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第二章 汽车零部件的失效理论,返回,2-1 汽车零部件失效概述,2-2 汽车零部件的磨损失效,2-3 汽车零件的疲劳断裂失效,2-4 汽车零件的腐蚀失效,2-5 汽车零件的变形失效,2-6 失效模式影响及危害性分析(FMEACA),2-7 故障树分析(FTA),本章重点,1、了解汽车零件失效的类型和原因； 2、熟悉零件失效的形式和机理； 3、掌握失效模式影响及零件失效分析的方法。,返回,2-1 汽车零部件失效概述,2.1.1 汽车零件失效概念 汽车零件的失效（故障）：指汽车在运行过程中，零部件逐渐丧失原有的或技术文件所要求的性能，从而引起汽车技术状况变差，直至不能履行规定的功能。,返回,下一页,事故的危害影响：,用户：影响使用，造成人车的事故，维修费加大， 社会：造成不良的社会影响，资源的浪费，社会公害加剧。 厂家：经济损失，无形的损失更多品质、口碑,失效一般用于不可修复产品，故障则用于可修复产品,2-1 汽车零部件失效概述,2.1.2 汽车零件失效类型 1.失效的分类 汽车整机的失效通常是由某个零部件首先损坏而引发的。而汽车零件的失效大致有以下几种形式： 一是过量变形，以致在机构中失去功能 二是磨损或腐蚀造成表面损伤，影响到机构的精度或灵敏度等； 三是断裂事故，这往往造成灾难性后果。 根据失效的原因、性质、机理、程度、产生的速度、发生的时间以及失效产生的后果，将失效进行不同的分类。见表2-1。,返回,下一页,上一页,2-1 汽车零部件失效概述,2.汽车零件常见的失效模式 所谓失效模式就是失效所表现的形式。 汽车零件常见的失效模式类型见表2-2。 而汽车零件的主要失效模式则有零件的磨损、变形、疲劳损坏、热损坏和老化、腐蚀损坏等。,返回,下一页,上一页,（1）磨损。包括磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损。 （2）疲劳断裂。包括高应力低周期疲劳、低应力高周期疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳等。 （3）腐蚀。包括化学腐蚀、电化学腐蚀、穴蚀等。 （4）变形。包括弹性变形、塑性变形等。 （5）老化。包括龟裂、变硬，如橡胶轮胎、塑料器件的老化。,2-1 汽车零部件失效概述,2.1.3 汽车零件的失效原因 汽车零件的失效原因主要有零件本身的物理耗损以及使用条件的影响。 1.汽车零件的耗损 2.使用条件对汽车零件技术状况的影响 （1）道路条件的影响。 （2）运行条件的影响。 （3）运输条件的影响。 （4）气候条件的影响。 环境温度的影响。图 2-1 表明有一个故障率最低的环境气象温度 。图2-2也表明有一个气缸磨损最小的冷却液温度。 环境湿度和风速的影响。 （5）维修水平的影响。,返回,下一页,上一页,2-2 汽车零部件的磨损失效,2.2.1 汽车零件的摩擦 1.概念 两物体相对运动使其接触表面间产生运动阻力的现象称为摩擦，该阻力称为摩擦力。 2.分类 按零件表面润滑状态的不同，摩擦可分为干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦四类。,返回,下一页,2.2.2 汽车零件的磨损 1.磨损的概念 零件摩擦表面的金属在相对运动过程中不断损失的现象，称为零件的磨损。磨损的发生将造成零件形状尺寸及表面性质的变化，使零件的工作性能逐渐降低；但磨损有时候也是有益的，如磨合。 2.磨损的分类 依摩擦原理的不同，磨损可分为磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。,2-2 汽车零部件的磨损失效,（1）磨料磨损。磨料磨损的定义形式、影响因素及减轻措施见表2-3。 （2）粘着磨损。粘着磨损的定义机理、影响因素和减小措施见表2- 4。 （3）疲劳磨损。疲劳磨损的定义、分类、产生机理和减小措施见表2-5。 （4）腐蚀磨损。腐蚀磨损的定义、分类及减小措施见表2-6。 2.2.3 影响汽车零件磨损的因素及磨损规律 1.影响汽车零件磨损的因素,返回,下一页,上一页,2-2 汽车零部件的磨损失效,（1）材料性质的影响。 （2）加工质量的影响。 （3）工作条件的影响。,返回,下一页,上一页,2.汽车零件磨损规律 磨损特性曲线。从图 2-3 中可以看出，零件磨损可分为三个阶段。 （1）第一阶段，磨合期(oa段)。 （2）第二阶段，正常工作期(ab段)。 （3）第三阶段，极限磨合期（曲线 b 点以后）。 