DFMEA在制動真空管設(shè)計中的應(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)機械工程學(xué)院，上海200093；3.華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013）

DFMEA在制動真空管設(shè)計中的應(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)機械工程學(xué)院，上海200093；3.華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013）

設(shè)計失效模式和影響分析（DFMEA）是產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中用以提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效工具。將DFMEA應(yīng)用于制動真空管的設(shè)計開發(fā)過程，建立了系統(tǒng)框圖，得到了項目-功能關(guān)系矩陣，進而對影響制動真空管功能的接口進行失效模式分析以及風(fēng)險優(yōu)先數(shù)評估，并提供了設(shè)計分析方法和預(yù)防措施。對制動真空管的設(shè)計實例進行分析，表明應(yīng)用DFMEA方法可以有效提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，降低失效風(fēng)險。

設(shè)計失效模式和影響分析；制動真空管；風(fēng)險優(yōu)先數(shù)

設(shè)計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，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械、汽車等工業(yè)領(lǐng)域，取得了顯著效果。美國三大汽車公司針對汽車工業(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”，確立了DFMEA在美國汽車工業(yè)的必要性，該手冊2008年已發(fā)行第4版［2］。

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，DFMEA方法逐漸在國內(nèi)被推廣，研究內(nèi)容多集中在DFMEA方法及其應(yīng)用研究［3-5］。2012年國家標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)GB/T 7826—2012，規(guī)定了失效模式和影響分析（FEMA）程序［6］。但在我國汽車制造業(yè)中，僅有上汽大眾、一汽大眾、上汽通用、長安福特、東風(fēng)汽車等企業(yè)對部分自主產(chǎn)品開展了DFMEA［4］。此外，考慮到實施DFMEA的成本問題，多數(shù)企業(yè)并未有效全面地實施DFMEA；因此，研究DFMEA方法在具體項目中的應(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。制動真空管則是一種典型管路零部件，與周邊的發(fā)動機、線束、冷卻水管、前圍板、真空助力器等相關(guān)聯(lián)，且隨發(fā)動機和真空泵振動，工作環(huán)境惡劣；因此，如何確保制動真空管安全的運動間隙，保證在車輛行駛過程中，不會出現(xiàn)運動干涉、損壞以及制動失效問題，是提高制動真空管設(shè)計質(zhì)量的重要內(nèi)容。本文以制動真空管的設(shè)計為例，采用DFMEA方法對制動真空管的主要失效模式進行了分析，提供了常見的設(shè)計預(yù)防方法，并給出了相關(guān)的實例分析，為DFMEA在汽車零部件的設(shè)計應(yīng)用提供參考。

1 DFMEA概述

1.1 DFMEA方法及流程

DFMEA是一種針對產(chǎn)品在開發(fā)過程中潛在問題進行分析、推斷，進而提出預(yù)防措施的方法，具體實施過程可分為計劃 DFMEA和執(zhí)行DFMEA兩個階段，具體流程見圖1。

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

在執(zhí)行DFMEA階段，首先根據(jù)項目的實際接口形式，建立系統(tǒng)框圖，并通過零件的功能需求，得到零件的項目-功能關(guān)系矩陣；其次對零件進行失效模式分析，包括失效后果分析、失效原因分析以及制定設(shè)計預(yù)防和設(shè)計探測措施；最后，根據(jù)失效模式風(fēng)險程度的評價指標(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的評價指標(biāo)

在DFMEA執(zhí)行階段，采用風(fēng)險優(yōu)先數(shù)（risk priority number，RPN）評價零部件失效模式的風(fēng)險程度，其計算公式為

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

嚴(yán)重度S是對某一失效模式最嚴(yán)重影響的評價等級，用以表征潛在失效模式發(fā)生時對系統(tǒng)影響的嚴(yán)重程度，通常分為1～10級，級別越高則影響愈嚴(yán)重。頻度O指某一特定的起因或機理在設(shè)計壽命內(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，級別越高則發(fā)生的可能性越大。探測度D則用來表征失效模式發(fā)生前，現(xiàn)有設(shè)計控制方法探測該失效模式的難易程度，將探測度同樣分為1～10級，級別越高則越難探測?？梢姡琑PN可能是1～1 000之間的整數(shù)值。通常情況下，RPN數(shù)值越大，表示其對應(yīng)的失效模式風(fēng)險越大。但用RPN值排序來決定失效模式優(yōu)先順序時，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)合來評價失效模式:若RPN或嚴(yán)重度S超過某一閾值時，則需制定失效模式的預(yù)防措施，并進行重新評估。

