DFMEA在制動(dòng)真空管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

谷婷婷，許 良，謝敏松，張東東，涂文兵

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201；2.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093；3.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013）

DFMEA在制動(dòng)真空管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

谷婷婷1，許 良1，謝敏松1，張東東2，涂文兵3

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201；2.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093；3.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013）

設(shè)計(jì)失效模式和影響分析（DFMEA）是產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中用以提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效工具。將DFMEA應(yīng)用于制動(dòng)真空管的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，建立了系統(tǒng)框圖，得到了項(xiàng)目-功能關(guān)系矩陣，進(jìn)而對(duì)影響制動(dòng)真空管功能的接口進(jìn)行失效模式分析以及風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)評(píng)估，并提供了設(shè)計(jì)分析方法和預(yù)防措施。對(duì)制動(dòng)真空管的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行分析，表明應(yīng)用DFMEA方法可以有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)失效模式和影響分析；制動(dòng)真空管；風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)

設(shè)計(jì)潛在失效模式和影響分析（design failure mode and effect analysis，DFMEA）是提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量的有效工具，可以最大限度地保證產(chǎn)品的各種潛在失效模式及失效原因得到充分考慮和說明，從而減少失效發(fā)生的可能性，增加產(chǎn)品和生產(chǎn)過程的可靠性。DFMEA起源于美國(guó)，最早應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域［1］。從20世紀(jì)60—70年代開始，該方法逐漸滲透到機(jī)械、汽車等工業(yè)領(lǐng)域，取得了顯著效果。美國(guó)三大汽車公司針對(duì)汽車工業(yè)使用的所有零部件，制定了一套“潛在故障模式及影響分析手冊(cè)”，確立了DFMEA在美國(guó)汽車工業(yè)的必要性，該手冊(cè)2008年已發(fā)行第4版［2］。

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，DFMEA方法逐漸在國(guó)內(nèi)被推廣，研究?jī)?nèi)容多集中在DFMEA方法及其應(yīng)用研究［3-5］。2012年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn)GB/T 7826—2012，規(guī)定了失效模式和影響分析（FEMA）程序［6］。但在我國(guó)汽車制造業(yè)中，僅有上汽大眾、一汽大眾、上汽通用、長(zhǎng)安福特、東風(fēng)汽車等企業(yè)對(duì)部分自主產(chǎn)品開展了DFMEA［4］。此外，考慮到實(shí)施DFMEA的成本問題，多數(shù)企業(yè)并未有效全面地實(shí)施DFMEA；因此，研究DFMEA方法在具體項(xiàng)目中的應(yīng)用具有較大的工程意義。

整車管路布置是整車開發(fā)過程中的關(guān)鍵問題之一。制動(dòng)真空管則是一種典型管路零部件，與周邊的發(fā)動(dòng)機(jī)、線束、冷卻水管、前圍板、真空助力器等相關(guān)聯(lián)，且隨發(fā)動(dòng)機(jī)和真空泵振動(dòng)，工作環(huán)境惡劣；因此，如何確保制動(dòng)真空管安全的運(yùn)動(dòng)間隙，保證在車輛行駛過程中，不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉、損壞以及制動(dòng)失效問題，是提高制動(dòng)真空管設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要內(nèi)容。本文以制動(dòng)真空管的設(shè)計(jì)為例，采用DFMEA方法對(duì)制動(dòng)真空管的主要失效模式進(jìn)行了分析，提供了常見的設(shè)計(jì)預(yù)防方法，并給出了相關(guān)的實(shí)例分析，為DFMEA在汽車零部件的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 DFMEA概述

1.1 DFMEA方法及流程

DFMEA是一種針對(duì)產(chǎn)品在開發(fā)過程中潛在問題進(jìn)行分析、推斷，進(jìn)而提出預(yù)防措施的方法，具體實(shí)施過程可分為計(jì)劃 DFMEA和執(zhí)行DFMEA兩個(gè)階段，具體流程見圖1。

在計(jì)劃DFMEA階段，需成立DFMEA分析小組，通過調(diào)研產(chǎn)品或項(xiàng)目發(fā)生的所有失效模式，分析失效原因，對(duì)失效模式進(jìn)行分類歸檔處理，并明確該失效是否與當(dāng)前項(xiàng)目相關(guān)，建立該產(chǎn)品或項(xiàng)目的失效模式庫。