由上述可知，降低磨合期的磨损量，减缓正常工作期的磨损，推迟极限磨损期的来临，可延长零件的使用寿命（如图2-3中虚线所示）。,2-3 汽车零件的疲劳断裂失效,零件在交变应力作用下，经过较长时间工作而发生的断裂现象，称为疲劳断裂。其特点为： （1）疲劳条件下的破断应力低于材料的抗拉强度b，而且低于屈服强度b。 （2）无论是塑性材料还是脆性材料做成的零件，在交变应力的作用下，一般都在疲劳裂纹扩展到一定程度后发生突然破坏，而且疲劳断裂过程在宏观形貌上没有留下明显的塑性变形。 （3）疲劳破坏的宏观断口有其独特的形貌，典型的宏观疲劳断口分为三个区域：疲劳源（或称为疲劳核心）、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。,返回,下一页,2-3 汽车零件的疲劳断裂失效,2.3.1 疲劳断裂失效的分类 疲劳断裂失效的分类见表2-7。 而根据零件的特点及破坏时总的应力循环次数，疲劳失效可按图2-4所示分类。对于不同类型的疲劳失效，其分析方法是不同的。 汽车零件一般多为低应力高周疲劳断裂。 2.3.2 疲劳断裂失效机理 金属零件疲劳断裂实质上是一个累积损伤过程，大体上可划分为滑移、裂纹成核、微裂纹扩展、宏观裂纹扩展、最终断裂几个过程。 图2-5 延性金属中由外载荷作用造成的滑移； 图2-6 疲劳裂纹扩展的两个阶段。,返回,下一页,上一页,2-3 汽车零件的疲劳断裂失效,返回,下一页,上一页,气缸体断裂端面侧面,端面裂纹,活塞损坏,断裂后的主轴承盖,气缸体断裂端面,返回,2-3 汽车零件的疲劳断裂失效,2.3.3 疲劳断口宏观形貌特征 典型的宏观疲劳断口一般分为三个区域：疲劳源区或称疲劳核心区 、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图 2-7 所示。,返回,下一页,上一页,A.疲劳源区宏观特征: 氧化或腐蚀较重,颜色较深; 断面平坦、光滑、细密,有些断口可见到闪光的小刻面; 有向外辐射的放射台阶或放射状条纹; 在源区虽看不到疲劳弧线,但有向外发射疲劳弧线的中心。 B.疲劳裂纹扩展区：疲劳弧线。 C.瞬时断裂区：出现放射区和剪切唇。其宏观特征与带尖缺口一次性断裂的断口相近,2-3 汽车零件的疲劳断裂失效,载荷的类型、应力集中和名义应力的大小对疲劳断口宏观形态的影响见表2-8。 2.3.4 提高汽车零件抗疲劳断裂的方法 1.延缓疲劳裂纹萌生时间 其方法有强化金属合金表面，控制表面的不均匀滑移（如表面滚压 、喷丸以及表面热处理等）。 细化材料晶粒可提高疲劳强度极限； 采用热处理方法使晶界呈锯齿状或使晶粒定向排列并与受力方向垂直，以防晶界成为疲劳裂纹扩展的通道。 另外，提高金属材料的纯洁度，减小夹杂物尺寸以及提高零件表面完整性设计水平，尽量避免应力集中的现象等，都是抑制或推迟疲劳裂纹产生的有效途径。,返回,下一页,上一页,2-3 汽车零件的疲劳断裂失效,2.降低疲劳裂纹扩展的速率 其主要方法有止裂孔法、扩孔清除法、刮磨修理法。 止裂孔法是在裂纹扩展前沿钻孔，以阻止裂纹继续扩展；扩孔清除法是在不影响强度的前提下，采用扩孔方法加大已产生疲劳裂纹的内孔直径，将疲劳裂纹清除；刮磨修理法是用刮磨方法将零件局部表面已产生的裂纹清除。此外，还可以在裂纹处采用局部增加有效截面或补贴金 属条等降低应力水平的方法，以阻止裂纹继续产生与扩展。 3.提高疲劳裂纹门槛值 金属零件裂纹扩展的门槛值是指疲劳裂纹不扩展（稳定）的最高应力强度因子幅。其值一般由试验直接确定。,返回,下一页,上一页,2-4 汽车零件的腐蚀失效,返回,下一页,定义：零件受周围介质作用而引起的损坏,分为化学腐蚀 和电化学腐蚀。,20%以上的零件因腐蚀而失效。,1.化学腐蚀失效机理： 化学腐蚀是金属与介质直接发生化学作用而引起的损伤,如铁在空气里：4Fe+3O2=2FeO3 3Fe +2O2=Fe3 O4,2-4 汽车零件的腐蚀失效,返回,下一页,上一页,2.电化学腐蚀失效机理： 电化学腐蚀是两个不同的金属在一个导电溶液中形成一对电极，产生电化学反应而发生腐蚀的作用，使充当阳极的金属被腐蚀。,其它的电化学腐蚀 浓度腐蚀 析氢腐蚀 燃气腐蚀,图 2-8 为钢在电解液膜下的电化学腐蚀过程。,2-4 汽车零件的腐蚀失效,3.防止金属腐蚀的措施 防止化学腐蚀的方法有：正确选用金属材料并合理设计金属结构；添加缓蚀剂、去除介质中有害成分；隔离有害介质以及电化学保护法。 汽车上主要用覆盖层保护的方法来防止部分汽车零件的电化学腐蚀 ，覆盖层有金属性的，如镀铬、镀锡（铬和锡的耐腐蚀性很强，可以保护金属内部）等。非金属覆盖层用得最广泛的是油漆，其次是塑料。