[논문]자동차 안전성 설계에서 설계 추적성을 활용한 고장형태 영향분석에 관한 연구

임관택; 이재천

doi:10.12812/ksms.2013.15.1.11

자동차 안전성 설계에서 설계 추적성을 활용한 고장형태 영향분석에 관한 연구
On the Development of an FMEA Method for Automotive Safety Utilizing Design Traceability 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.15 no.1, 2013년, pp.11 - 19

Abstract ▼ AI-Helper

In modern systems design and development, one of the key issues is considered to be related with how to reflect faithfully the stakeholder requirements including customer requirements therein, thereby successfully implementing the system functions derived from the requirements. On the other hand, the issue of safety management is also becoming greatly important these days, particularly in the operational phase of the systems under development. An approach to safety management can be based on the use of the failure mode effect and analysis (FMEA), which has been a core method adopted in automotive industry to reduce the potential failure. The fact that a successful development of cars needs to consider both the complexity and failure throughout the whole life cycle calls for the necessity of applying the systems engineering (SE) process. To meet such a need, in this paper a method of FMEA is developed based on the SE concept. To do so, a process model is derived first in order to identify the required activities that must be satisfied in automotive design while reducing the possibility of failure. Specifically, the stakeholder requirements were analyzed first to derive a set of functions, which subsequentially leads to the task of identifying necessary HW/SW components. Then the derived functions were allocated to appropriate HW/SW components. During this design process, the traceability between the functions and HW/SW components were generated. The traceability can play a key role when FMEA is performed to predict the potential failure that can be described with the routes from the components through the linked functions. As a case study, the developed process model has been applied in a project carried out in practice. The results turned out to demonstrate the usefulness of the approach.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구 수행을 통해서 자동차 시스템 개발 사업에 있어서 보다 체계적으로 설계와 제조 공정을 검증하는 FMEA에 시스템공학 프로세스에 의한 설계 접근과 체계적인 시스템 계층관점에서의 접근의 설계 방식을 통한 개발활동으로 향후 보다 개선된 설계 신뢰도를 갖추도록 하는 것이다. 자동차의 고장예측의 누락이란 바로 인명과 연계되는 사고를 발생시킬 수 있기 때문이다.
본 연구에서는 시스템 공학적 개념에서 고객의 요구 사항을 파악하여 기능을 정의하고, 기능정의를 연계한 고장분석을 수행함으로써, 고장형태가 기능을 통해 도출되도록 하여 누락의 실수를 최소화하고자 함이 목적이다.
기능의 명확한 수행을 위한 설계는 성공적인 시스템개발의 기본적인 요소이지만, 또 다른 요소로서 필히 고려해야할 부분이 시스템 운용 시의 위험에 대한 관리 그리고 위험예측 결과의 시스템 설계에의 반영이라고 할 수 있다. 예로 자동차 개발 시에 고장의 예측을 통해 운용 시에 고장이 발생할 가능성을 최대한 줄이고자 한다.
자동차와 관련된 많은 고장의 분석 자료 들은 그 유용성으로 대부분의 고장이 예방된다. 이 연구의 목적은 자동차 및 그 부품이 많은 고장이 발생되기 때문에 고장 분석의 방법을 바꿔야 한다는 것이 아니고, 무결함차량 즉 완벽한 제품에 가까운 것을 만들기 위한 노력으로서의 방법을 다루고자 함이며, 이 방법을 [Fig.3]과 같은 시스템 공학적 프로세스를 응용한 고장형태 분석의 방법을 제시한다.

가설 설정

Key를 Cylinder에 꼽는다. 는 입력기능으로부터, 1. Cylinder가 Plunger를 민다. → 2.
Cylinder가 Plunger를 민다. → 2. Plunger가 Spring,을민다. → 3.
Plunger가 Spring,을민다. → 3. Plunger가 수평이동 한다. → 4.
Plunger가 수평이동 한다. → 4. Plunger 끝단이 Ignition Switch를 민다., 그래서 Ignition Switch 접점이 이루어진다.

