设计失效模式及后果分析.doc

设计失效模式及后果分析

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设计失效模式与效应分析

目 录
一、 前言……………………………………………….……………………..…01
二、 设计FMEA………………………………………..………………………….02
1. 先期规划…………………………………………..………………….……03
2. 设计FMEA展开………………………………………………….…….....07
3. 后续追踪与应用……………………………….…………………….14
附录A：设计FMEA方块图范例………………………………………..………16

附录B：设计FMEA范例…………………………………………………….….17

附录C：设计FMEA表格……………………………………………………18

案例分析……………………………………………………………………………19

一、 前言

失效模式、效应与关键性分析(Failure Mode，Effects and Criticality Analysis， FMECA)是一种系统化之工程设计辅助工具，主要系利用表格方式协助工程师进行工程分析，使其在工程设计时早期发现潜在缺陷及其影响程度，及早谋求解决之道，以避免失效之发生或降低其发生时产生之影响。FMECA之前身为FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)，系由美国格鲁曼(Grumman)飞机公司在1950年首先提出，应用于飞机主操纵系统的失效分析，在1957年波音(Boeing)与马丁(Martin Marietta)公司在其工程手册中正式列出FMEA之程序，60年代初期，美国航空太空总署(NASA)将FMEA成功地应用于航天计画，同时美国军方也开始应用FMEA技术，并于1974年出版军用标准FMECA程序MIL-STD-1629，于1980年由国际电工技术委员会(International Electrothnical Commission，IEC)所出版之国际IEC 812即为参考MIL-STD-1629A加以部份修改成之FMEA程序。除此之外，ISO 9000及欧市产品CE标志之需求，也将FMEA视为重要的设计管制与安全分析方法。

在70年代，美国汽车工业受到国际间强大的竞争压力，不得不努力导入国防与太空工业之可靠度工程技术，以提高产品品质与可靠度，FMEA手册，此时发展之分析方法与美军标准渐渐有所区别，最主要的差异在引进半定量之评点方式评估失效模式之关键性，后来更将此分析法推广应用于制程之潜在失效模式分析，从此针对分析对象之不同，将FMEA分成”设计FMEA”与制程FMEA”，并开始要求零件供货商分析其零件之设计与制程。在各个汽车厂都要求其零件供货商按照其规定之表格与程序进行FMEA的情况下，由于各公司的规定不同，造成零件供货商按照其规定之表格与程序进行FMEA的情况下，由于各公司的规定不同，造成件供货商额外的负担，为改善此一现象，福特(Ford)、克莱斯勒(Chrysler)、与通用汽车(General Motor)等三家公司在美国品管学会(ASQC)与汽车工业行动组(AIAG)的赞助下，整合各汽车公司之规定与表格，在1993年完成『潜在失效模式与效应分析(FMEA)参考手册』，确立了FMEA在汽车工业的必要性，并统一其分析程序与表格，此参考手册在1995年完成修定二版，并成为SAE正式技术文件SAEJ-1739。

目前FMEA已经广泛应用在航空、航天、电子、机械、电力、造船和交通运输等工业，根据对美国国防部所属的112个单位进行的调查显示，有87个单位认为FMEA是一种有效的可靠度分析技术，值得推广。

FMEA做为设计工具以及在决策过程中的有效性决定于设计初期对于问题的信息是否有效地传达沟通，或许FMEA给人最大的批评在于其对设计之改进效益有限，其最主要原因为执行的时机不对，以及单独作业，在设计过程中没有适当的输入FMEA信息，掌握时机或许是执行FMEA是否有效的最重要因素。FMEA的目的为确认在系统设计中的所有失效模式，其第一要务为及早确认系统设计中所有的致命性(Catastrophic)与关键性(Critical)失效发生的可能性，以便尽早开始进行系统高层次之FMEA，当获得更多数据后，再扩展分析到低层次硬品。

本教材乃针对设计FMEA相关技术做一探究。
将FMEA技术应用于制造／组装程序之分析称为”制程FMEA”，亦即在设计制造程序时，利用FMEA技术分析制程中每一步骤可能的潜在失效模式及其影响程度，并找出每一失效模式的发生原因与发生率，寻求各种可能的方法以避免失效模式发生或降低其发生率，减低其影响程度，或提高制程不良之检出能力，以便在正式进入生产前就能改善其制造/组装程序，使制造不良品的机会降低，并提升制造品质。有关制程FMEA相关技术参见另一教材：制程失效模式与效应分析。