有些零件用化学或电化学方法在零件表面生成一层致密的保护膜，如生成的蓝色层氧化膜、磷化而生成的磷化膜，都是防止电化学腐蚀的有效方法。,返回,下一页,上一页,2-5 汽车零件的变形失效,2.5.1 零件变形失效的类型及变形机理 零件在使用过程中，由于承载或内部应力的作用，使零件的尺寸和形状改变的现象称为零件的变形。变形是零件失效的一个重要原因。 零件变形失效的类型有弹性变形失效、塑性变形失效和蠕变变形失效。 1、零件在外力作用下发生弹性挠曲，其挠度超过许用值而破坏零件间相对位置精度的现象，称为弹性变形失效。 2、零件的工作应力超过材料的屈服强度而产生塑性变形所导致的失效，称为塑性变形失效。 3、蠕变是指材料在一定应力（或载荷）作用下，随时间延长，变形不断增加的现象。蠕变变形失效是由于蠕变过程不断发生，产生的蠕变变形量或蠕变速度超过金属材料蠕变极限而导致的失效。,返回,下一页,2-5 汽车零件的变形失效,2.5.2 零件变形失效的影响因素,返回,下一页,上一页,1）内应力、残余内应力 2）工作温度、修理和装配精度 3）材料、结构、工艺,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),对零件进行综合分析时常用的系统分析方法有按失效模式进行分析与按系统工程分析方法进行分析两种。 1.按失效模式进行分析 失效模式是一种或几种物理或化学过程所产生的效应，导致零件在 尺寸、形状、状态或性能上发生明显变化，造成整台机器丧失原设计能力。根据零件的残骸（断口、磨屑等）的特征和残留的有关失效过程信息，可首先判断失效模式，进而推断失效的根本原因。,返回,下一页,2.按系统工程分析方法进行分析 这种方法是把产品看成一个系统，采用数学方法或计算机等现代化工具，研究系统故障率的原因与结果之间的逻辑关系，对系统构成要素、组织结构、信息交换等功能进行分析、设计、制造、维护等，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的。,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),2.6.1 FMEA概述 1.失效模式影响及危害性分析(FMEACA) FMEA（Failure Mode and Effects Analys）即失效模式及影响分析，这是一种可靠性设计的重要方法。FMEA是在系统研发设计过程中，以产品的元件、零件或系统为分析对象，通过对系统各组成单元潜在的各种故障模式及其对系统功能的影响与产生后果的严重程度进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法 FMEACA是一种在现代产品设计阶段广泛应用的、系统化的失效分析方法，它可以分为失效模式与影响（FMEA）和危害度分析（CA）两步。,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),根据工程的需要有时只进行失效模式分析（ FMA ），有时只进行失效影响分析（ FEA ），而危害度分析（CA）是在FMEA的基础上进行的，合并后统称FMEACA。 FMEA的思想起源是在20世纪50年代初期，美国第一次将其用于一种战斗机操作系统的设计分析。20世纪60年代，FMEA技术正式用于美国的航天工业项目Apollo计划。1974年，美国海军将其用于舰艇装备的标准舰艇装备的失效模式和后果分析，第一次用于军事项目的合约 。在1976年，美国国防部颁布了FMEA在设计方面的军用标准。此时，汽车工业将FMEA作为其零件设计和生产制造的会审项目的一部分。80年代初，产品事故责任的费用突生和法庭起诉事件发生，使FMEA成为降低事故的不可或缺的重要工具。1991年，IS09000 推荐使用FMEA提高产品的,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),过程的设计。1993年，包括美国 3 大汽车公司和美国质量管理协会在内的美国汽车工业行动集团组织编制了FMEA参考手册。FMEA在汽车零组件生产行业已被广泛应用，同时这也是美国三大车厂对所属供应商的强制性要求之一。作为风险控制的主要手段之一，FMEA技术还被广泛应用到其他行业，如医疗、粮食、运输、企业管理等部门。 由于产品故障可能与设计、制造过程、使用、承包商、供应商以及服务有关，因此FMEA的主要类型有概念FMEA（CFMEA）、设计FMEA（DFM EA）、过程FMEA（PFMEA）、设备FMEA（MFMEA）。 2.FMEA的作用和特点 FMEA是一组系统化的相互作用的活动，有以下作用。 