基于FMEA-FTA的汽車頭道密封條粘貼失效分析

作者簡介：侯雙超（1990—），男，工程師，碩士學位，研究方向為車身機電系統設計和測試。

參考文獻引用格式：

侯雙超. 基于FMEA-FTA的汽車頭道密封條粘貼失效分析[J]. 汽車工藝與材料， 2024（5）： 35-42.

HOU S C. Degumming Analysis of Car Door Sealing Strip Based on FMEA-FTA[J]. Automobile Technology & Material， 2024（5）： 35-42.

摘要：為了保證頭道密封條在產品全生命周期內的粘貼可靠性，從零件設計、制造、裝配等全流程入手，建立了頭道密封條粘貼失效全流程故障樹分析（FTA）模型，對頭道粘貼存在的各種失效事件進行分析，并找到40個相應的底事件，利用底事件進行失效模式及影響分析（FMEA），評估各個脫膠失效模式的風險指數和行動優先級（AP），找到改進的高優先級2個，中優先級4個，并實施相關改進措施解決脫膠問題。

關鍵詞：頭道密封條 FTA FMEA 失效分析 脫膠

中圖分類號：U463.8? ?文獻標志碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220407

Degumming Analysis of Car Door Sealing Strip Based on FMEA-FTA

Hou Shuangchao

（SAIC VW Co.， Ltd.， Shanghai 201805）

Abstract： To ensure the adhesion reliability of door sealing strip in the whole life cycle of the product， the Failure Tree Analysis （FTA） model of door sealing strip degumming was established considering the whole process of part design， manufacturing， assembly etc.， to analyze various failure events， and 40 corresponding bottom events were identified， which were used to conduct Failure Mode and Effect Analysis （FMEA）， to evaluate risk index and Action Priority （AP） of each degumming mode. 2 high priorities and 4 medium priorities for improvement were identified that were implemented to solve degumming.

Key words： Door sealing strip， FTA， FMEA， Failure analysis， Degumming

1 前言

隨著膠帶粘貼技術的革新，越來越多的主機廠采用膠帶粘貼來代替傳統的機械卡扣連接。相對于卡扣結構，膠帶粘貼有如下優勢：無須在車身鈑金上打孔，維持了材料的完整性，避免鈑金銹蝕；避免焊接、螺栓連接造成的變形、凸起物等影響外觀的問題；消除了過多結構配合帶來的連接面縫隙，提高了整體品質。工業生產中，最常用的是壓敏膠帶，使用時無須溶劑或加熱等預處理過程，只需要施加特定的力，足夠的內聚力和彈性可獲得足夠的黏貼力，即可切割成任何形狀。

頭道密封條作為車門密封系統的核心零件，其粘貼精度和質量對車門密封性、高速風噪、開關舒適性、使用壽命、產品外觀等汽車品質衡量指標有重要影響。設計要求主要有：防止進水、盡量減少灰塵進入、盡量降低風噪、符合開關門舒適性要求、良好的外觀。對于如上設計要求，膠帶結構明顯優于卡扣結構。

盡管膠帶粘貼有諸多優點，如何保證在產品全生命周期內粘貼的可靠性一直是一個挑戰性課題。基于FMEA-FTA分析方法，首先建立頭道密封條粘貼失效全流程故障樹分析（Fault Tree Analysis， FTA）模型，對頭道粘貼存在的各種失效事件進行定性分析，建立頂事件故障樹，并找到相應的底事件；再利用底事件對各個相應失效模式的影響進行失效模式及影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）分析，評估各失效模式的嚴重度S（Severity）、發生度O（Occurrence）和探測度D（Detection）3個風險指數以及相應的行動優先級（Action Priority，AP），對各失效問題提供相應的解決方案，進而重點關注主要風險點，使得粘貼失效得到有效解決并穩定控制。

2 FMEA-FTA方法

FMEA作為一種自下而上的歸納分析法，需要運用專業知識進行風險識別，同時需要跨部門、跨公司的業務團隊合作，還需要跨設計、生產、裝配等階段的設計失效模式及影響分析（Design Failure Mode and Effect Analysis，DFMEA）、過程失效模式及影響分析（Process Failure Mode and Effect Analysis，PFMEA）綜合應用。無法進行多點分析失效，各失效模式之間無邏輯關聯，當僅考慮某種失效模式相關的分析時，不合適直接套用FMEA。對于具體未知問題，很難直接展開FMEA分析。而自上而下的演繹式分析方法如魚骨圖、失效樹、5why析方法、質量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）、標桿對比法等，用于具體特定問題的分析和解決非常有效，但很難作為經驗積累直接納入公司的知識架構FMEA庫。

