汽车质量、可靠性与耐久性的关系

汽车质量、可靠性与耐久性的关系“质量（Quality）广义来说，质量是包含可靠性的内容，我们这里指的是狭义的定义。（注：以下定义参考的是美国某权威机构对质量与可靠性的定义）。Qualityisconf”质量（Quality）：广义来说，质量是包含可靠性的内容，我们这里指的是狭义的定义。（注：以下定义参考的是美国某权威机构对质量与可靠性的定义）。Qualityisconformancetocustomerexpectations，翻译过来就是：质量是满足客户期望的能力。这个从字面上可能不太好理解，下面我详细解释一下。大家知道，对于任何一个产品的开发，复杂如一辆汽车，简单如一个小杯子，我们都需要去了解客户的需求或者期望。而客户的需求很多时候是非常主观的，比如客户往往会提出“我需要一个很酷的汽车”，或“我需要一个耐热的杯子”等等。但是这些主观的需求，在产品开发过程中很难衡量或测量，这就导致在产品开发过程中我们很难对其进行验证，最终也无法判断我们的产品是否能够满足客户的期望。比较常见的方法是通过QFD（QualityFunctionDeployment）的方法与流程将客户的主观需求或期望转换到产品可以衡量的指标（一般叫做产品的关键特性），然后在产品开发过程中，我们去设计产品，满足这些可以衡量的指标，从而间接地去满足客户的需求（注：QFD不是本文的重点，此处不展开，网上有大量文献读者可自行查阅）。如何判断最终的产品满足了客户的期望呢？一般我们会按照APQP或者ISO的标准来控制产品开发与制造过程，最终实现对客户期望的控制。这个就是传统质量做的事情，即我们常说的质量管理与过程控制，属于质量的范畴。理论上来说，最终出厂的产品质量都是合格的，否则产品是不能上市的。所以质量是关注产品出厂之前与出厂那一刻所有过程控制的活动（t≤0,t指的是产品开发时间节点，t=0指的是产品上市的那一刻）。可靠性（Reliability）：Reliabilityisqualityovertime这个定义很恰当，意思是可靠性是质量随着时间的变化，或者说可靠性是质量加了一个时间轴。通过质量过程控制（TS16949或ISO9001），满足了客户的期望，制造过程也稳定了，产品可以上市了。但是这个不代表你产品在存储与使用过程中没有问题，从产品投入市场之后（t0），甚至在交付到客户手里之前，可能就会有失效（比如汽车在运输以及4S店存储时间长了，可能有一些零部件会出现问题）。在产品使用过程中，产品的功能或质量有一个逐步退化的过程，从而会带来产品的失效。如何降低与控制在使用过程中产品失效问题，就是可靠性关注的内容。所以，可靠性是关注产品上市后（t0）的失效问题。下表从几个不同方面描述了质量(Quality)与可靠性(Reliability)的区别。耐久性（Durability）：耐久性实际上很多企业都在做这方面的工作，如整车耐久性测试，或者疲劳寿命分析等。国内企业很多人提起可靠性，以为就是疲劳分析，这个是很片面的理解或者说概念上就是错误的，因为疲劳分析只能分析理想状态下（某种设计状态下）理论的寿命预测，但是实际上每个零件的制造误差与变化以及使用过程中环境条件的不同，会导致同一批产品每个零部件的使用寿命的不同，如何评价一定臵信度下的零部件寿命，才是真正耐久性需要关注的问题。当然疲劳分析也是提高耐久性的一个不可或缺的手段。广义上来说，耐久性是含在可靠性的范畴的，但是从定义与指标以及工作方法上都是不同的。在讲耐久性之前，我们先来看一下如下图所示的典型浴盆曲线。浴盆曲线是了解可靠性工程最基本的曲线，本文简单介绍。典型大批量产品浴盆曲线上图横轴是产品上市后的运行时间（广义时间，也可以是里程，如整车运行里程），竖轴是产品故障率或叫失效率。对于大批量产品如汽车等，在投放市场后，到产品报废的整个寿命期内，失效率随着运行里程的变化基本上符合如上图所示的那条实线曲线，因为形状像浴盆，在可靠性工程领域一般称之为浴盆曲线（Bathtubcurve）。