发现、评价产品过程中潜在的失效及其结果。,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),确定与产品有关的过程潜在失效模式。 确定潜在设计或制造过程的失效起因，确定减少失效发生或找出失效条件的过程控制变量。 评价失效的潜在影响。 编制潜在失效模式分级表，然后建立考虑措施的优选体系。 减轻缺陷的严重性，因此必须对零件的结构设计做更改。 现代质量管理研究表明，产品质量首先是设计出来的，其次是生产出来的，而不是检测出来的。使用FMEA，能在设计或制造阶段发现产品设计的不足或存在的隐患，然后及时采取措施克服，使产品获得更高的可靠性。FMEA是一种归纳法，它分析每个零件的所有失效模式，归纳总结，能够定性地分析失效。,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),FMEA的主要特点是： 易懂。已被广泛接受，已经标准化，如在QS 9000 和 ISO/TS 16 949 中都对其有明确要求。 只能分析硬件。 时间花费长。 通常不能考虑失效与人为因素的关系等。 汽车行业进行FMEA分析，可以有效地提高产品质量，具体优点有： 确保所有的风险提前识别并采取相应的措施。 确保产品和优化后的措施的基本原理和有线等级。 减少废料、返工和制造成本。 减少外厂故障，降低保修成本。,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),减少“召回”的发生概率。 3.FMEA的应用注意事项 成功实施FMEA最重要因素之一是时间性，它是一个“事前行为”，而不是“事后练习”。要想达到最佳效益，FMEA的应用一定要注意时机 ，它必须在产品或过程的设计和开发完成之前进行和完成。在实施FMEA的过程中，应注意以下方面。 FMEA工作应与产品的设计同步进行，应在设计的早期阶段就开始进行FMEA。 对产品研制的不同阶段，应进行不同程度、不同层次的FMEA。 FMEA工作应由设计人员负责完成，责任应具体划分。 FMEA分析中应加强规范化工作，以保证产品FMEA的分析结果具有,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),可比性。 应对FMEA的结果进行跟踪与分析，以验证其正确性和改进措施的有效性，以备查考。 一般作为静态的单个因素分析法，在动态分析方面还不完善，若对系统实施全面的分析，还应与其他分析方法相结合。 2.6.2 FMEA的应用 FMEA的基本步骤如下。 根据设计文件，从功能、环境条件、工作时间、失效定义等各个方面全面确定设计对象定义；按重要程度的递降顺序分别考虑每一种工作状态。 针对每一种工作状态分别绘制系统功能框图和可靠性框图。,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),确定每一部件与接口应有的工作参数或功能。 查明一切部件与接口可能的失效模式、发生的原因与影响。 按可能的最坏影响评定每一失效模式的危害性级别。 确定每种失效模式的检测方法与补救措施或预防措施。 提出修改设计或采取其他措施的建议，同时指出设计更改或其他措施对各方面影响。 写出分析报告，总结设计上无法改正的问题，并说明预防失效或控制失效危害性的必要措施。 2.6.3 DFMEA 1.DFMEA概述 DFMEA 即设计 FMEA，是在一个产品设计概念形成之时或之前开始，,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),并且在产品开发各个阶段中，当设计有变化或得到其他信息时及时不断地修改，并在图样加工完成之前结束。其评价与分析的对象是最终的产品以及每个与之相关的系统、子系统和零部件。DFMEA 需要在体现设计意图的同时还应保证制造或装配能够实现设计意图。因此，虽然 DFMEA不是靠过程控制来克服设计中的缺陷，但其可以考虑制造和装配过程中技术的客观的限制，从而为过程控制提供了良好的基础。 进行DFMEA的意义如下。 设计要求与设计方案的相互权衡。 制造与装配要求的最初设计。 提高在设计 / 开发过程中考虑潜在故障模式及其对系统和产品影响的可能性。,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),为制订全面、有效的设计试验计划和开发项目提供更多的信息。 建立一套改进设计和开发试验的优先控制系统。 为将来分析研究现场情况、评价设计的更改以及开发更先进的设计提供参考。 2.DFMEA应用 DFMEA工作表见表2-9。 