1、汽车产品可靠性工程技术 陈晓彤 北京运通恒达科技有限公司 2022年10月可靠性工程技术可靠性工程技术可靠性建模和计算技术故障模式影响分析FMEA可靠性评估技术可靠性设计技术可靠性试验技术产品是分层次的产品是分层次的从上到下的层次：系统、子系统、设备、组件、模块、零部件在本文中，除了零部件外，任何层次的产品都可以称为系统，而单元是系统的下级组成部分系统车身分系统门窗内装外装组件门内板玻璃窗密封条门锁可靠性预计技术可靠性预计技术可靠性预计是对产品或者系统的可靠性进行定量的估计，推测其可能达到的可靠性水平，是其从定性考虑转入定量分析的关键之处，是实施可靠性工程的基础。可靠性预计是根据组成系统的元器
2、件、零部件的可靠性来估计的，是一个自下而上、由局部到整体、从小到大的一种系统综合过程，它需要根据历史产品的可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境、元器件的工作应力和质量级别等因素来进行估计，主要用在产品的设计阶段。集成电路集成电路技术类型工作环境管脚数和位数工作应力质量级别封装类型可靠性预计模型可靠性预计模型GJB299BMIL-STD-217FBellcore失效率失效率电子产品可靠性预计电子产品可靠性预计案例三：电子产品可靠性预计案例三：电子产品可靠性预计 客户：固安信通铁路信号科技有限公司 产品：集成发码器 目标：可靠性参数计算可靠性参数计算 薄弱环节分析薄弱环节分析 案例链接
3、案例链接机械结构产品可靠性计算 可靠性量化 确定确定/缩减过于保守的设计缩减过于保守的设计 基于风险基于风险/成本的设计优化成本的设计优化 基于风险基于风险/成本的维修计划成本的维修计划-寿命周期费用的最小化寿命周期费用的最小化 弥补安全系数不能综合量化可靠性的不足弥补安全系数不能综合量化可靠性的不足 根据变量的重要度和以及系统的失效模式设计 确定关键变量确定关键变量 更好的资源配置更好的资源配置 降低高灵敏度降低高灵敏度 最优化设计最优化设计 简化可靠性测试 最小化满额度测试最小化满额度测试 利用试验来验证模型利用试验来验证模型 模拟高费用测试模拟高费用测试 可以分析更多的变量以及设计方案可
4、以分析更多的变量以及设计方案机械结构产品可靠性预计步骤机械结构产品可靠性预计步骤1.建立有限元模型，进行强度计算2.确定可能的失效点3.针对每个失效点确定失效函数4.确定随机变量5.随机变量参数设定6.选择概率分析方法7.仿真计算8.结果分析应力强度干涉分析机械结构应力强度干涉分析机械结构机械零件机械零件构成特征构成特征材料尺寸应力特征应力特征弯曲应力扭转应力构造数学模型构造数学模型概率分析方法概率分析方法变量随机化可靠度可靠度应力强度干涉模型应力强度干涉模型 机械零件的可靠性设计，就在于揭示应力及强度的分布规律，合理地建立应力与强度之间的力学模型，严格控制失效概率，以满足可靠性设计要求，因此
5、可以认为应力强度分布干涉模型是机械零件可靠性预计的基本模型。应力强度干涉模型应力强度干涉模型产品或零部件能够承受以上各种应力的程度，统称为产品或零部件的强度，用X表示，如果用函数的方式表示出来可以为：其中：Xi为影响强度的随机量，如零部件材料性能、表面质量、尺寸效应、材料对缺口的敏感性等。),.,(21nxXXXfX 应力强度干涉模型应力强度干涉模型施加于产品或零部件上的物理量，如应力、压力、温度、湿度、冲击等等，统称为产品或零部件所受的应力，用Y表示，用函数的方式表示出来可以为：其中：Yi表示为影响应力的随机量，如载荷情况、应力集中、工作温度、润滑状态等等。),.,(21nyYYYgY 应力
6、强度干涉模型应力强度干涉模型如果产品或零部件的强度X小于应力Y，则它们就不能完成规定的功能，称为失效。欲使产品或零部件在规定的时间内可靠地工作，必须满足义XY，即应力Y和强度X是相互独立的随机变量，所以Z也为一个随机变量，因此，产品或零部件的可靠度可以表示为：相应的累积失效概率可以表示为：0YXZ)0(ZPR)0(1ZPRF应力强度干涉模型应力强度干涉模型机械设计中，由于随机变量X与Y具有相同的量纲，因此，X和Y的概率密度曲线可以表示在同一坐标系上。从统计分布函数的性质可知，机械工程设计中常用的分布函数的概率密度曲线，都是以横坐标轴为渐近线的，因此，两概率密度曲线必定有相交的区域（图1中的阴影