二、设计FMEA

设计FMEA是属于在概念阶段到整个过程中的一项实质的设计机能，为求达到其效益， FMEA必须配合设计发展之程序反复进行。在执行FMEA所须投入的努力程度与选用方法的复杂程度应视个别计画的特性与需求而定，所以需要对个别计画加以裁适(Tailoring)，无论复杂的程度如何，裁适的原则为必须使FMEA对于计画之决策有所助益。在考虑设计发展方式的可行性与完整性时，对于计画的决策者而言，适当地执行FMEA其价值难以估计！

设计FMEA是一种分析技术，主要提供给负责设计的工程师(或团队)一个方法，使其尽可能在设计时考虑潜在的失效模式与相对应之原因(机制)，并加以说明。最终产品及其每一
个相关之系统、组件与零件都必需加以展开。当设计零件、组件或系统时，利用其极为精密的表格可提供做为工程师以及其团队之思考内容的概要归纳。这种系统化的方法与一般正常的设计程序同步进行，并且将设计过程中工程师脑中思考之知识透过正式的管道记录下来。

设计FMEA透过以下方式协助设计程序降低失效之风险：

(1) 对于设计需求与设计选项之客观评估提供协助。
(2) 协助初期设计时考虑制造与组装需求。
(3) 提高在设计发展程序中考虑到系统与车辆潜在的失效模式与效应之机率。
(4) 提供相关信息协助规划详细且有效率之设计试验与发展计画。
(5) 产生潜在失效模式清单，并根据其对顾客之效应排序，建立设计改进与发展试验之优先
顺序系统。
(6) 提供给改善建议一个公开之讨论格式，并追踪其降低风险之行动。
(7) 提供参考资料协助分析将来市场重点、评估设计变更与发展先进设计。

一般在执行FMEA时，大都以填写FMEA表格作为工作重点，而忽略了其它应配合的
项目。实际上，若要使FMEA确实发挥其效用，除了分析表格中之填写项目外，先期规划
与分析结果之应用也加以重视，再配合『失效报告、分析与改正作业体系』(FRACAS)，更
可使其效益大增，图一所示为先期规划、分析、与结果应用等三者较完整之流程，以及与其
它相关配合工作之关系。以下各节将针对此项技术，详细说明其分析方法与步骤，并说明其分析结果之应用。
1. 先期规划
如前所述，FMEA为一系统化辅助工具，此工具必然会牵涉到公司内很多部门、人员与技术，要将这些参与者有效地整合在一起，必须在事前有很好的准备工作与规划，应考虑之先期规划工作如下：

(1) 定义客户(使用者)

在设计FMEA中所谓的客户并非单指最终的使用者，应包含更高层次硬品之设计工师(或团队)、负责制程的工程师，如制造、组装及维护等工程师。

当全面实施时，所有的新零件、修改的零件、和用于新用途或新环境之留用零件都
要执行设计FMEA，由负责设计的工程师主导，对具有专利之设计而言，则可能是由
供货商主导进行FMEA 。

组成FMEA团队
搜集资料
完成FMEA执行方案
分析系统功能
定义系统特性
分析硬品架构
失效报告、分析与改正操作系统(FRACAS)
分析失效效应
建议改进行动
分析失效原因
分析失效模式
设计改善
计算关键指数
分析严重度
分析难检度
分析发生率
分析设计管制方法
决定关键性
失效模式
撰写报告
设计审查
评估资料
可靠度分析参考资料
设计改善
参考资料
标准检验程序资料
维护度分析参考资料
教育训练参考资料
图一：设计FMEA流程

(2) 组成FMEA团队

在设计FMEA程序中，应由负责设计、制造、组装、品保、可靠度、业务、采购、测试之工程师、负责上一层次设计之工程师以及其它适当之专业工程师组成团队，利用FMEA做为各个不同部门间想法交流的媒介，以促成团队进行FMEA工作。

FMEA文件是一个活的文件，应该在设计概念阶段就开始建立，并且随着产品发展过程中设计变更或获得新资料而不断更新，而原则上在蓝图完成进入加工前结束设计FMEA。

有鉴于在设计过程中一并考虑制造/组装之需求，设计FMEA会说明设计之目的，并假设制造/组装会完成其设计目的，因此在所以在设计FMEA中不必要包含在制造或组装中可能产生之潜在失效模式，但是可能会含在其中，因为在制程FMEA中会涵盖这一类失效模式之确认、效应、管制等。在进行设计FMEA时，不可倚靠制程管制来克服设计之弱点，而应将制造/组装程序之技术/实体限制纳入考虑，例如：

