依据2 DFMEA 在产品开发中的管理要求开展、执行、评审和更新。

5 总结

DFMEA 活动和方法可影响整个产品实现过程，它是设计开发的一部分。如果它的模式明确、影响真实、起因合理、措施有效并且足够完整，它就能发挥很大的作用，成为产品设计、特殊特性清单、DVP验证计划、样件控制计划、PFMEA 等等的有效输入。DFMEA 1-6 的步骤都很清晰明确的体现在DFMEA 表中，里面填写的内容有很强的主观性，但无非就是保证：横向逻辑合理；纵向列举全面，核心还是我们对产品的专业理解、经验积累和改进创新。需要注意的是，DFMEA 只能早期识别风险、识别问题、提出问题，但并不能解决问题。解决问题还得采取后续行动，结合其它工具和手段，如DOE、QFD、DVP 验证计划等。