拿这个曲线来讲可靠性与耐久性就比较好理解。上面讲的可靠性，从指标上来说，实际上是关注的是竖轴，即失效率。耐久性关注的是横轴，即运行时间或里程，对于产品来说，实际上就是能够运行的时间或里程，即我们常说的寿命或耐久性的定义。对于可靠性工程而言，一般我们既需要关注产品的失效率（即可靠性问题），也要关注产品的寿命问题（耐久性问题）。这里还有一个概念要说明一下，就是可维修系统与不可维修系统。对于复杂的系统或者产品，如汽车、飞机或发动机等，在报废之前或者大修之前认为是可以维修的。到了上图所示的最右边的那个虚线点，即一般我们说的寿命点，就认为不可维修了，因为再使用下去，失效率激增，维修成本很高，不存在维修的价值了，到了这个点，产品基本上就报废了或者要大修。而对于单个零件或者某些小的系统单元，如果在使用过程中出现问题不维修，都是替换，我们就认为是不可修系统。不可修系统只讲寿命问题，这个概念需要清楚衡量指标与控制方法/流程-质量（Quality）的衡量指标与控制方法，按照上面的传统质量的定义，不是一个单一指标能够用来衡量产品质量的。按照APQP的流程来说，质量的控制与产品开发是同步的，从早期的客户需求管理、到产品目标的定义、设计过程质量控制、制造过程质量控制、再到生产过程问题闭环、售后问题的问题闭环等等，在各个阶段都有相应的要求与过程控制的方法。下图是质量控制的典型流程与活动。如果非要量化的话，理解更多是对产品缺陷（Defect）的控制，如常见的PPM（PartsPerMillion）（如10PPM代表不合格率为100/100万（万分之一），我们常说的6Sigma水平指的是3.4个PPM）。对于制造过程，一般会用一些过程控制的稳定性与一致性指标，如CPk（ComplexProcessCapabilityindex）来控制制成品不良率水平）或GR&R（GaugeRepeatability&Reproducibility）来控制量具的稳定性。质量过程控制方法一般通过APQP的流程来控制。关于APQP与质量体系的控制流程，这个比较成熟，在此不再赘述。同时，很多企业通过6Sigma流程来控制，如DFSS（DesignForSixSigma）与DMAIC（Define-Measure-Analysis-Improve-Control），最终实现的都是对缺陷的控制，确保最终出厂的产品满足一定的质量要求或水平，最终满足产品规格与客户的需求。可靠性（Reliability）的衡量指标与控制方法：前面讲到，质量关注缺陷，那么可靠性则是关注可维修系统的失效（或者故障）。一般在汽车行业用失效率（为了便于统计，汽车行业很多用失效数如F/U（单机失效数）、IPTV（IncidentsPerThousandVehicles即千台失效），3MIS(MonthinService)或12MIS等）来衡量。对一个产品来说，我们需要一个好的可靠性设计，保持失效率在比较低的水平，即上述的浴盆曲线相对竖轴的指标比较低（但也不是越低越好，因为失效率到了一定程度，再要降低，可能带来成本的激增。所以可靠性的目标需要在开发周期与成本之间进行平衡）。但是很多企业如整车企业，可能无法获得过保之后的数据，所以我们一般关注三包期内的失效率情况，或者用三包期内的数据通过统计分析来评价失效率水平，即产品的可靠性水平。当然，这里面还有一个概念叫使用率，下面我们用汽车为例来解释一下。简单来说，就是一个批次的汽车在特定使用情况下（如家用或出租）年平均使用里程。很多企业只用失效率来衡量汽车的可靠性，这在同样的使用率情况下是可以的，但是如果汽车年均使用里程不同，就不能只通过失效率来衡量，因为理论上来说，使用越多，失效数也会越高。这个也比较好理解，下面我们举个例子来说明一下。如我们比较两个车的可靠性水平，A车用于家用，一年平均使用里程2万公里，失效数（实际应用中我们一般用失效数而不是失效率，以便于统计，以下同）均值为1.5个/台。