在執(zhí)行DFMEA階段，首先根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際接口形式，建立系統(tǒng)框圖，并通過零件的功能需求，得到零件的項(xiàng)目-功能關(guān)系矩陣；其次對(duì)零件進(jìn)行失效模式分析，包括失效后果分析、失效原因分析以及制定設(shè)計(jì)預(yù)防和設(shè)計(jì)探測(cè)措施；最后，根據(jù)失效模式風(fēng)險(xiǎn)程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)確定是否需制定推薦措施。

圖1 DFMEA流程圖Fig.1 DFMEA process

1.2 DFMEA的評(píng)價(jià)指標(biāo)

在DFMEA執(zhí)行階段，采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（risk priority number，RPN）評(píng)價(jià)零部件失效模式的風(fēng)險(xiǎn)程度，其計(jì)算公式為

式中:S（Severity）為嚴(yán)重度；O（Occurrence）為頻度；D（Detection）為探測(cè)度。

嚴(yán)重度S是對(duì)某一失效模式最嚴(yán)重影響的評(píng)價(jià)等級(jí)，用以表征潛在失效模式發(fā)生時(shí)對(duì)系統(tǒng)影響的嚴(yán)重程度，通常分為1～10級(jí)，級(jí)別越高則影響愈嚴(yán)重。頻度O指某一特定的起因或機(jī)理在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)出現(xiàn)的可能性，表征某一失效模式出現(xiàn)的可能性大小，通常也分為1～10級(jí)，級(jí)別越高則發(fā)生的可能性越大。探測(cè)度D則用來表征失效模式發(fā)生前，現(xiàn)有設(shè)計(jì)控制方法探測(cè)該失效模式的難易程度，將探測(cè)度同樣分為1～10級(jí)，級(jí)別越高則越難探測(cè)。可見，RPN可能是1～1 000之間的整數(shù)值。通常情況下，RPN數(shù)值越大，表示其對(duì)應(yīng)的失效模式風(fēng)險(xiǎn)越大。但用RPN值排序來決定失效模式優(yōu)先順序時(shí)，有可能使嚴(yán)重度大的失效模式被忽略；因此，通常將RPN和嚴(yán)重度S相結(jié)合來評(píng)價(jià)失效模式:若RPN或嚴(yán)重度S超過某一閾值時(shí)，則需制定失效模式的預(yù)防措施，并進(jìn)行重新評(píng)估。

2 制動(dòng)真空管DFMEA分析實(shí)例

以制動(dòng)真空管為對(duì)象，通過執(zhí)行DFMEA分析，提高其可靠性，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 功能關(guān)系矩陣

對(duì)制動(dòng)真空管執(zhí)行DFMEA分析時(shí)，根據(jù)其與周邊零部件的接口形式建立相關(guān)的系統(tǒng)框圖，如圖2示意。

制動(dòng)真空管的功能要求主要分三部分:①性能要求。在整車設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，將真空有效傳遞到真空助力器總成，不能泄露、破損。②安裝要求。易于安裝，滿足在線生產(chǎn)人機(jī)和節(jié)拍要求。③滿足整車NVH要求。

結(jié)合制動(dòng)真空管的功能要求，對(duì)系統(tǒng)框圖進(jìn)行分析，明確每個(gè)部件/接口功能要求的影響，建立功能關(guān)系矩陣。表1為建立的制動(dòng)真空管部分功能關(guān)系矩陣。Y（Yes）表示接口影響對(duì)應(yīng)的功能要求，N（No）則表示不影響對(duì)應(yīng)的功能要求。

圖2 制動(dòng)真空管系統(tǒng)框圖Fig.2 Block of brake vacuum pipe

表1 制動(dòng)真空管功能關(guān)系矩陣Tab.1 Brake vacuum pipe function-item matrix

2.2 失效模式分析

根據(jù)功能關(guān)系矩陣，對(duì)影響制動(dòng)真空管各個(gè)功能要求的接口進(jìn)行失效模式分析，并根據(jù)RPN值以及嚴(yán)重度S確定是否制定推薦措施。在執(zhí)行推薦措施后，對(duì)制動(dòng)真空管的失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行重新評(píng)估，以確定其設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)是否可以接受。值得注意的是，若失效模式存在多個(gè)失效原因，則對(duì)失效原因進(jìn)行逐一分析。表2為制動(dòng)真空管部分常見失效模式的DFMEA分析。