제안 방법

3) 기능을 고장으로 연계하는 두 번째 루프의 두 번째 과정이 본 논문에서 연구된 기능정의를 통해 고장이 연계되어 도출되도록 하는 중요 단계로, 기능분석도에서 도출된 연계된 기능을 FTA(Fault Tree Analysis; 고장나무분석)를 통해 고장으로 연계시키며, 고장의 수준을 체계화하는 것이다.
구체적으로 본 논문에서는 고장형태의 도출을 위해(개인들의 경험과 브레인스토밍을 통한 것이 아닌) 시스템공학 프로세스를 기반으로 모든 시스템 설계의 출발점인 고객 요구사항의 분석과 이에 기반 한 기능으로부터 고장형태가 분석될 수 있는 방법을 제시한다.
본 논문은 시스템 수명주기 모델[7]의 3단계 중 두 번째 공학개발 단계(Engineering Development stage)의, 선행개발기간(Advanced Development Phase)으로 위험 범위를 식별하고 분석/개발/시험 등을 통해 위험을 경감하는 시기와 공학설계기간(Engineering Design Phase)으로 예비와 최종 설계를 수행하며, 하드웨어와 소프트웨어 컴포넌트를 세우고 시험을 수행하는 기간을 포함하는 FMEA가 포함되는 시기이다.
본 논문의 연구목표와 연계될 고장형태의 분석에 대해 선행 연구의 핵심은, FMEA를 독자적으로 수행하지 않고, HBD(Hardware Block Diagram), FBD (Function-al Block Diagram), FTA(Fault Tree Analysis) 등의 분석도구를 사용하여 연계된 분석을 수행했다는 것이다[4][9]. 특히 FTA는 구성 요소 장애의 측면에서 특정장애를 표현함으로써 시스템의 구조의 시각적 표현을 제공하고 시스템 신뢰성에 장점이 있으며, FMEA는 장비가 고장 날 수 있는 모든 가능한 경로와 그 고장이 시스템에 미치는 영향을 결정했다[10].
5]에는 언급한 두 영역을 확대 하여 표현했는데, 고객 요구사항으로서의 항목은 FMVSS302 등의 법규사항과 자동차 키의 삽입기능과 같은 기능적 요구사항, 내구성을 포함한 신뢰성의 영역으로 구분하여 도출하였다. 여기에 CTS 요구사항으로 서의 키 삽입/취출력, 키 회전력, 부품 강도 등을 입력하여, 고객요구사항과 기능적 요구사항의 관계를 중간부 매트릭스에 가중치를 두어 표기했으며, 이를 통해 고객 요구사항과 제품의 기술적 요구사항의 관계 및 중요도를 산출하였다.
이를 위한 필수적인 영역이, 제품에 어떤 고장이 발생할 수 있는지를 미리 예측하여 이러한 고장들이 발생하지 않도록, 설계 및 제조 시에 미리 조치토록 하는 고장예방 방법을 수행한다.
이상과 같이 설명한 본 논문에서 제시하는 고장형태 분석 프로세스와 구체적인 방법론들은 다음의 실제 자동차 개발 사례를 통해 검증했다.
제3장에서는 시스템 공학 프로세스에 기반 한 FMEA 수행 단계들을 도출하였고, 각 단계에서의 상세활동에 대하여 정의하였다. 제4장에서는 사례연구로서 3장에서 개발된 FMEA 수행활동모델을 자동차시스템의 실제 설계에서의 적용을 통하여 연구결과의 검증을 시도하였다. 마지막 제5장에서는 본 연구에서의 주요 결과를 정리함으로써 결론을 맺었다.
한가지 기능인 D Ignition Switch의 기능이 수행되기 위해서, A Key → B Lock Cylinder → 1 Plunger → 2 Plunger Spring → D Ignition Switch로 연계되는 부품의 연관관계를 표현했다.

대상 데이터

따라서 시스템 수명주기 모델을 기반으로 본 논문을 통해 개발된 [Fig. 3]의 모델은 언급한 영역에서 수행되는 자동차 시스템 및 서브시스템의 단위에서 수행되는 개발 활동들을 대상으로 한다. 고객요구사항으로부터 선행되는 개념설계 단계를 통해 시스템의 상위 기능, 성능, 인터페이스가 정의되면, 시스템 하위 구성품의 기능에 대한 베이스라인의 기준으로 활용 된다.
여러 위험 평가 방법 중 본 논문에서는 자동차를 대상으로, 수명주기 내에서의 기능을 고려한 고장의 예측 영역이 주 관심 대상이다. 자동차의 라이프사이클은 [Fig.

