关于在DFMEA中引入噪声因子

关于在 DFMEA 中引入噪声因子 1 引言引言 可靠性工程、线外质量控制和稳健设计方法(RDM)是三种不同但又有相似之处的质量控制方法，它们都旨在避免产品失效；既然大家目标相同，那么这些方法之间是否可以相互借鉴而彼此受益呢？可靠性工程中利用了许多众所周知的方法，其中之一就是失效模式和影响分析(FMEA)，这可能是汽车行业中最著名的可靠性方法；这种方法已被集成在许多产品开发系统中，并为许多工程师所熟知。RDM（阿维德森和 Gremyr,2005）和线外质量控制（Taguchi和 Wu,1979）针对失效的出现提出了一种思考方法，即提供一个适用的“系统设计”，应对干扰/噪声因子的影响；这个方法可以实现系统无故障运行，即产品对噪声因子的影响不敏感。如果噪声因子可视同为失效的原因，则可靠性方法 FMEA 和 RDM就是在处理相同的技术风险问题。本研究的目的就是评估在标准1FMEA 方法中是否可以将已识别的失效原因与噪声因子类别相关联，来研究噪声因子的影响。如果这在汽车行业的实践中成立，那么如何在 FMEA 中利用这一点来改善分析结果，支持可靠性工程和 RDM 呢？关联 FMEA 和 RDM 的想法并不新鲜。Bergman(1992)提议使用FMEA 作为识别噪声因子的手段，为稳健性试验设计(DOE)做准备。Andersson(1996)概述了一种改进的 FMEA 方法来识别噪声源：首先确定需求领域和/产品生命周期内相关的噪声因子，然后从噪声因子过渡到失效模式和失效影响；这类似于在普通的 FMEA 中，将“原因”替换为“噪声因子”。Clausing(1994)也讨论了可靠性方法如 FMEA 和失效树分析(FTA)在稳健工程中的使用。有趣的是，即使 Taguchi 不太重视（FMEA）他的主要方法是 DOE，但许多关于六西格码设计（DFSS）的教科书中，稳健性是必不可少的部分，而 FMEAs 则是作为创建稳健设计的最重要方法之一（Lonnqvist,2006）。2 背景背景 可靠性（性能）的定义为：“一个产品在给定条件下、给定时间间一个产品在给定条件下、给定时间间隔内，执行所需功能的能力隔内，执行所需功能的能力”。可靠性工程的一个核心内容是可靠性工程的一个核心内容是“失效失效”的概念以及努力避免失效原的概念以及努力避免失效原因及其后果因及其后果。FMEA 表格中的相关列就是为了说明这项工作。本研究中使用标准FMEA 表格，来研究如何处理噪声因子影响。FMEA 表格基于分析步骤的许多列，描述了要分析的问题（图 1.1）。不同 FMEA 表格列的顺序可能互有差异，但分析过程是相似的。例如，都有“潜在原因”、“失效模式”和“失效影响”列。失效原因是失效模式的根源，而失效模式又会导致失效影响/后果，如图 1.1 所示。现有 FMEA表格中没有一栏明确描述为噪声因子。本研究中假设噪声因子实际上与失效原因相似，是表达相同现象的本研究中假设噪声因子实际上与失效原因相似，是表达相同现象的另一种方式。另一种方式。图 1.1 DFMEA 表格 如果产品对噪声因子敏感，其功能就可能受到负面影响，性能也就可能下降到被视为有缺陷的程度，即存在“软失效软失效”；或者，如果产品功能停止，结果就是“硬失效硬失效”（戴维斯/2004 年）。假设是噪声因子创造了失效原因出现的条件，那么特定的噪声因子和失效原因彼此就密切相关或相等。在线外质量控制中，Taguchi 和 Wu(1979)将噪声因子分为三类：外部噪声（例如温度、湿度、电压的变化）、内部噪声或恶化噪声（例如。产品在使用过程中可变属性的变化）和产品噪声或制造噪声（制造过程变差）。图 1.2 特定的噪声因子/原因是导致失效模式的条件 在这项研究中，噪声因子不会分为上述三类，而是根据福特汽车公司的方法（戴维斯，2004 年）分为五类。这样做的原因是在进一步讨论噪声因子和潜在失效原因时提供更明确和详细的分类。