2.2.1 性能要求的潛在失效模式分析

1）干涉磨損泄露。針對(duì)該失效模式，常見的設(shè)計(jì)方法是明確設(shè)計(jì)工況，通過優(yōu)化管路走向或增加管卡以滿足設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的間隙要求。但實(shí)車工況很復(fù)雜，現(xiàn)行探測(cè)方法難以準(zhǔn)確探測(cè)該失效模式；因此可借助CAE仿真對(duì)真空管及周邊零件進(jìn)行全工況模擬，對(duì)真空管及周邊零件按照實(shí)車狀態(tài)進(jìn)行約束，輸入制動(dòng)真空管全工況文件，得到各個(gè)工況的管體走向包絡(luò)，從而可以確認(rèn)設(shè)計(jì)間隙是否滿足要求并據(jù)此采取設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。

2）斷裂泄露。制動(dòng)真空管隨發(fā)動(dòng)機(jī)/真空泵運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于振幅較大，發(fā)生過因應(yīng)力過大導(dǎo)致制動(dòng)真空管斷裂的失效。在進(jìn)行管路設(shè)計(jì)時(shí)，除滿足設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)在管路長(zhǎng)度和彎曲角度上的要求外，還可以通過CAE仿真分析不同極限工況下的應(yīng)力分布，確認(rèn)其是否滿足管材的要求。以某車型制動(dòng)真空管（其材料的屈服強(qiáng)度為65 MPa）設(shè)計(jì)為例，對(duì)真空泵工作于不同極限工況的應(yīng)力分布進(jìn)行CAE仿真，結(jié)果如圖3所示。可以看出，各極限工況下制動(dòng)真空管最大應(yīng)力分布位置非常直觀，且均小于屈服強(qiáng)度，滿足性能要求，斷裂失效的風(fēng)險(xiǎn)低。

以上分析說明，通過增加CAE仿真的探測(cè)手段，可以有效地降低探測(cè)度的分值，從而降低RPN值，達(dá)到降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的目的。

表2 制動(dòng)真空管的失效模式分析Tab.2 DFMEA of brake vacuum pipe

圖3 真空泵不同極限工況下的制動(dòng)真空管應(yīng)力分布圖Fig.3 Stress of brake vacuum pipe in different vacuum pipe working conditions

2.2.2 安裝要求的失效模式分析

設(shè)計(jì)制動(dòng)真空管時(shí)還需要考慮安裝插入力和拔脫力，安裝力過大會(huì)影響生產(chǎn)節(jié)拍，拔脫力過小會(huì)導(dǎo)致脫落風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)接口管卡尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是常用的安裝力改善方法。

在某車型開發(fā)項(xiàng)目中，需使用全新開發(fā)的國(guó)產(chǎn)化管卡。該管卡結(jié)構(gòu)的插入力和拔脫力與多個(gè)尺寸相關(guān)，考慮到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和尺寸控制方便性，對(duì)管卡張開尺寸（尺寸A）和安裝孔內(nèi)徑（尺寸B）進(jìn)行優(yōu)化，見圖4。在具體設(shè)計(jì)過程中，采用DFSS方法尺寸A選擇3個(gè)水平，B選擇3個(gè)水平；以尺寸B的制造公差為噪音因子進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到最優(yōu)尺寸組合。最終方案樣件的測(cè)量結(jié)果見表3，插入力和拔脫力均滿足要求。在該項(xiàng)目后續(xù)開發(fā)過程中，未出現(xiàn)過管卡脫落失效；在生產(chǎn)過程中，也沒有安裝力大的抱怨。

可見，運(yùn)用DFSS工具對(duì)固定管卡進(jìn)行尺寸優(yōu)化，降低了安裝力不合適導(dǎo)致的失效頻度，進(jìn)而有效降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。此外，該固定管卡的設(shè)計(jì)方案可作為標(biāo)準(zhǔn)方案供以后的開發(fā)項(xiàng)目選用，用以降低該失效模式的失效頻度，提高設(shè)計(jì)可靠性。