＊ 必须之模具草图
＊ 表面精度之限制
＊ 组装空间/加工之进出路径
＊ 钢材硬度之限制
＊ 制程能力/效能

(3) 资料搜集

一般而言在执行FMEA 之前应掌握以下几个方面的资料：

A： 有关产品设计方面的资料：了解所欲分析之产品的功能、工作原理、运行及工作程
序、结构形式、其组成的零件特性、材质等。
B： 有关制造工艺方面资料：了解产品加工过程、组装过程、方法、检验及测试方式等。
C： 有关使用维修方面的资料：了解产品的使用、操作过程、工作条件、操作人员情况、完成每项维修工作所需时间、维修纪录(失效纪录、维修方法、维修时间、工时、成本)等。
D： 有关环境方面的资料：了解产品的规定使用条件、实际工作环境条件、与其它系统之间的接口关系、人机接口等。

这些资料在产品设计初期往往无法立即全部得到，开始时只能对一些清楚的资料作
一些假设，以便进行分析；随着设计工作的进行，所能得到的资料也会更趋完整，当然
FMEA的分析也要随之修正；而FMEA的资料在设计发展过程中，也要不断提供设计者
作为修改设计时的参考，所以说FMEA与设计工作彼此间是互动的。
(4) 订定FMEA执行方案

根据FMEA的实际需要或合约的需求拟订FMEA执行方案，据以执行FMEA，并随设计之修正变更FMEA，且将分析结果提供作为设计改善参考，通常FMEA执行方案中要规定使用的表格、要分析的最低设计层次、编码系统、失效定义、确认使用共定FMEA资料的各个部门、时程等，分别说明如下：

A﹕:表格形式：在FMEA作业中，表格为记录分析结果的主要工具，在FMEA执行方案
中应附上使用的表格形式与填表说明，FMEA所使用的表格形式依其分析方法与各公司之资料需求而呈现不同的格式，若顾客有所需求时，则以顾客所规定之表格为之，附件E为SAEJ-1739所使用之FMEA表格，可作为参考。
B﹕ 分析硬品层次：在FMEA执行方案中应说明所要分析的硬品的最低层次，一般而言
分析的层次愈低，所要耗费的人力成本愈多，但所能得到的信息愈丰富，所以在决
定分析的层次时应视情况加以取舍。

a) 所选择的硬品最低层次应以能够对其功能做完整描述之层次较有意义。
b) 从高层之分析结果判断是否继续向下层分析，若分析结果显示该程序之重要性
或严重性高时，则继续分析其下一层次；否则就可止于此一层次。
c) 根据以往的经验决定分析的最低层次，当所分析的层次以往的可靠度纪录很好
时，则分析层次可以不必到底层；反之，当以的可靠度纪录不好或未经验证时，
则可能需要分析到底层。
d) 就设计FMEA而言，规定或预期维护保养的层次可作为决定分析层次时的参考
，通常最低层次的选择以刚好高于维修保养的最低硬品层次为主。

C﹕ 编码系统：编码系统对于失效分析资料的搜寻极具价值，在FMEA执行方案中应根据产品的组成结构加以规定，并应注意所使用之编码系统要与其它工程或管理规定中使用之编码系统一致。
D﹕ 失效定义：在FMEA执行方案中应先定义产品之特性参数容许之极限值(规格)与失效条件。
E﹕ 成果整合：在可靠度工作计画、维护度工作计画、系统安全工作计画、后勤支持分析工作计画等等都有对FMEA作业或分析结果的需求，在执行方案中应加以整合，定义执行权责，确保分析结果能满足各项工作计画中的需求，并避免重复执行相同的工作而造成不必要的资源浪费。
F﹕ 时程：掌握FMEA 时机通常是决定执行FMEA是否有效的关键，在安排执行FMEA的时程时，要配合计画的发展，通常设计审查的时程可作为执行FMEA时程的参考，配合计画发展的几个重要设计审查点，可以将各阶段FMEA报告完成的时间订在设计审查点之前，以便能配合计画的设计审查作业时程。