其中有两个噪声因子会影响产品承受负载（要求）的能力，可将其定义为“内部”或“能力”噪声因子：零部件之间的变差（制造变差）随时间改变（疲劳，磨损.）其余三个定义为“外部”或“需求”噪声因子，它们决定了产品上的负载或需求：客户使用习惯（使用周期，手法.）外部环境（温度，道路状况.）系统交互影响（辐射、热量.）3 方法方法 我们知道，FMEA 主要有两种，设计失效模式和影响分析(D-FMEA)，用于分析设计；过程失效模式和影响分析(P-FMEA)，用于分析一个过程（Britsman,1993）。本研究仅涵盖 D-FMEA。如果将 D-FMEA 方法应用于高层级系统设计，则表示为 System-FMEA（S-FMEA）代替 D-FMEA。术语D-FMEA 则用于零部件或子系统级别的 D-FMEA。本研究选择了大约 30 个已执行的 D-FMEA/S-FMEA。所有选择的分析都是在同一时期（2006 年第二季度）进行的，以减少分析过程变化造成的影响。本研究意图涵盖所有设计领域，但结果表明所选的电气设计领域，其分析的目的和方法与其他是不同的，是具有“预定义”失效原因的高层级 S-FMEA，因此不纳入本研究。其余分析涵盖设计领域包括：动力总成（25%）、底盘（约 10%）以及车身和内外饰（约 65%）工程。FMEA 研究包括内部(2/3)和供应商(1/3)。内部FMEA 分析中，一半是 D-FMEA，一半是 S-FMEA。供应商的则是车身和内外饰子系统或组件 D-FMEA，都适合本研究。研究方法是将 FMEA 中描述的每个已识别的潜在原因归类到五个噪声因子类别中的一个。本研究中的所有 FMEA 中的所有“原因”都进行了这样的归类。最终结果由具有长期质量和可靠性工程经验的同行讨论和审查，并确认了该结果。注：为了能够清楚地理解潜在风险的本质，通常有必要阅读潜在失注：为了能够清楚地理解潜在风险的本质，通常有必要阅读潜在失效机理的完整描述。效机理的完整描述。4 结果结果 将潜在失效原因与五个噪声因子类别匹配的结果如下图 1.3 所示。与五个噪声类别中的任何一个都不匹配的原因收集在一个“非噪声因子”类别中，匹配过程的结果将在下面讨论。4.1 失效原因匹配噪声因子类别 本研究表明，可以将 FMEA 中确定的大多数原因分配到噪声因子类别中的一个。噪声因子类别中的一些示例是：a.“逐件差异”包括由于公差、公差链、装配、生产变化、制造过程或有关运输和处理的问题而导致的失效原因。b.在“随时间变化”类别中，将原因描述为随时间疲劳、磨损、焊缝裂纹、耐久性等能力不足或不同材料导致的磨损。c.“客户使用”噪音因素/原因包括超速、误用、划痕、清洁污渍或清洗液冻结。d.“外部环境”类别包括交通堵塞、热负荷、潮湿环境腐蚀、潮湿环境导致组件之间粘连；灰尘聚集、污染、盐沉积、冷/热条件导致的高摩擦或存在外来颗粒杂质等原因。e.“系统相互作用”的原因包括过热、来自附近系统的外来颗粒、与附近系统相互作用造成的腐蚀或电缆和其他组件的干扰。应该说，关于噪声因子分类，将一个类别与潜在原因匹配还是相当容易的，尽管这些类别有时会“重叠”。一个难于归类的例子是：一个组件由于制造变差而经历过度“内部磨损”的情况；在这种情况下，它被归类为逐件变差，因为并非该类型的所有部件都会经历磨损。另一个例子是可能因含盐环境而腐蚀的组件的潜在失效；在那种情况下，原因被归类为“外部环境”，因为没有这种环境就不会发生腐蚀。第三个例子是一个可能承受高外部温度负荷的组件，问题是它是否是由相邻组件产生的热量引起的（系统交互），还是炎热的外部环境造成的呢？从这些分析中可以清楚地看出潜在失效原因是什么，从而选择一个类别来反映这一点。4.2 无法归入任何噪声因子类别的原因 研究结果表明，大约 30%的潜在原因无法归入五个噪声因子类别，因为它们不属于任何类别。这个结果首先似乎与最初假设：“FMEA 中的原因和噪声因子实际上是相同的现象以不同方式表述”相矛盾。