P图在汽车工程中的应用
应用准则，方针和最佳实践
作者：Ralf Fritzsche
翻译:孙文祎
注1:从该链接的ppt42页起，有一个从功能图->边界图->p图->FMEA的完整设计流程，我觉得比这篇翻译的文章要好理解一些。P图能方便于设计FMEA，两者的作用是一致的，我理解是P图是比FMEA更具体，更便于设计。以后在做PFMEA的过程中，可以考虑走功能图->边界图->p图->FMEA的流程。可靠性分析技术(FMEA).pptx
在汽车行业中P图用于描述工程系统或进程。应用工程师需要确定能使系统获得期望输出的物理输入，以及由于能量转移导致的、客户认定的不期望的输出。此外，应该辨认那些可能会干扰或削弱期望输出或可用来改善输出的参数。从理论上讲，这似乎很容易做到，但实际应用中常常被误解，因为有个体解释的余地。该福特文章试图通过提供定义来明确区分。
1 引言
P图应被更广泛应用于产品的健壮性和可靠性领域。所以首先介绍一下这些术语。
在质量方面的健壮性是指某产品或工艺的功能不会受到参数变化的影响。工程上的挑战是如何使得系统在有噪音影响的情况下其理想功能变化不大。更高的目标是使系统在名义目标附近执行理想功能，同时副作用最小。从而最大限度地减少对理想的功能（提高健壮性）变化的收益必须兼顾成本。
健壮性可以被描述为系统所执行的功能与对它的需求功能之间的距离。能力与需求之间的这种分离是健壮性的一个标准，也可以描述为与故障模式的距离。
健壮性并不一定意味着设计是昂贵的、过重或过设计的。当系统有一个大的响应差异，即系统对于某种差异源（噪声）的影响十分敏感时，该系统也称为非稳健的。信噪比（田口使用的SAN比例）是一种已知的对健壮性的衡量，它用来定义设计的最优参数设定。
可靠性可以被定义为一个系统在规定的时间，里程数或周期内，在噪声存在的情况下完成预定功能的概率。它还要考虑客户期望系统达到或超过预期的功能，并且在系统或车辆指定的寿命内能够满足规定的功能，如对于主系统的变速箱或发动机要求的十年或150,000英里。
对于像刹车片、雨刷、火花塞或轮胎等易磨损部件应用更短的时间或里程。至关重要的是，此系统与客户相关的使用情况必须是已知的，并要融合到设计之中。可靠性衡量值如下：
- 制造过程的MTBF
- 机器的MTTF
- 每千辆汽车的修理数量
- 一个滚子轴承的B10寿命。
2 产品描述
在创建P图（图1）之前，团队应该首先用边界图（图2）描述系统。这对于描述哪些部件属于该系统和它们之间的连接关系、甚至是各部件在系统边界外它们与系统之间的相互作用不可缺少的。通过定义系统边界，工程的范围和责任会被明确划分。
汽车防滑链
因此，P图应该由设计者、客户发布工程师和供应商发布工程师组成的团队来共同构建。他们必须有完整的授权在边界内改变设计参数（控制因素），以提高系统性能。一个包含核心工程人员、质量人员、制造和测试人员的支持团体，可在有请求时帮助团队[1][2][3][5]。
2.1 输入信号
输入可能来自多个方面，例如客户冲动、周围的系统或环境等，它们可能直接导致系统的响应。这些输入应该由测量范围和尺度（变化数据）来指定，描述完成系统功能所需的能量来
源。如果想实现一个转移功能，这些信号是输入变量(X)，应该转化为理想的响应(Y),见图3。
输入信号不应该是描述性的属性数据，如“好或坏”、“通过或失效”，或二进制数据（0或1），因为与功能描述相关的变化的能量不可能是这些值。下面是一些输入信号的特征举例：
变速杆行程（mm）
速度（m/s）
加速度（in/s2）
手动或踩踏力（N）
输入的扭矩（Nm）
电压（V）
工作角度（°）
输入功率（kW）
流体压力（N/mm2）
转速（rpm）
动能（J）
温度（°C）
2.2 理想响应
理想响应可描述为各种输入信号在能量转移下，系统主要的满足设计意图的功能输出。
它可以描述为转移功能函数的有用的功能结果。另外，它也可以是一个系统或质量目标。
在现实世界中，能量转移和与之伴随的响应会或多或少地受干扰噪声因素的影响。
对每一个响应应该用一个带国际单位的可测量的范围表示。由于能量转移，大部分单位会从原始的度量单位转换（例如用N表示的输入信号和用Nm描述的响应信号）。一个理想的响应
应该包含系统在传递它的理想响应或任何属性数据时不可避免的效率损失。下面是汽车行业一些理想响应的举例：
开合力（N）
输出扭矩（Nm）
轴角°
离合器踏板行程（mm）
加速或减速的加速度（m/s2）电压（V）
发动机功率（kW）
转速（rpm）
从最佳实践角度，避免使用以下的表达来描述理想响应：
故障、不良率、无效
屈服
通过或失效
可靠性
2.3 固有损失
达芬奇是已知的首位表明没有永动机的科学家，自他去世后没有人可以否认该点，见图4。
所以作为一个符合逻辑的结论，很明显一个闭环的汽车系统必须伴随效率和能量的损失。工程师的一个主要任务就是减少这种损失，但是，损失不能被完全避免。因此，在p图中应该考虑这些无用但正常的系统输出，将它们作为能量转移的固有损失。典型地例子是废气、摩擦、热、振动和排放。
2.4不期望的副作用
该类包含所有从工程观点和客户角度所不期望的系统输出。客户抱怨可能来自于人类感官的五个方面，包括触觉、听觉、嗅觉、视觉和味觉。
如果关于前四个方面的任何一个超出了客户的接受极限（例如系统工作但操作很吃力），客户就会抱怨。
换句话说，系统可能运作良好，但有一些副作用。例如空调可以给车辆内部降温，但会产生难闻的气味。导致这些副作用的潜在因素可能来自周遭的噪声干扰，它会使系统薄弱。这些缺陷必须能检测出或加以解决，或者至少通过对控制因素的最佳调整将其减少到一个较低水平。不期望的副作用应该在相应的潜在功能故障模式的D-FMEA-列中作为潜在影响列出。
不期望的副作用不应该与D-FMEA中确定的故障模式相混淆，因为所有的FMEA故障模式都与功能描述相关，从而两者有相同的物理单位，而副作用用不同的SI单位。典型的不期望的副作用如泄漏、过热、空转不平滑、不寻常的噪音、风噪声、吱嘎声、难以操作、漏水、刹车噪音或难闻的气味。
2.5 控制因素
在系统边界内的可由责任工程团队修改的设计参数可以作为控制因素。它们是设计项目，能直接影响系统输出，能按等级划分为离散的或连续的值W。这些因素可以被调整，使它对成本、资源和技术影响的最小化。这些因素是可调的，工程师可以利用它们来提高系统的健壮性。通常情况下，试验设计可以产生最优的控制因素水平。控制因素也可以看作潜在的设计项目来检查D-FMEA中的潜在原因。