电动汽车齿轮箱装置FMEA分析

摘要：针对某电动汽车齿轮箱装置进行FMEA分析， 获得了各主要零部件故障模式、故障原因以及故障影响，发现了系统的薄弱环节，并提出设计中应采取预防控制措施，提高了产品的可靠性水平。为防止及减少故障的发生提供了依据。

关键词：电动汽车齿轮箱装置；故障模式；FMEA

故障模式与影响分析（FMEA，Failure Mode and Effect Analysis），是一种用于分析故障因果关系的基本方法，诞生于上世纪50年代美国航空工业，后被陆续用于其它行业。自上世纪80年代引入我国后，现已在国内航空航天、核工业、汽车、电子等领域得到广泛应用[1]。

交通能源与环境保护是21世纪全球面临的重大挑战，21世纪汽车产业能源动力体系转型势在必行，电动汽车已成为汽车能源动力转型的必然选择[2]。电动汽车齿轮箱装置是整车的关键传动部件，其工作性能的好坏将直接影响到整车的动力传递和运行品质。因此，一旦齿轮箱装置在运行中出现故障或者损坏，将严重影响电动汽车的安全运行，甚至对乘客造成生命危险。

本文在对电动汽车齿轮箱开展FMEA分析， 得到了系统的主要故障模式、故障原因和影响，并根据分析结果提出了一系列补偿与改进措施，以提高电动汽车齿轮箱的可靠性水平。

1 齿轮箱装置描述

齿轮箱装置采用两级同轴、水平布置的结构型式，通过法兰盘与电机连接固定，顶部设计辅助支撑杆，电机轴与输入齿轮轴通过花键连接，输出法兰与传动万向轴连接，起到减速增矩作用，是电动汽车传动系统的关键部件。

齿轮箱装置主要由上下箱体、牵引齿轮、轴承、系统、密封系统及齿轮箱附件等组成。电动汽车齿轮箱装置结构图见下图1。

齿轮箱箱体采用球墨铸铁，由于电机的输入扭矩较大，为了提高齿轮箱的可靠性，采用两级减速。

轴承是传动齿轮箱的一个关键部件，它直接影响到齿轮箱的使用寿命，因此轴承的选型至关重要。

电动汽车启动、制动频繁，牵引齿轮承受较大的冲击载荷，因而在设计齿轮时主要确保齿轮的弯曲强度。

2 FMEA分析方法

FMEA作为可靠性工程领域的基本工具，是一种用来确定潜在故障模式及影响的分析方法。FMEA通过系统的分析零部件、组件、子系统等所有可能的故障模式、故障原因及后果，发现设计中的薄弱环节，并按照每一个故障模式的严重程度、发生概率予以分类，为设计综合评定、维修性、安全性等工作提供信息。它是一种“事前预防”行为，事先花时间对设计进行分析，事先低成本进行改进，减少未来更大损失的发生。

FMEA分析方法具体的步骤如下：

1、明确分析对象

明确分析对象和收集尽可能多的与系统风险相关的（包括设计、运行等）信息是做好FMEA 的基础。

2、功能分析

采用边界图的方法辅助功能分析，边界图主要用于描述分析的边界范围和接口，说明各组件、零部件之间的关系。

3、故障模式和故障原因分析

针对每个分析单元，根据功能分析的结果，通过分析确定其故障模式，分析产生故障模式的故障原因。故障模式（Failure Mode）是故障的表现形式是零部件、子系统或系统可能发生的潜在故障而不能达到或交付项目/功能列中描述的期望的功能。

在进行故障模式和原因分析时，采用P图的方法辅助分析。P图用于确定和描述干扰因子和错误状态，典型的P图如图2所示。其中输入信号是指分析对象运行所需的基本条件，理想功能是指分析对象需要完成的功能，错误状态是指与预期功能的偏差或非预期的分析对象的输出，控制因子是设计过程中所有因素的集合，其目的是减少错误状态的发生，干扰因子是能够导致分析对象功能失效的非预期的因素，如接口关系和相互作用等。P图中的干扰因子共来源于5个方面：个体差异、随时间变化、用户使用、外部环境、系统接口，应用P图分析可以全方面的识别产品的故障原因，减少遗漏。

4、故障影响分析

故障影响指每一故障模式对系统使用、功能所导致的后果。故障影响包括安全、环境、经济等多方面。

5、风险评价

产品的故障模式的风险顺序数[2]（Risk Priority Number，RPN）由故障模式的严重度（Severity，S）、发生度（Occurrence，O）和探测度（Detection，D）的乘积计算得出，即：

RPN=S×O×D

RPN是对潜在故障模式风险等级的评价，它反映了对故障模式发生的可能性及其后果严重性的综合度量。RPN值越大，即该故障模式的危害性越大。

严重度（（S）：是潜在故障模式对顾客的影响后果的严重程度的评价指标。通常需要对每种故障模式的潜在影响进行评价并赋予分值（1～10分），分值愈高则影响愈严重；

发生度（O）：是指具体的故障起因/机理发生的频率，用1～10分来评估可能性的大小，分值愈高则出现的机会愈大。

探测度（D）：是指在零部件、子系统或系统投产之前，用现行设计控制方法来探测潜在失效原因/机理（设计薄弱部分）或可发展为后续的失效模式能力的评价指标。用1～10分来评估检测的可能性，分值愈高则愈难以被发现和被检出。

3 电动汽车齿轮箱装置FMEA分析

采用FMECA工作表的方式进行FMEA分析，详见附表。

4 结论

本文建立了电动汽车齿轮箱装置可靠性分析方法， 在描述电动汽车齿轮箱装置结构的基础上，利用FMEA方法，针对齿轮箱装置主要零部件，诸如牵引齿轮、轴承、箱体、吊杆等进行了故障模式、影响及改进措施分析，并进行了风险评价，为电动汽车齿轮箱装置产品的可靠设计和安全应用提供了依据。设计过程中的FMEA分析有效的提高了电动汽车齿轮箱装置的可靠性。■

参考文献

[1] 徐 巍，杨 飞，黄晓辉，尤小健.潜艇可靠性特点分析及FMEA应用研究[J].中国造船，2009年第1期.

[2] 叶军.我国新能源汽车的发展现状和应用前景[J].中国新技术新产品，2011 NO.01.