在 QS9000 FMEA中，规定了标准的 DFMEA 工作表，DFMEA 工作表各栏目的含义和填写方法如下。 第一栏（项目 / 功能）：填入将被分析的项目的名称和其他适当的信息（如编号、零件等级等）。利用工程图纸上标明的名称并指明设计等级。填入时，用尽可能简洁的文字来说明被分析项目要满足设计意图,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),的功能，包括该系统运行环境的相关信息，如果该项目有多种功能，且有不同的失效模式，要把所有功能都单独列出。 第二栏（潜在失效模式）：填入系统或零部件有可能未达到或未完成在项目 / 功能栏中所描述设计意图的种类（如预期的功能丧失）。潜在失效模式可能是更高一级系统的潜在失效模式的起因，也可能是比它低一级的零部件潜在失效模式的后果。对一个特定项目及其功能，列出每一个潜在失效模式，前提是这种失效可能发生，但不是一定发生。 第三栏（潜在失效后果）：填入失效模式对功能的影响，要根据可能发现或经历的情况来描述失效的后果，要清楚地说明该失效模式是否会冲击到安全性，或与法规不符，还要记住不同级别的系统、干系统和零件之间还存在着系统层次上的关系。比如，一个零件的断裂可能引起,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),总成件的振动，从而导致系统运行的中断，这种系统运行中断会引起性能下降。 第四栏（严重度）：填入对一个失效模式产生最严重影响的评价等级。严重度是在多个FMEA范围内的一个比较级别。要减少失效严重度级别数值，只能通过设计变更来实现。 第五栏（级别）：本栏可用来对需要附加设计或过程控制的零部件或系统的任何特殊产品特性等级加以分类（如关键、主要、重要、重点等）。特殊产品或过程特殊特性符号及其使用是由特定的公司政策所指示的。 第六栏（潜在失效起因 / 机理）：潜在失效起因是指一个设计弱点的迹象，其结果就是失效模式。在可能发生的范围内，列出所有可以想,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),到的每个失效模式的失效起因、机理。应该尽可能简明扼要、完整地将起因 / 机理列出来，使得对相应的起因能采取适当的纠正措施。 第七栏（频度）：频度是指在设计的寿命中某一特定失效起因、机理发生的可能性。描述出现的可能性的级别数是重在其含义，而不是具体的数值。通过设计更改或设计过程更改（如设计查检表、设计审查、设计指南）来预防或控制该失效模式的起因 / 机理是降低发生率级别数的唯一途径。 第八、九栏（现行预防设计控制 / 现行探测设计控制）：列出预防措施、设计确认、验证（DV）或其他活动。 第十栏（探测度）：是结合了列在设计控制中最佳的探测控制等级 。探测度是在个别的FMEA范围中的一个比较的等级。为了取得较低的探,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),测度数值，计划的设计控制（如确认、验证等活动）需要不断地改进。 第十一栏（风险顺序数 RPN ）：根据严重度（第四栏）、频度（第七栏）和探测度（第十栏）的选定情况，计算RPN值填入此栏。 第十二栏（建议措施）：在工程评审中，应该将高严重度、高 RPN值和其他被指定的项目视为首要注意方向。纠正措施的目的是要减少严重度、频度和探测度。在一般情况下，不论RPN大小如何，当严重度为9或10，必须要赋予特别注意，以确保通过现存的设计控制或预防 / 纠正措施降低该风险。在所有的状况下，当一个潜在失效模式可能对最终使用者产生危害的时候，应该考虑预防 / 纠正措施，以排除、减轻或控制该起因来避免失效模式的发生。在对 9 或 10 等级严重度特别注意之后，继续针对其他的失效模式进行纠正，以满足减少严重度、频度和探测度,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),的目的。 第十三栏（责任和目标完成日）：把负责对每一项建议措施执行的组织和个人名称，以及预计完成的日期填写在本栏中。 第十四栏（采取的措施）：当实施一项措施后，简要记录具体的措施和生效日期。 第十五栏（措施执行后的RPN）：当确定了预防/纠正措施后，估算并记录措施执行结果的严重度、发生率及探测度数值。计算并记录 RPN的结果。如未采取纠正措施，将相关的等级栏空白即可。所有更改后的等级都应该被评审。而且如果有必要，应考虑更改进一步的措施，重复分析，进行持续改进。 3.