表3 固定管卡測(cè)試結(jié)果Tab.3 Testing data of clip N

圖4 固定管卡尺寸示意圖Fig.4 Clip dimension view

2.2.3 NVH要求的失效模式分析

制動(dòng)真空管與發(fā)動(dòng)機(jī)、真空泵相連，發(fā)動(dòng)機(jī)或真空泵的部分振動(dòng)噪聲通過制動(dòng)真空管傳遞到駕駛艙內(nèi)，容易引起客戶抱怨。為滿足制動(dòng)真空管的NVH要求，可通過選取合適管材和改善管卡結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

制動(dòng)真空管材質(zhì)的選取需要多方面考慮:從降低整車振動(dòng)噪音的角度來講，制動(dòng)真空管以橡膠管材為優(yōu)；從整車管路布置、間隙控制、走向穩(wěn)定性、環(huán)保等方面來講，塑料管材要更好一些。

此外，為達(dá)到更好的減振降噪效果，可在固定管卡中增加阻尼材料。在某車型的開發(fā)過程中，將普通塑料管卡更換為增加阻尼材料的隔振管卡后，駕駛艙內(nèi)噪聲主觀評(píng)價(jià)GMUTS分值由6分提高到7分，該水平可接受。具體的更改示意圖如圖5。可見，通過改善固定管卡結(jié)構(gòu)，可有效降低該車型制動(dòng)真空管NVH問題的頻度，從而降低RPN值，即降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 管卡更改示意圖Fig.5 Clip change view

3 結(jié)束語

以制動(dòng)真空管設(shè)計(jì)為例，按照DFMEA方法執(zhí)行流程，進(jìn)行了失效模式分析，通過實(shí)例分析從降低失效模式探測(cè)度、失效頻度等方面說明了采用該方法可有效降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。該方法和流程已經(jīng)在多個(gè)平臺(tái)、多個(gè)車型的開發(fā)過程中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證，涉及幾百萬輛各式整車，并將不斷優(yōu)化、持續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)預(yù)防方法和探測(cè)手段。

［1］BOWLES．Fuzzy logic prioritization of failures in a system failure mode，effects and criticality analysis［J］．Reliability Engineering and System Safety，1995，50（20）:203-213．

［2］CHRYSLER LLC，F(xiàn)ORD MOTOR COMPANY，GENERAL MOTORS CORPORATION．Potential failure mode and effects analysis［M］．Michigan:Automotive Industry Action Group，2008:1－142．

［3］段瀟，劉樂，田光宇．設(shè)計(jì)失效模式及后果分析在車輛產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用［J］．現(xiàn)代制造工程，2005（2）:126-128．

［4］慶鵬程．膜片彈簧離合器蓋總成DFMEA應(yīng)用研究［J］．機(jī)械傳動(dòng)，2014，38（5）:166-170．

［5］原鑫．DFMEA技術(shù)在某重型汽車變速器開發(fā)中的應(yīng)用［D］．吉林:吉林大學(xué)，2013．

［6］工業(yè)和信息化電子第五研究所.GB/T 7826——2012系統(tǒng)可靠性分析技術(shù):失效模式和影響分析（FEMA）程序［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012．

［7］程賢福，熊堅(jiān)，李駿．汽車鼓式制動(dòng)器的可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26（2）:67-71．

［8］李駿．汽車離合器起步接合過程的仿真研究［J］．華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，20（5）:101-103．

Application Research of DFMEA in Brake Vacuum Pipe Design

Gu Tingting1，Xu Liang1，Xie Minsong1，Zhang Dongdong2，Tu Wenbing3
（1.Pan-Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd.，Shanghai 201201，China；2.Mechanical Engineering College of Shanghai Science and Technology University，Shanghai 200093，China；3.School of Mechatronics and Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Design failure mode and effects analysis（DFMEA）is an effective tool for improving the product quality in the process of design and development.By employing the DFMEA in the design and development of brake vacuum pipe，this study establishes the brake vacuum pipe block diagram and obtains item-function matrix. Failure mode analysis is carried out on items which have influence on functions and design prevention actions are proposed according to the evaluation on risk priority number（RPN）.Several successful cases are analyzed，and the results show that products deign quality can be improved effectively and failure risk can be reduced by applying DFMEA.

DFMEA；brake vacuum pipe；risk priority number

U463.55

A

1005-0523（2016）05-0093-06

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

2016－04－12

江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20151BAB216017，20161BAB206151）

谷婷婷（1979—），女，碩士，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)集成開發(fā)。

許良（1989—），男，工程師，研究方向?yàn)橹苿?dòng)系統(tǒng)開發(fā)。