이론/모형

자동차 산업 표준으로 사용되는 FMEA 작성 방법을 다룬 것이 AIAG의 FMEA Manual [3]이다. 여기서는 구체적인 고장형태에 대한 도출방법에 대해서, 고장형태는 제품이 디자인 의도에 일치하지 않는 방법 또는 수단으로 정의 했으며, 고장이 발생할 수 있음을 전제로 했다.

성능/효과

(3) FTA의 세 번째 수준의 데이터는 두 종류로 구분될 수 있는데, 하나는 설계적인 고장원인을 도출하여 설계 FMEA의 데이터로 사용할 수 있고, 다른 하나는 제조적인 고장원인을 도출하여 공정 FMEA의 데이터로 사용할 수 있다. 즉, 설계와 공정에 대한 고장의 분석이 동일한 출발선인 고객 요구사항으로부터 기능의 분석을 수행하고, 그 기능을 수행하지 못할 가능성을 설계적인 원인과 제조적인 원인으로 구분하는 것이 두 FMEA의 수행 방법이다.
4) FMEA의 고장 및 관리항목의 데이터가 확보되면, 설계 데이터 및 고장분석(Warranty) 데이터들을 활용하여 점수화 하며, 이상의 과정을 통해 분석의 대상에 대한 FMEA가 만들어진다.
4) 이렇게 기능분석도의 연계된 기능을 각 고장의 단계들로 전환한 FTA가 완성되면, 세 번째 단계의 원인이 두 원인 영역으로 구분되어 분석될 수 있는데, 제품 고장형태에 대한 한 가지는 설계원인이고 이는 설계의 오류로 인한 제품의 고장을 다루는 것이고, 다른 한 가지는 공정원인으로 제품을 설계한대로 만들지 못한것으로 인한 제품의 고장을 다루는 것이 된다. 두 원인에 따라 전자를 설계 FMEA, 후자를 공정 FMEA라고 하며, 두 종류의 고장예측의 결과물이 만들어지게 된다.

후속연구

자동차 및 분석의 대상이 될 대부분의 시스템 들은, 없었던 개념의 것이 만들어지지 않으며, 앞서 개발된 제품의 개선을 통해 개발된다. 따라서 제대로 만들어진 고장이 데이터도 습득교훈으로서의 역할을 수행하며, 이후 개발될 제품의 고장 데이터의 베이스라인이 된다.
향후에는 본 연구에 기초하고 시스템 공학의 추적성 관리를 연계한 DRBFM(Design Review Based Failure Mode; 제품의 변경사항에 설계검증을 통한 위험관리 및 문제의 사전예방 방법)과 DRBTR(Design Review Based Test Report; 제품의 변경사항에 대한 검증 및 테스트에 초점을 맞춘 접근 방법)을 시스템 공학적으로 사용하는 고장분석 방법의 추가적인 연구를 수행할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DFSS에서 고장형태에 대해 명시한 것은?	명확한 고장형태에 대한 분석 방법을 다룬 것이 DFSS(Design for Six Sigma)[6] 였다. DFSS에서는 고장형태는 구조의 각 계층 단위들이 초기 의도와는 다르게 고장 날 수 있는 방법에 대해 설명한 것으로 팀이 브레인스토밍을 통해 수행한다고 명시하고 있다.
	FMEA에 의한 시스템공학 프로세스가 필요해진 원인은 무엇인가?	자동차 시스템 및 구성부품의 수명주기를 고려한 고장예측을 위한 노력들이 수행되고 있지만, 하드웨어 자체도 복잡해지고 있으며, 시스템이 점차 하드웨어 중심 에서 소프트웨어 중심으로 이동함에 따라 보이지 않는 시스템 구성요소에 대한 고장을 예측하는 것이, 엔지니어의 경험과 지식에 의존한 브레인스토밍만으로는 어렵게 되었다.
	FMEA는 어떻게 개발되는가?	FMEA가 고객 요구사항(광의의 의미는 이해당사자 요구사항으로, 이해당사자는 고객(시스템 구매자 및 사용자), 개발자, 운용자, 정비자, 경영자 및 주주 등을 포함하는 광범위한 개념인데, 편의상 고객 요구사항으로 부르는 경우가 많다.)을 평가하고, 제품 및 공정 인력과 시스템 보안과 개인의 안전에 중점을 두며, 잠재 고장 형태의 발생위험을 최소화하는 방식으로 개발된다[8].

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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