买施DFMEA的流程,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),DFMEA 是在最初生产阶段之前，确定潜在的或已知的故障模式，并提供进一步纠正措施的一种规范化分析方法；通常是通过部件、子系统/部件、系统/组件等一系列步骤来完成的。最初生产阶段是明确为用户生产产品或提供服务的阶段，该阶段的定义非常重要，在该阶段开始之前对设计的修改和更正都不会引起严重的后果，而之后对设计的任何变更都可能造成产品成本的大幅提高。 DFMEA 应当由一个以设计责任工程师为组长的跨职能小组来进行，这个小组的成员不仅应当包括可能对设计产生影响的各个部门的代表，还要包括外部用户或内部用户在内。DFMEA 的过程包括产品功能及质量分析、分析故障模式、故障原因分析、确定改进项目、制订纠正措施以及持续改进等6个阶段。实施DFMEA的流程如下。,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),编制产品或设计需求编制一份清单。该清单应该详列该产品应有的功能和不应有的功能。工作人员在编制时应将已知产品需求全部纳入清单。 研订产品或设计需求的可能不良模式（缺点）。所谓不良模式，指某一零件或装备件可能出现何种缺点，而使产品无法符合其原设计目的、性能或客户的期望。 研订缺点发生后可能的影响及其发生原因。在 DFMEA 的实施过程中需要明确产品缺点对其性能的影响；产品缺点形成的原因，应以出现于设计弱点者为准；原因和缺点都要详细、具体地列出。 进行设计验证。所谓设计验证，指对缺点产生原因的预防；或查证其原因或产生的结果。,返回,下一页,上一页,2-6 失效模式影响及危害性分析 (FMEACA),计算“风险优先数”。 将 RPN 依大小排列，以确定其轻重程度，并研拟改正行动。将算出的RPN依大小排列。其RPN最大者，应最优先采取必要措施。其目的在于降低其严重度、频度，或难检度的分数。倘若不采取有效的改正措施 ，则本项程序FMEA将毫无意义。 登记所采取的改正行动后再行估算 RPN。将已采用的改正行动及其完成日期登入记录；重新估计改正后的严重度、频度和难检度的计分 ，并在登入记录后，重新计算其 RPN。必要时应再采取行动，以求再行降低其RPN。 追踪查考。设计工程师应负责确认所有改正行动均已完成。 生成DFMEA报告。,返回,上一页,2-7 故障树分析(FTA),2.7.1 FTA概述 1.FTA的定义 故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）是20世纪60年代发展起来的用于可靠性、安全性分析和风险评价的一种方法。它主要是针对各种复杂系统与初样设计阶段进行可靠性安全性分析，用于系统的故障分析、预测和找出系统的薄弱环节，以便在设计、制造和使用中采取相应的改进措施。 FTA 是把系统所不希望发生的一个事件（即故障事件）作为分析的目标（顶事件），先找出导致这一事件（顶事件）发生的直接因素和可能的原因，接着将这些直接因素和可能的原因作为第二级事件，再往下找出造成第二级事件发生的全部直接因素和可能的原因，并依此逐级地,返回,下一页,2-7 故障树分析(FTA),找下去，直至追查到那些最原始的直接因素，例如系统最基本的元件可能存在的故障原因和机理、环境影响、人为失误、程序处理方面的问题等均为已知的，因而无须再深究的硬件和软件因素（底事件）。位于顶事件与底事件之间的中间结果事件称为中间事件。采用相应的符号表示这些事件，再用描述事件间逻辑因果关系的逻辑门符号把顶事件、中间 事件与底事件联结成倒立的树状图形。这种倒立树状图称为故障树，用以表示系统特定顶事件与其各子系统或各元件的故障事件及其他有关因素之间的逻辑关系。以故障树作为分析手段对系统的失效进行分析的方法称为故障树分析法（FTA）。 2.FTA的特点 归纳起来故障树分析有以下10个特点。,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),故障树分析是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法。它不局限于对系统作一般的可靠性分析，它可以围绕一个或一些特定的失效状态，作层层追踪分析。因而，在清晰的故障树图形下 ，表达了系统故障事件的内在联系，并指出了单元故障与系统故障之间的逻辑关系。 由于故障树能把系统故障的各种可能因素联系起来，因此，有利于提高系统的可靠性，找出系统的薄弱环节和系统的故障谱。 故障树可以作为管理人员及维修人员的一个形象的管理、维修指南，因此，用来培训长期使用大型复杂系统的人员更有意义。 通过故障树可以定量地求出复杂系统的失效概率和其他可靠性特征，为改进和评估系统的可靠性提供定量数据。