7、线部分），这个区域就是产品或零部件可能出现失效的区域，称为干涉区。干涉区的面积愈小，零部件的可靠度就愈高；反之，可靠度愈低。另外，干涉区的大小也与概率密度函数的离散程度有关，虽然均值相同，但方差愈大，干涉区的面积愈大，所以可靠度愈低；反之，可靠度愈高。概率分析方法概率分析方法随机抽样方法标准标准 蒙托卡罗法蒙托卡罗法 (MC)(MC)重要抽样法重要抽样法(ISAMF,ISAMR,AIS1 and AIS2)ISAMF,ISAMR,AIS1 and AIS2)分层抽样法分层抽样法(LHS)LHS)解析法一阶矩法一阶矩法 (FORM)(FORM)二阶矩法二阶矩法 (SORM)(SORM)响应面法响
8、应面法(RSM)RSM)快速概率积分快速概率积分(FPI)(FPI)概率云图法概率云图法(MV_CONT(MV_CONT)基于均值的方法基于均值的方法 (MV,AMV and AMV+)(MV,AMV and AMV+)组合法响应面蒙特卡罗方法响应面蒙特卡罗方法AMV+AMV+自适应重要抽样法自适应重要抽样法(AIS)AIS)案例：燃气涡轮发动机转子风险评估案例：燃气涡轮发动机转子风险评估分析单位：SWRI分析工具NESSUS,DAWRIN,Patran,Nastran随机变量：案例：飞机操纵杆寿命分布计算案例：飞机操纵杆寿命分布计算分析单位:SWRI分析工具:NESSUS,ABAQUS随机变
9、量:R1R2R3R4R5RTotal=f(R1,R2,RN)可靠性关系模型系统可靠性度系统可靠性度System Rel=f(Subsys Rel)组件可靠度组件可靠度Asm Rel=f(Comp Rel)零件零件/元器件可靠度元器件可靠度Comp Rel=f(可靠度)子系统可靠度子系统可靠度SubSys Rel=f(Asm Rel)GoalsAnalysisR=e(l l)(-t)l l=Ln(R)-t系统任务可靠性计算系统任务可靠性计算案例四机械结构可靠性分析案例四机械结构可靠性分析 客户：北京理工大学 产品：某型号汽车产品的曲轴 目的：结构可靠性定量计算结构可靠性定量计算 案例链接案例链接
10、内内 容容可靠性建模和计算技术故障模式影响分析FMEA可靠性评估技术可靠性设计技术可靠性试验技术什么是什么是 FMEAFMEA？故障模式影响分析（Potential Failure Mode and Effects Analysis，简记为FMEA）是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重程度、检测难易程度以及发生频度予以分类的一种归纳分析方法。FMFailure ModeAnalysisE AEffectFMEA FMEA 的历史的历史二十世纪六十年代，起源于Apoll项目，NASA。1974年，MIL-STD-1629诞生，美国海军。
11、1976年，美国国防部确定FMEA所有武器采购的必要活动。七十年代后期，美国汽车工业采用FMEA作为风险评估工具。八十年代中期，美国汽车工业采用过程FMEA。1991年，ISO9000 推荐1994年，QS9000 强制2001年，FMEA 技术作为风险控制的主要手段之一。风险来源归类风险来源归类风险的发生是有概率的，但是是一定会发生的我们不可能消除所有的风险我们的目的是在有限的资源下最大可能地减少风险损失设计上的缺陷过程中的不足“不正确”的使用服务相关风险一定会发生导致风险损失FMEA FMEA 的类型的类型设计上的缺陷过程中的不足“不正确”的使用服务相关风险来源设计FMEAdFMEA系统
12、FMEA功能 FMEA设计 FMEA过程 FMEA(p-FMEA)应用 FMEA(a-FMEA)服务 FMEA(s-FMEA)常规的设计思路常规的设计思路当前是怎么设计的？可能会发生哪些问题？这些问题会导致什么后果？当前采用什么办法控制？效果如何？还需要做什么？过去发生过什么问题？还会发生什么问题？经验积累设计准则设计经验冗余设计工程计算试验确认进一步分析试验确认设计修改实际上这就是FMEA！FMEAFMEA的思路的思路风险在那里？风险在那里？设计缺陷过程问题使用问题服务问题风险的原因是什么？风险的原因是什么？风险的后果有多严重？风险的后果有多严重？发生几率有多大？发生几率有多大？当前控制措施
