ワイブル解析からFMEA、DFMEAへ 故障を未然に防ぐ信頼性設計の基本：若手エンジニアのための機械設計入門（16）（1/3 ページ）

3D CADが使えるからといって、必ずしも正しい設計ができるとは限らない。正しく設計するには、アナログ的な知識が不可欠だ。連載「若手エンジニアのための機械設計入門」では、入門者が押さえておくべき基礎知識を解説する。第16回は、前回解説したワイブル解析で得た故障傾向をFMEA／DFMEAへどう展開し、設計改善やCAE検証につなげるか、その基本的な流れを整理する。

[土橋美博／スワニー，MONOist]

　前回説明した通り、「ワイブル解析」によって寿命のばらつきや故障の傾向を捉えることができます。

　しかし重要なのは、その結果を読み取ることだけではなく、設計にどう反映するかです。解析はあくまで現象を把握するための出発点です。設計者に求められるのは、その結果から「なぜその寿命になるのか」を考え、構造を見直していくことです。

　そこで重要になるのが「信頼性設計法」です。信頼性設計とは、故障を未然に防ぐために設計段階でリスクを洗い出し、対策を組み込む考え方です。壊れてから対応するのではなく、壊れ方をあらかじめ想定し、設計でつぶしていくアプローチです。

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信頼性設計の出発点は「故障は起き得る」という前提

　信頼性設計を考える上で重要なのは、「故障は起き得る」という前提に立つことです。完全に壊れない製品は存在しません。そのため設計者は、

• どこが壊れるのか
• なぜ壊れるのか
• どの条件で壊れるのか

を事前に考え、その原因を設計段階で取り除く必要があります。ここで重要なのは、経験や勘ではなく、データに基づいて考えることです。ワイブル解析はその出発点となります。

信頼性設計の基本ステップ

故障の傾向を把握する

　ワイブル解析により故障の傾向を把握します。β＞1であれば摩耗／劣化型であり、設計要因に依存する故障であることが分かります。ここでは「寿命」ではなく「壊れ方」を理解することが重要です。

FMEA（故障モード影響解析）

　次に行うのが「FMEA（Failure Mode and Effects Analysis：故障モード影響解析）」です。FMEAは、故障モードとその影響を体系的に整理し、リスクの優先順位を決める手法です。初めて学ぶ方は、「壊れそうな箇所を事前に洗い出す設計レビューの仕組み」と捉えると理解しやすいでしょう。

　FMEAの基本構成は以下の通りです。

• 故障モード（どのように壊れるか）
• 故障影響（何が起きるか）
• 原因（なぜ起きるか）
• 評価（S／O／D）
• 対策

　ここでのポイントは、「現象を網羅的に整理すること」です。

例：ベアリングのFMEA

　表1は、ベアリングにおける代表的な故障を整理したFMEAの一例です。

機能	故障モード	故障影響	原因	S	O	D	RPN	対策
回転支持	摩耗	精度低下	面圧過大	8	6	5	240	接触面積拡大
回転支持	焼き付き	回転停止	潤滑不足	10	4	6	240	給脂改善
荷重支持	疲労破壊	異音／破損	偏荷重	9	5	5	225	芯ずれ対策
潤滑維持	潤滑切れ	摩耗促進	シール不良	8	5	4	160	シール改善
環境耐性	異物混入	損傷	防塵不足	7	6	4	168	防塵構造追加
表1　例：ベアリングのFMEA

　FMEAの本質は、「故障を網羅的に洗い出し、どの故障が問題になるのかを整理した上で、リスクの優先順位を決めること」にあります。重要なのは、設計改善に直結させることももちろんですが、その前段として、どの故障が問題になるのかを整理することです。

1．機能ベースで整理されている意味

　このFMEAでは、以下のように機能ごとに整理しています。

• 回転支持
• 荷重支持
• 潤滑維持
• 環境耐性

　FMEAでは、単純に部品単位で並べるよりも、機能単位で整理した方が抜け漏れが少なくなります。

　例えばベアリングは、

• 回転する
• 荷重を支える
• 摩擦を低減する

といった複数の役割を持っています。

　つまり、機能ごとに壊れ方を考えることで、網羅性が担保されるのです。

2．故障モードの捉え方

　FMEAにおける故障モードとは、故障がどのような形で現れるかを示すものです。

　例えば、

• 摩耗
• 焼き付き
• 疲労破壊
• 異物混入

といったものが該当します。

　ここでのポイントは、細かく分け過ぎず、現象として整理することです。

　FMEAの段階では、「摩耗の詳細なメカニズム」や「応力状態」まで掘り下げる必要はありません。まずは何が起きるかを広く拾うことが目的です。