为了理解这些不属于我们预设的五种噪声因子类别的原因，这里有一些示例：功能描功能描述不充分述不充分 不符合可用性要求不符合可用性要求 不符合可装配性要求不符合可装配性要求 由于规格问题导致的外观不良由于规格问题导致的外观不良 此类原因中的一个共同主题似乎是“标称标称”设计可能无法满足要求的功设计可能无法满足要求的功能能，无论产品是否受到噪声因子的影响无论产品是否受到噪声因子的影响。这类产品功能可以由外部和内部客户要求，例如生产要求的可制造性。为了标记这些额外的噪声因子类别，我们先来看看线外质量控制概念（Taguchi 和 Wu,1979）中概述的设计对策的三步程序，即系统即系统设计、参数设计和容差设计。设计、参数设计和容差设计。第一步，系统设计阶段的结果是一个产品，如果不受噪声因子的影响，即满足客户的期望。第二步，在参数设计阶段，建议的产品设计应该被“优化”，包括最小化噪声因子对产品的影响。换句话说，产品必须能够抵抗噪声因子的影响（对噪声因子的干扰不敏感）。最后一步，公差设计，旨在为最小的质量损失定义公差极限（“允许极限”）。如果使用 Taguchi 方法，我们可以看到，这些“非噪声因子”的原因更多地与“系统设计”阶段相关。因此，这些额外的原因类别被命名为“系统设计”关注点/原因，通过添加第六类原因，即与原噪声因子类别无关的原因类别，可以将 FMEA 中研究的所有原因归入以下：5+1 类别（图 1.3）。图 1.3 DFMEA 中的失效原因归类到噪声因子中（传统 5 类噪声因子+系统设计因子）4.3 对结果的评论 从上图中可以看出，主要“噪声/原因类别”是“系统设计系统设计”原因和“逐件逐件差异差异/变差变差”。值得注意的是，供应商 DFMEA 中，这两个类别明显占有主导地位，这可能是本研究中的分析是特定设计的结果，或者可能反映了供应商更接近生产过程的情况以及他们为满足客户要求所做的努力程度。尽管各个 FMEA 之间存在明显差异（此处未显示），但“客户使用习惯”在所有研究的 FMEA 类别中的百分比都很低。I.必须作出的第一个评论是：没有一个分布是绝对正确的而其他分布是错误的；每个分布都必须根据分析对象进行评估。在一项分析中，可能很少有“客户使用习惯”的情况，而在另一项分析中则可能出现比较多。对于其他类别（例如“逐件差异”）也是如此。II.第二点是“系统设计”的原因在早期阶段(S-FMEAs)比后期(D-FMEAs)具有更高的百分比可能是合理的，因为早期阶段还没有完成详细设计，导致在需求满足方面存在更高的不确定性。III.另外，图中未显示不同原因/噪声类别的重要性，仅显示它们在FMEA 中出现的频率。注意：频率和重要性在评估注意：频率和重要性在评估风险时的权重不同风险时的权重不同。IV.最后，需要对单个 FMEA 进行更深入的研究，以评估/识别出的噪声因子相关性。5 讨论和进一步研究讨论和进一步研究 如何判断 FMEA 是否以正确的方式完成？“正确的方式“是什么意思？这些问题在有关 FMEA 方法的一些文本中进行了讨论（例如Britsman,1993 年；ASQC/AIAG,2001 年）。通过对噪声因子的分析，可提供一个讨论和评估相关噪声因子是否需要在单个 FMEA 中深入研究的机会。工程知识和经验以及其他分析的结果（例如参数图）可以为要考虑的噪声因子提供指导。在许多公司中，开发工作是在内部以及与供应商合作完成的，改进的 FMEA 评估有助于公开交流以及改善 FMEA 方法的应用。要修改 FMEA 这种众所周知的方法，一个可能的问题是：虽然工程师知道了新方法/程序，但因与他们习惯的方法不同，这必然会对新方法应用产生一些惯性阻力。因此，如果要在 FMEA 程序中实施这种原因关联噪声因子的概念，那么如何通过对表单进行最少的修改来实现呢？第一种方法：一个小修改：添加一列，为每个潜在的故障模式指定了原因/噪声类别。这样做的另一个优点是分析的可读性将提高，因为读者可以很清楚地看到哪种类型的交互作用会导致失效模式。第二种方法：无需引入新列，通过现有“失效原因