2 制動真空管DFMEA分析實例

以制動真空管為對象，通過執(zhí)行DFMEA分析，提高其可靠性，降低設(shè)計風(fēng)險。

2.1 功能關(guān)系矩陣

對制動真空管執(zhí)行DFMEA分析時，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)人機和節(jié)拍要求。③滿足整車NVH要求。

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

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

表1 制動真空管功能關(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，對影響制動真空管各個功能要求的接口進行失效模式分析，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，對制動真空管的失效風(fēng)險進行重新評估，以確定其設(shè)計風(fēng)險是否可以接受。值得注意的是，若失效模式存在多個失效原因，則對失效原因進行逐一分析。表2為制動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。針對該失效模式，常見的設(shè)計方法是明確設(shè)計工況，通過優(yōu)化管路走向或增加管卡以滿足設(shè)計經(jīng)驗的間隙要求。但實車工況很復(fù)雜，現(xiàn)行探測方法難以準(zhǔn)確探測該失效模式；因此可借助CAE仿真對真空管及周邊零件進行全工況模擬，對真空管及周邊零件按照實車狀態(tài)進行約束，輸入制動真空管全工況文件，得到各個工況的管體走向包絡(luò)，從而可以確認(rèn)設(shè)計間隙是否滿足要求并據(jù)此采取設(shè)計改進措施。

2）斷裂泄露。制動真空管隨發(fā)動機/真空泵運動時，由于振幅較大，發(fā)生過因應(yīng)力過大導(dǎo)致制動真空管斷裂的失效。在進行管路設(shè)計時，除滿足設(shè)計經(jīng)驗在管路長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。以某車型制動真空管（其材料的屈服強度為65 MPa）設(shè)計為例，對真空泵工作于不同極限工況的應(yīng)力分布進行CAE仿真，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，各極限工況下制動真空管最大應(yīng)力分布位置非常直觀，且均小于屈服強度，滿足性能要求，斷裂失效的風(fēng)險低。

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

表2 制動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)計制動真空管時還需要考慮安裝插入力和拔脫力，安裝力過大會影響生產(chǎn)節(jié)拍，拔脫力過小會導(dǎo)致脫落風(fēng)險。對接口管卡尺寸進行優(yōu)化設(shè)計是常用的安裝力改善方法。

在某車型開發(fā)項目中，需使用全新開發(fā)的國產(chǎn)化管卡。該管卡結(jié)構(gòu)的插入力和拔脫力與多個尺寸相關(guān)，考慮到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和尺寸控制方便性，對管卡張開尺寸（尺寸A）和安裝孔內(nèi)徑（尺寸B）進行優(yōu)化，見圖4。在具體設(shè)計過程中，采用DFSS方法尺寸A選擇3個水平，B選擇3個水平；以尺寸B的制造公差為噪音因子進行正交試驗，得到最優(yōu)尺寸組合。最終方案樣件的測量結(jié)果見表3，插入力和拔脫力均滿足要求。在該項目后續(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，運用DFSS工具對固定管卡進行尺寸優(yōu)化，降低了安裝力不合適導(dǎo)致的失效頻度，進而有效降低了設(shè)計風(fēng)險。此外，該固定管卡的設(shè)計方案可作為標(biāo)準(zhǔn)方案供以后的開發(fā)項目選用，用以降低該失效模式的失效頻度，提高設(shè)計可靠性。

表3 固定管卡測試結(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

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

制動真空管材質(zhì)的選取需要多方面考慮:從降低整車振動噪音的角度來講，制動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)噪聲主觀評價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?？梢姡ㄟ^改善固定管卡結(jié)構(gòu)，可有效降低該車型制動真空管NVH問題的頻度，從而降低RPN值，即降低設(shè)計風(fēng)險。

圖5 管卡更改示意圖Fig.5 Clip change view

3 結(jié)束語

以制動真空管設(shè)計為例，按照DFMEA方法執(zhí)行流程，進行了失效模式分析，通過實例分析從降低失效模式探測度、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)計風(fēng)險，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。該方法和流程已經(jīng)在多個平臺、多個車型的開發(fā)過程中得到了應(yīng)用和驗證，涉及幾百萬輛各式整車，并將不斷優(yōu)化、持續(xù)改進設(shè)計預(yù)防方法和探測手段。

［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］．機械傳動，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．

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［7］程賢福，熊堅，李駿．汽車鼓式制動器的可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計［J］．華東交通大學(xué)學(xué)報，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，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)基金項目（20151BAB216017，20161BAB206151）

谷婷婷（1979—），女，碩士，研究方向為系統(tǒng)集成開發(fā)。

許良（1989—），男，工程師，研究方向為制動系統(tǒng)開發(fā)。