FMEA-FTA綜合分析方法[1]是在FTA的基礎上進行FMEA。首先以特定問題事件作為頂事件出發，自上而下創建故障分析樹，包括確定失效模式，找到頂事件的直接原因或原因組合，并用邏輯門（與/或）連接，層層遞進找到各層次事件的直接原因或原因組合，直至各個相關的底事件[2]；然后通過FMEA對特定問題相關的底事件進行失效模式、影響和原因分析，評估每項的嚴重度、發生度和探測度以及AP優先級，并給出具體的優化方法和改進措施，結果文件化，并根據優先級實施相應的優化改進措施。相應的文檔化FMEA納入經驗教訓庫在下次重復和類似失效發生時調用和更新，至此完成自下而上的閉環分析。包含特定失效的所有環節，很容易用于進一步的優化和改進跟蹤。同時，納入公司的知識架構FMEA庫中，作為經驗教訓庫的核心部分。具體流程如圖1所示。

在汽車產品的開發過程中，零部件在整車工況下失效，需要從產品設計、制造和運輸、安裝和使用全流程分析失效發生的原因，不僅涉及整車制造商（Original Equipment Manufacturer， OEM）設計，還涉及到一級供應商（Tier1）零件設計和制造、OEM制造和裝配[3]。整車DFMEA，安裝PFMEA，零件DFMEA，制造、運輸PFMEA分別由OEM設計部門、OEM制造部門、Tier1和其分供方設計和制造部分編制和使用，相互之間僅有限互通，甚至相互封閉，不利于特定零件涉及全流程的失效分析。使用FMEA-FTA方法，從故障樹生成階段就考慮到全流程的各個方面，形成相應的底事件。在FMEA形成階段，實現針對特定失效事件的Tier1 DFMEA/PFMEA、OEM PFMEA、OEM DFMEA的互聯互通（圖2）。因為特定失效事件涉及到的失效原因和相關部門均強相關，信息互通有利于問題的快速響應和監督機制。失效的改進措施可以供相應負責部門編制和使用，整車廠（Original Equipment Manufacturer， OEM）DFMEA輸出設計指導書和試驗大綱等設計文件，OEM PFMEA輸出控制計劃、作業指導書等生產文件，Tier1 DFMEA/PFMEA 輸出零件工藝指導書、作業指導書、設計指導書等生產和設計文件。針對失效問題的分析和解決形成完整的經驗教訓數據庫，可以在整體系統層面給出合適的關注點和措施。

3 頭道密封條失效FTA分析

3.1 故障樹的建立方法

故障樹的建立步驟一般采用演繹法從頂事件開始由上往下循序漸進展開。通常把系統故障狀態作為頂事件，然后找到系統故障和導致系統故障的因素間的邏輯關系，將這些關系用特定的邏輯符號表示出來。關系OR表示串聯關系，任何一個因素都會導致故障；關系AND表示并聯關系，所有因素同時失效才會導致故障[4]。對于復雜的故障樹可以使用邏輯關系進行簡化。故障樹中各層事件均為由若干原因事件的組合引起的事件，底事件為無法再展開的事件。對于原因事件也可以進行拆分，將實際上可以繼續展開，但因缺乏資料或再展開無意義的事件定義為不展開事件；對不是故障或缺陷，是正常發生，也不再展開的事件，定義為正常事件。由上而下逐層分解，直至底事件、不展開事件、正常事件等不能展開事件為止，這樣就生成了一個完整的故障樹。

3.2 故障樹的建立

頭道密封條粘貼失效作為頂事件，失效原因分析從最直接而必要的原因入手，包括密封條零件失效、鈑金油漆粘貼面失效、粘貼過程和設備失效及粘貼后使用工況失效4個大類。原因事件的進一步分解從人、機、料、法、環入手，確保重要故障事件均考慮到。密封條零件失效包括OEM設計失效及Tier1設計和制造失效[6-7]兩個子事件。

以此分層次展開，對其原因進行分析，建立以邏輯門符號表示的頭道密封條粘貼失效故障樹，如圖3所示。

3.3 故障樹的分析

故障樹中各底事件均為“或”關系，每個底事件即為一個最小割集，可以作為FMEA的失效模式輸入的依據[5]。對于底事件，通過顏色將設計、制造、裝配，使用全流程的不同階段所涉及的OEM DFMEA、Tier1 DFMEA/PFMEA，OEM PFMEA類型進行區分，并對底事件標注不同的編號D、S、P（圖3），方便后續FMEA的輸入和失效風險評估。對于可能涉及2個不同類型FMEA的同一底事件，在2個原因事件下均包含該底事件。比如零件壓縮負荷太大故障，設計和制造都有可能造成，那么OEM設計下有壓縮負荷設計故障事件，Tier1制造有壓縮負荷制造故障事件。