,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),故障树分析的发展与电子计算机技术的发展紧密相连，图像信息技术也已经应用在故障树分析中，因此，编制计算程序是故障树分析中不可缺少的一部分。 故障树分析的理论基础，除概率论和数理统计外，布尔代数及可靠性数学中用到的数学基础同样应用于故障树分析的定量分析中。 故障树分析方法不仅应用于解决工程技术问题，而且开始应用于经济管理的系统工程之中。 故障树分析首先需要建树，建树过程复杂，需要经验丰富的工程技术人员、操作及维修人员参加，而且不同的人所建造的故障树不会完全相同。 系统越复杂，建树越困难，耗时越长。,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),数据收集困难。 2.7.2 故障树的建立 1.故障树分析法的步骤 故障树分析法通常因评价对象、分析目的、精细程度等的不同而异 ，但一般主要有故障树的建立、定性分析、定量计算等步骤。故障树分析法一般可按下列步骤进行。 对所选定的系统作必要的分析，确切了解系统的组成及各项操作内容，熟悉其正常的作业图。 对系统的故障进行定义，对预计可能发生的故障、过去发生过事例作广泛的调查。 仔细分析各种故障的形成原因，如设计、制造、装配、运行、环,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),境条件、人为因素等。 收集各故障发生的概率数据。 选定系统可能发生的最不希望发生的故障状态作为顶事件，画逻辑图。 对故障树作定性分析，确定系统的故障模式。 对故障树进行定量计算，计算出顶事件发生概率、各底事件的重要度、概率重要度、关键重要度等可靠性指标。 故障树是实际系统故障组合和传递的逻辑关系的正确而抽象的表达 。建树是否完善会直接影响定性、定量分析的结果，是关键的一步。因此，建树前应对所分析的系统及其组成部分产生故障的原因、影响以及各种影响因素和它们之间的因果关系有透彻的了解；建树后应当请设计,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),、运行、维修等各方面有经验的技术人员讨论，找出故障树中错误、互相矛盾和遗漏之处，并进行修改。一个复杂系统的建树过程往往需要多次反复、逐步深入和逐步完善。 2.故障树常用的符号图形、名称与含义 建树就是按照严格的演绎逻辑，从顶事件开始，向下逐级追溯事件的直接原因，直至找出全部底事件为止，最后得到一棵故障树。建树所用的符号有三类：事件符号、逻辑门符号及转移符号。故障树常用的符号图形、名称与含义见表2-10、表2-11、表2-12。 在完成建树准备工作后，即可开始建立故障树： 确定顶事件。 任何需要分析的系统故障，只要它是可以分解且有明确定义的，则,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),在该系统的故障树分析中都可以作为顶事件。因此，对一个系统来说，顶事件不是唯一的。但通常把该系统最不希望发生的故障作为该系统的顶事件。 建立故障树。 在确定顶事件之后，则将它作为故障树分析的起始端，找出导致顶事件所有可能的直接原因，作为第一级中间事件。将这些事件用相应的事件符号表示并用适合于它们之间逻辑关系的逻辑门符号与上一级事件（最上一级为顶事件）相连接。依此类推，逐级向下发展，直至找到引起系统故障的全部无须再追究下去的原因，作为底事件。这样，就完成了故障树的建立。 建树时应注意的事项：,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),选择建树流程时，通常是以系统功能为主线来分析所有故障事件并按逻辑贯穿始终。但一个复杂系统的主流程可能不是唯一的，因为各分支常有其自己的主流程，建树时要灵活掌握。 合理地选择和确定系统及单元的边界条件：在建树前对系统和单元（部件）的某些变动参数作出的合理假设，即为边界条件。这些假设可使故障树分析抓住重点时也明确了建树范围，即故障树建到何处为止 故障事件定义要具体，尽量做到唯一解释。 系统中各事件间的逻辑关系和条件必须十分清晰，不允许逻辑混乱和条件矛盾。 故障树应尽量地简化，去掉逻辑多余事件，以方便定性、定量分析。,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),3.故障树建立举例 现以汽车双管路制动系统故障树为例进行介绍，汽车双管路制动系统故障树如图2-9所示。 2.7.3 故障树的分析 1.