B车用于出租车，一年平均里程10万公里，失效数均值为3个/台，如果只比较失效，B的可靠性不如A，因为一年下来，B的失效为3个/台，比A的失效高。但是如果我们考虑了使用里程，就会发现A车运行了2两万公里就有1.5个失效，而B车运行了10万公里有2个失效，显而易见，B的可靠性比A要好。这里就需要引入另外一个概念，MTBF(MeanTimeBetweenFailure)或MKBF(MeanKilometerBetweenFailure)，即平均失效间隔时间/里程，这个理论上的定义是使用率/失效率，可以衡量产品的绝对可靠性。一般来说，同类产品，MKBF越高，说明可靠性水平越好。这个也是可靠性常用的指标。那么产品的可靠性如何来控制呢？经过国外多年的发展，已经形成了一套比较完善的控制流程，这个可能每个企业叫法不太一样，如可靠性增长流程（RGP-ReliabilityGrowthProcess，或可靠性设计流程（DFR-DesignForReliability）。简单来说，传统的汽车开发对于产品的失效控制是比较被动的，往往都是在产品试验出了故障，或者在使用过程中出了故障再去改进。如果等产品出现了故障再去解决，需要花费大量的人力、物力与时间。可靠性增长实际上是一种预防性的手段，即如何通过合理地设定产品可靠性目标，在产品开发的规划阶段制定合理的预防性措施，并在产品设计阶段就能够识别可能存在的失效风险，并通过有效的预防性措施来尽可能控制失效，减少产品在试验与试用过程中的失效。另外既然我们定义了可靠性的衡量指标，就需要在产品的可靠性设计与验证过程中来量化追踪指标，否则指标的确定就是一个噱头而已！大家都知道，产品的性能是比较容易追踪的，传统的仿真手段与试验手段可以分析与测量各种不同的整车性能，如动力性、经济性、安全性、各种力学性能如刚度、模态、动力学、NVH等等，但是失效率一般来说很难通过仿真手段模拟出来，一般通过统计或者寿命预计等方法来进行计算在一定臵信度下的概率水平。所以完善的可靠性增长的流程除了提供了一套完整的控制流程之外，一般还提供了对于可靠性指标在设计与试验过程中量化追踪的方法，使得在产品开发的各个阶段能够实时地知道产品的可靠性达到什么水平！下图展示了一个典型的可靠性设计流程实例以及相关技术。在国内尤其是汽车行业，目前大多数企业还没有形成自己完整的可靠性流程。很多企业其实也在产品开发的一些环节局部开展了一些工作，如FMEA(FailureModeandEffectAnalysis)、可靠性试验验证等，但是没有通过一套有效地可靠性流程将相关的工作串起来，不清楚各个工作之间的关联，另外也缺乏有效的手段在产品开发过程中追踪可靠性水平，逐步提高产品可靠性。同时有一点需要说明，可靠性体系的建立不是一朝一夕之功，需要企业不断积累与完善，毕竟可靠性不是某一两个部门的职责，而是需要各个相关职能一起参与，融入产品开发流程，才能够真正地发挥其作用。耐久性(Durability)的衡量指标与控制方法：对耐久性而言，在此提一下两个方面。一个是零部件的耐久性问题，其实就是单个零部件的寿命问题。另外一个是系统（如整车、发动机等）的耐久性问题。对于单个不可修零部件而言，不存在维修问题，所以也不存在平均维修间隔里程等，所以不能用失效数或者MKBF等可靠性指标来衡量，而应该通过零部件的寿命来衡量，B10寿命（即10%的零件失效后对应的寿命或里程）或者可靠度是比较常见的指标。反过来，零部件到了一定里程对应的失效百分比就是不可靠度（可靠度=1-不可靠度）。这里要说明一下，B10寿命只是一个特征寿命，不代表零部件的设计寿命，比如某个零部件的B10寿命是5万公里，不代表零部件设计寿命是5万公里。对于系统的耐久性问题，上面我们也说了，其实关注的也是寿命问题，如我设计一个产品如整车也好、发动机也好，它的使用寿命究竟应该是多少？上面我们讨论了可靠性问题，我们通过可靠性设计流程或增长流程，提高了汽车的可靠性，不代表汽车的寿命就达到了要求。所以我们除了降低汽车的失效