13、是什么？当前控制措施是什么？风险评价风险评价风险排序风险排序要解决哪些风险？要解决哪些风险？控制措施是什么？控制措施是什么？效果如何？效果如何？相对定量评价RPN风险1、风险2.排在前面的资源允许的可以解决的谁来做？什么时候做？预计效果试验效果实际效果FMEA FMEA 的分析表格的分析表格简单说明简单说明00000000000000000000输入输入是什是什么？么？故障模式分析故障模式分析故障模式故障模式名称名称代号代号故障模式故障模式名称名称代代号号故障模式故障模式名称名称代代号号故障模式故障模式名称名称代号代号断 裂01变 质15渗 油39摆 头44碎 裂02剥 落16漏 气30抖 动
14、45开 裂03异常磨损17渗 气31方向漂移46裂 纹04松 动18漏 水32歪 斜47点 蚀05脱 落19渗 水33飞 车48烧 蚀06压力不当20功能失效34窜气、窜油49油水混合54烧 坏07行程不当21性能衰退35速度不稳55击 穿08间隙不当22超 标36怠速不稳56塑性变形09干 涉23异 响37调速不稳57拉 伤10发卡(卡死、抱死、顶死)24过 热38功率突降58龟 裂11失 调25锈 蚀39损 坏59扭曲变形12堵 塞26密封不良41错位(位移)63故障影响分析故障影响分析对产品本身的影响对上级产品的影响对最终产品的影响对用户的影响对环境和法规的影响故障风险分析故障风险分析建
15、立风险判别准则严重度严重度发生度发生度检测度检测度计算风险顺序数RPNRPN严重度严重度发生度发生度检测度检测度风险判别 （一维）严重度（一维）严重度 （二维）严重度（二维）严重度&发生度风险矩阵发生度风险矩阵 （三维）风险顺序数（三维）风险顺序数严重度判别准则严重度判别准则后果后果 判定准则：后果的严重度判定准则：后果的严重度 级别级别无警告的严重危害 严重级别很高。潜在失效模式影响车辆安全运行和/或包含不符合政府法规情形。失效发生时无预警。10有警告的严重危害 严重级别很高。潜在失效模式影响车辆安全运行和/或包含不符合政府法规情形。失效发生时有预警。9很高 车辆/系统无法运行（丧失基本功能
16、）。8高 车辆/系统能运行，但性能下降。顾客很不满意。7中等 车辆/系统能运行，但舒适性/方便性方面失效。顾客不满意。6低 车辆/系统能运行，但舒适性/方便性方面性能下降。顾客有些不满意。5很低 装配和最后完工/尖响声和卡塔响声不符合要求，多数顾客发现有缺陷（多于75）4轻微 装配和最后完工/尖响声和卡塔响声不符合要求，50的顾客发现有缺陷。3很轻微 装配和最后完工/尖响声和卡塔响声不符合要求，有辨识能力的顾客发现有缺陷（多于25）。2无 没有可识别的影响 1严重度判别流程严重度判别流程故障故障影响安全吗？87丧失降低Yes910有预警无预警Yes65丧失降低Yes432多数用户部分用户少量用
17、户Yes影响基本功能吗？No影响附加功能吗？No是用户不满意的缺陷吗？No1NoDFMEA DFMEA 分析模板分析模板分析对象分析对象?1分析功能分析功能?2如何控制如何控制风险风险?8如何故障如何故障?3控制有效控制有效?9如何降低如何降低风险风险?11a综合风险综合风险程度程度?10影响影响?4严重程度严重程度?5故障原因故障原因?6发生可能性发生可能性?7何种措施何种措施?11b是否已实施是否已实施?12a实施后的实施后的风险风险?12bDFMEA DFMEA 实施过程实施过程1.成立FMEA 小组2.收集数据和资料 3.FMEA 会议讨论4.FMEA 信息输入5.纠正措施的落实6.F
18、MEA 闭环评审节流阀体的故障数据收集和整理节流阀体的故障数据收集和整理序号序号产品信息产品信息故障模式信息故障模式信息故障后果故障后果信息来源信息来源备注备注名称名称故障模式故障模式代码代码故障后果说明故障后果说明类别类别1怠速控制阀积碳88发卡；怠速不稳、加速不良3三包信息 11次，1次更换、10次维修卡死24怠速不正常；发动机加速不良3三包信息 85次，51次更换、34次维修 短路82输送信号不稳；怠速不正常；减速灭车3三包信息 7次，4次更换、3次维修断路83无法输送信号；减速灭车3三包信息 9次，9次更换信号不稳85怠速高；耗油量大；减速灭车3三包信息 19次，16次更换、3次维修堵
19、塞26怠速不稳；耗油量大3三包信息 10次，10次维修磨损17怠速不稳；耗油量大2三包信息 3次，3次更换损坏59怠速不稳；灭车；无怠速2三包信息 116次，99次更换、17次维修2节气门位置传感器不归零86费油；车抖3三包信息 2次，2次更换FMEA FMEA 工作管理工作管理数据管理数据管理工作计划工作计划闭环管理闭环管理DMFEA工作管理工作管理风险控制风险控制编号规则编号规则工作小组工作小组内内 容容可靠性建模和计算技术故障模式影响分析FMEA可靠性评估技术可靠性设计技术可靠性试验技术可靠性评估技术可靠性评估技术根据实际取得的故障和使用数据计算产品的可靠性参数值数据要求：来源于现场数据