通過故障樹可以看出，密封條粘貼涉及的過程比較復雜，引起的底事件較多，而每個底事件的重要程度有所不同。其中密封條底座斷面形狀為設計標準斷面，每個車型均一致，零件安裝工裝即按照此設計，如圖4所示，設置為正常事件；大眾集團目前所有車型使用均為該款膠帶，膠帶的粘貼特性比較清楚，該事件沒有必要展開，設置為不展開事件；鈑金油漆面的溫濕度只有在裝配階段才需要考慮，單獨看并不重要，正常外界環境的溫度濕度不會對油漆表面質量造成永久傷害，設置為不展開事件；插片形狀的設計和底座斷面配合，在底座斷面不更改情況下，插片形狀不需要更改，設置為不展開事件。

至此確定了需要輸入給FMEA的故障樹底事件，如圖3所示底事件（圓形）。

4 頭道密封條失效FMEA分析

4.1 FMEA的建立

FMEA將每個底事件作為輸入元件的來源，自下而上對每個輸入元件可能出現的問題及影響其完成的因素即失效模式和影響因素，分析引起故障的原因。利用DFMEA/PFMEA標準風險評估指標嚴重度S、發生度O、探測度D，對每個失效模式進行評分。根據評分查詢AP評分表（AIAG & VDA FMEA[3]第五版中代替原RPN評分，更加合理）設置高（H）、中（M）、低（L）3種行動優先級。根據AP值來判斷是否有必要改進及改進的優先級別。提供發生失效后的改進建議和補償措施，生成一張FMEA表格。根據劃分FMEA的類型，分配給OEM、Tier 1相應的FMEA庫存檔和更新維護。

其中，嚴重度S是確定失效模式的嚴重程度的指標，取值為潛在失效模式導致最終顧客、制造/裝配過程缺陷嚴重度值中較高的。發生度O是指某一個特定起因發生的可能性。探測度D是發現對該失效的探測方法成熟度和探測機會評級的指標。具體評價準測參見AIAG&VDAFMEA第五版中對DFMEA、PFMEA風險評估的準則[3]，分數越高，代表對應指標得分越高。

根據FMEA的建立方法對頭道粘貼失效生成一張FMEA表，見表1。

4.2 FMEA的分析

根據頭道粘貼失效行動優先級AP值可知，需要改進事件的優先級H為2個、M為4個。

其中，高優先級的是P8密封條安裝后軌跡偏移及P9實車存放環境溫度極端，均為OEM PFMEA部分。密封條安裝后軌跡偏移，會導致膠帶和油漆表面接觸配合不穩定，膠帶受剝離力大引起零件粘貼失效，進而影響密封條密封性、開關門舒適性、風噪等指標。優化方案是通過GOM設備白光掃描（圖5），確定零件粘貼軌跡的偏移方向和偏移量[6]，相應調整安裝工裝上插片位置，再完成一次白光掃描驗證優化效果。

實車存放環境溫度極端（圖6），是指整車剛下線，在極端高溫環境溫度下長時間暴曬后密封條和鈑金表面溫度65 ℃以上，2K清漆和該款膠帶的粘貼特性（最佳粘貼溫度15～30 ℃）會急劇下降[8]，在側圍和車門的擠壓力雙重作用下引起零件粘貼失效，可以使用表面活化劑或油漆表面等離子處理來改善2K清漆的粘貼特性[9]，或暴曬天氣下將剛下線車輛優先放置室內。

其中，中優先級的是D5密封條長度隨溫度波動大、P1 鈑金油漆表面的蠟污染、P7密封條安裝工裝的壓力不足、P9密封條安裝時環境溫度變化。DFMEA一項為密封條長度隨溫度波動大，由于密封條的主要材料是橡膠，作為一種溫度敏感材料，高溫下長度變化嚴重。在實心底座位置添加1根纖維繩可以使零件70 ℃下材料伸長量從1.2%左右降至0.7%左右[10]，對一根4 000 mm的密封條，溫度導致長度變化多達48 mm。PFMEA 3項中，鈑金油漆表面的蠟污染，由于油漆車間對腔體注蠟防腐，鈑金表面不可避免會有輕微蠟污染，需要在密封條安裝前使用特定的蠟清潔劑對鈑金表面進行清潔[6]。密封條安裝工裝的壓力不足和安裝時環境溫度變化（工廠溫度隨環境溫度，-10～40 ℃），都會導致膠帶的初始粘貼力小引起零件粘貼失效，需要分別采用對工裝調整、溫度箱保溫等優化方案。

5 結束語

汽車頭道密封條作為整車車門密封系統的核心部件，其粘貼可靠性的分析非常復雜，受到設計、制造、裝配和使用全流程影響，因此其故障發生可能性較高。從零件設計、制造、裝配等全流程入手，建立了頭道密封條粘貼失效全流程故障樹模型，對頭道粘貼存在的各種失效事件進行分析，并找到40個相應的底事件。結合FEMA-FTA的各自優點，利用底事件進行失效模式及影響分析，找到改進的高優先級2個、中優先級4個，實施相關改進措施解決脫膠問題，提高產品的可靠性。該研究也同樣適用于其他使用膠帶粘貼的零件粘貼全流程失效分析。

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