2. 设计FMEA展开
在执行设计FMEA时，负责设计之工程师拥有许多有用的资料可供其任意使用，开始时应将设计之目的加以展开，并应同时考虑顾客需要与制造/组装之需求，顾客之所需可由品质机能展开(QFD)、车辆需求文件、已知之产品需求等资料来源决定，将所需之特性定义的愈好，将来对于失效模式与改进行动之确认就愈容易。

设计 FMEA程序应由所欲分析之系统、次系统、或零组件之功能方块开始，在功能方块图中可简要标示出其能量、力量、信息、流体等传递情形，其目的在于了解每一功能方块之输入，所执行之功能(程序)、与输出，附件A为功能方块图之实例。
功能方块图中说明了所分析的项目间的主要关系，并建立分析之逻辑顺序，FMEA分析所使用之功能方块图应与FMEA资料结合在一起。

以下就FMEA表格中之每一个字段说明其内容，完成之FMEA表格请参考附件C。

(1) FMEA编号：
填入FMEA文件之编号以便追踪管理。

(2) 系统、次系统、或零组件名称/编号
说明所分析之硬品层次为系统、次系统、或零组件名称/编号。

(3) 设计负责单位
说明主要设计的负责单位。

(4) 负责分析人员
填入主要进行此FMEA之负责人，包括姓名、电话、单位。

(5) 车型/年份
说明使用本设计之车型年份及系列。

(6) 关键日期(KEY DATE)
说明此FMEA最初之预定完成日期，此日期不应该超过设计之发布日期。

(7) FMEA日期
填入FMEA之最初完成日期与最近之修改日期。

(8) 核心团队
列出每一个负责分析的人员(建议能包括姓名、单位、电话等)。

(9) 项目／功能
填入所分析的项目名称与编号，使用工程蓝图内之代号，并显示其设计层次，在蓝图发布前则使用实验编号。
尽可能地简要说明所分析项目欲满足其设计目的所应有的功能，包括此系统操作之相关环境(如限定之温度、压力、湿度范围)，最好以动词+名词的方式来描述，当其功能不只一个时，应个别列出。

(10) 失效模式

潜在之设计失效模式系指零件、次系统、或系统可能失效之方式，导致其无法满足预定之设计目的、一个潜在失效模式可能是导致其高层次硬品失效模式之原因，也可能是其下层次硬品失效模式所引发之效应。

针对所分析之硬品与其相对应功能列出每一个潜在之失效模式，假设失效模式可能发生但不一定发生，失效模式可能只在某些操作条件下发生(热、冷、干、灰尘等)，或某些使用条件下发生( 如超过使用里程、恶劣地形、只在市区行驶等)，在分析时应加以考虑。

一般而言设计失效模式之确认可分为下列两种方法：

(a) 功能法
列出所分析硬品之功能，指出导致其丧失功能之失效模式，通常用于初步设计阶段，硬品之细部设计尚未完成前，此法所得之失效模式大致包括以下各类型：
*过早动作 *无法在预定时间动作
*无法在预定时间停止动作 *间歇性的动作
*性能降低

(b) 硬品法：
针对所分析硬品，直接列出其可能的失效模式，通常用于细部设计之资料已经获得后，此法所得之失效模式大致包括以下各类型。
*断裂 *变形 *腐蚀
*松动 *卡死 *破裂
*短路 *泄漏

进行失效模式分析应先参考各种相关资料，如类似设计之FMEA试验报告、使用报告、失效报告等、以脑力激荡方式分析出所有可能之失效模式。
备注： 描述失效模式时应使用物理或技术用语、非使用者所见得到的征候。

(11) 失效效应

失效效应系指一失效模式之发生对于较高层组件、系统、车辆、顾客、与政府法规所可能造成的影响。

进行失效效应分析应先参考各种相关资料，如类似设计之FMEA报告、实际使用报告等，考虑零件可能在何时及如何失效，并针对以下方向，分析其影响：

(a)零件本身之功能 。 (b)较高层组件之功能。
(c)系统之功能。 (d)车辆之运转、操控与安全。
(e)顾客之感觉 。 (f)政府法规之符合性。

一个失效模式可能会造成多个失效效应，分析后将每一个可能之失效效应填入，若有影响驾驶安全或不符合政府法规之可能时，应加以详加说明，注明法规条款。
以下为一些典型的失效效应，可供参考：

*噪音