20、或试验数据来源于现场数据或试验数据环境条件和工作条件基本符合任务剖面的要求环境条件和工作条件基本符合任务剖面的要求评估风险:评估风险来源于样本量的限制评估风险来源于样本量的限制用置信度描述评估风险用置信度描述评估风险一般采用单侧区间估计一般采用单侧区间估计可靠性评估的步骤可靠性评估的步骤1.数据收集2.数据的分析和整理故障数据的判定故障数据的判定剔除无效数据剔除无效数据数据统一和排列数据统一和排列3.分布的假设和检验4.可靠性参数估计指数分布产品的可靠性评估指数分布产品的可靠性评估21,222rLTMTBF式中：MTBFLMTBF单侧评估下限 T累积工作（试验）时间 r故障数量 卡方分布，可查
21、统计分布表，在Excel中的函数为CHIINV 置信度成败型产品的可靠性评估成败型产品的可靠性评估)(2),1(2(1111rnrFrnrRL式中：RL可靠度单侧评估下限 n累积试验次数 r累积失败 FF分布，可查统计分布表，在Excel中的函数为FINV 置信度内内 容容可靠性建模和计算技术故障模式影响分析FMEA可靠性评估技术可靠性设计技术可靠性试验技术可靠性设计技术可靠性设计技术可靠性设计准则相似产品发生过什么故障相似产品发生过什么故障当前产品是如何证实的当前产品是如何证实的电子产品可靠性设计降额设计降额设计容差设计容差设计热设计热设计机械产品可靠性设计静强度设计静强度设计疲劳与断裂疲劳
22、与断裂磨损与腐蚀磨损与腐蚀3 3 可靠性试验技术可靠性试验技术 可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段。其目的是：筛选：筛选：发现产品在设计、材料和工艺方面的各种发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷，避免有缺陷的产品流到客户；缺陷，避免有缺陷的产品流到客户；增长：增长：为产品的可靠性设计改进、减少维修和保为产品的可靠性设计改进、减少维修和保障费用提供提供信息，通过设计改进提高产品的障费用提供提供信息，通过设计改进提高产品的可靠性水平；可靠性水平；鉴定：鉴定：确认是否符合可靠性定量要求。确认是否符合可靠性定量要求。TB=交付时间点交付时间点TW=耗损时间点耗损时间点早期失效
23、期早期失效期偶然失效区偶然失效区耗损失效区耗损失效区TwTB制造缺陷制造缺陷工艺缺陷工艺缺陷元件缺陷元件缺陷固有缺陷固有缺陷耗损故障耗损故障时间时间失效率失效率浴盆曲线浴盆曲线浴盆曲线和可靠性试验浴盆曲线和可靠性试验筛选试验增长试验鉴定试验可靠性试验的分类可靠性试验的分类可靠性试验可靠性试验工程试验工程试验统计试验统计试验应力筛选应力筛选可靠性增长可靠性增长可靠性鉴定可靠性鉴定可靠性验收可靠性验收Burn InESSHASSHASARGTHALTRETPQTALTORT Periodic Retest 态度决定一切态度决定一切！修正模式:主动的方法:尽早开展增长试验典型结果:健壮可靠的产品想方
24、设法让它坏!观察模式:被动的方法:可能进行很少的试验典型结果:后期问题突出但愿它不要坏!可靠性试验是一个循环的过程可靠性试验是一个循环的过程初始设计初始设计样机增长试验样机增长试验分析结果分析结果改进改进Test-fix-test-fix工作下限工作上限破坏上限破坏下限USLLSL技术规范Step 4Step 3Step 1Step 0Step 2连续的应力剖面连续的应力剖面“分步实施的应力剖面分步实施的应力剖面ALT/HALT分步实施以发现：分步实施以发现：针对工作界限(ALT)针对破坏界限(HALT)缺陷和故障模式加速寿命试验ALT和HALT设计余度设计余度活塞环加速试验活塞环加速试验选择合适选择合适的应力和的应力和等级等级重新设计重新设计步进应力步进应力到工作极限到工作极限步进应力步进应力到破坏极限到破坏极限重新设计重新设计可以/需要改进吗？可以可以/需要需要改进吗改进吗？确定工作极限确定工作极限确定破坏极限确定破坏极限YesYesALT/HALT 的流程的流程NoNo 高温 低温 温变率 振动等级 电压 通电频率 其他ALTHALT步进应力示意图步进应力示意图谢 谢！