故障树的定性分析 故障树的定性分析的主要任务就是寻找导致顶事件发生的所有可能的失效模式失效谱，或找出使系统成功的成功谱。即找出故障树的全部最小割集或全部最小路集。 故障树定性分析的原则： 比较小概率失效元件组成的各种系统失效概率时，其故障树所含最小割集的最小阶数越小，系统的失效概率越高；在所含最小割集的最,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),小阶数相同的情况下，该阶数的最小割集的个数越多，系统的失效概率越高。 比较同一系统中各基本事件的重要性时，按各基本事件在不同阶数的最小割集中出现的次数来确定其重要性大小；所在最小割集的阶数越小，出现的次数越多，该基本事件的重要性越大。 2.故障树的定量分析 故障树的定量分析的任务是利用故障树作为计算模型，在已知底事件发生概率的条件下，求出顶事件（即系统失效）的发生概率，从而对系统的可靠性、安全性及风险作出评估。 与门结构的输出事件发生的概率（并联系统发生失效概率）,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),或门结构的输出事件发生的概率（串联系统失效概率） 利用与门和或门结构的输出事件发生的概率公式即可直接计算出一般故障树的顶事件发生的概率。 例2-1 已知某发动机的故障树如图2-10所示，统计得到各底事件发生的概率为：C10.001，C20.10，C30.O1，C40.001，C50.001 ，C6 0.001，C70.001，C80.04，C90.03，C100.02，C110.O1, C120.O1，D10.02，D20.001，求系统的可靠度 Rs 。 解:首先计算中间事件的发生概率，由式,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),得 由式 得,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),得 由式 得 顶事件发生的概率为,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),故发动机不能启动的概率为0.073980，系统的可靠度为 由此可见，应用故障树分析可以根据单元的故障概率求出系统的故障概率，还可以通过对各单元的重要度的定量计算结果找出对系统失效影响最大的元件。因此故障树分析不仅可以指导故障诊断，制定维修方案和确定维修顺序，而且还可以综合其他因素，如保证最佳经济效益，改进系统结构，致使在各组成单元故障概率不变的情况下，减小系统的故障率，从而保证提高系统的可靠性。 3.FMEA与FTA的比较 综上所述，FMEA与 FTA是分析系统故障因果关系的两种常用而有效的技术。它们应用于系统的安全性、可靠性分析时，在产品的设计阶段,返回,下一页,上一页,2-7 故障树分析(FTA),就能找出系统可能发生的故障及其原因，并在设计、工艺等方面采取有效的改进措施，以提高系统的安全性和可靠性。表2-13列出了FMEA与FT A的比较。,返回,上一页,Thank You !,返回,返回,表2-1 失效的分类及定义,下一页,返回,表2-1 失效的分类及定义,上一页,返回,表2-2 汽车常见失效模式及分类,下一页,表2-2 汽车常见失效模式及分类,上一页,返回,返回,表2-3 磨料磨损的定义形式、影 响因素及减轻措施,返回,表2-4 粘着磨损的定义机理、影 响因素和减小措施,返回,表2-5 疲劳磨损的定义、分类 、产生机理和减小措施,返回,表2-6 腐蚀磨损的定义、分类 及减小措施,返回,表2-7 疲劳断裂失效的分类列表,返回,表2-8 各种类型疲劳断口宏观特征,返回,表2-9 潜在失效模式及后果分析 (设计FMEA),返回,表2-10 故障树常用的事件符号及释义,返回,表2-11 故障树常用的逻辑门符号及释义,下一页,返回,表2-11 故障树常用的逻辑门符号及释义,上一页,返回,表2-12 故障树常用的转移符号及释义,返回,表2-13 FMEA与FTA的比较,返回,图2-1 汽车故障率与环境温度,返回,图2-2 气缸磨损与冷却液温度,返回,图2-3 汽车零件磨损特性曲线,返回,图2-4 疲劳断裂失效的分类,返回,图2-5 延性金属中由外载荷 作用造成的滑移,返回,图2-6 疲劳裂纹扩展的两个阶段,返回,图2-7 疲劳裂纹的宏观断口示意图,返回,图2-8 钢在电解液膜下的 电化学腐蚀过程,返回,图2-9 汽车双管路制动系统故障树,返回,图2-10 发动机的故障树,
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