Der teuerste Fehler in einer Analyse ist nicht die falsch bewertete Fehlfunktion. Es ist die vergessene Funktion, die niemand aufgeschrieben hat. Sie taucht in keiner Zeile auf, hat keine Bewertung, keine Maßnahme, keinen Verantwortlichen — und genau deshalb findet sie sich später beim Nutzer (Test beim Kunden, Versuchsbericht in der Zeitung).
Die immer wieder gerne genommene Absicherung dagegen ist ein Workshop mit erfahrenen Leuten. Das funktioniert in Bezug auf die Fehler erstaunlich gut und ist trotzdem kein Nachweis: Man weiß nie, ob die Liste vollständig ist, sondern nur, dass niemandem mehr etwas eingefallen ist.
In der Mechanik lässt sich das einfacher machen. Nicht weil Mechaniker sorgfältiger wären, sondern weil Physik eine Aufzählbarkeit / Determinismus ermöglicht, die andere Domänen (scheinbar) nicht haben.
Dieser Artikel setzt auf der Feldstruktur auf, die ich in
Anforderungen als Datensatz
beschrieben habe. In dem Artikel ging es darum, wie eine Anforderung
vollständig aufgeschrieben wird.
Hier geht es darum, die Anforderungen zu finden.
Der Satz, der die Antwort enthält#
Ein Bauteil kann nur dort Wirkung entfalten, wo es Kontakt mit etwas hat.
Das klingt banal. Es ist aber eine harte Aussage über Vollständigkeit: Wenn eine Wirkung an Kontakt gebunden ist und die Kontaktstellen aus der Geometrie folgen, dann folgt auch die Menge der möglichen Funktionen eines Bauteils aus der Geometrie.
Ein Hinweis zum Wort, weil daran mehr hängt, als es scheint: Kontakt ist nicht dasselbe wie Berührung. Berührung klingt nach zwei festen Körpern, die sich anfassen. Kontakt umfasst auch die Grenzfläche zu einem Medium und die Grenze, an der ein Feld in ein Bauteil eintritt. Genau diese Weite ist der Grund, warum die Umwelteinwirkungen — Wärme, Feuchte, Salznebel, Schwingung — nicht als Sonderfall danebenstehen müssen, sondern im selben Raster liegen.
Der Rahmen dafür ist der Contact-and-Channel-Ansatz von Albers und dem IPEK Karlsruhe , gewachsen aus dem Wirkflächendenken von Rodenacker und Koller. Zwei Begriffe genügen:
- Wirkflächenpaar — Flächen zweier Körper, die Kontakt haben und über die etwas fließt
- Leitstützstruktur — das Material dazwischen, das den Fluss trägt
Und eine Regel, die alles Weitere trägt:
Eine Funktion braucht immer zwei Wirkflächenpaare und eine sie verbindende Leitstützstruktur.
Etwas muss hinein und wieder hinaus. Ein einzelnes Wirkflächenpaar kann keine Funktion tragen — dort steht ein Merkmal oder eine Randbedingung, aber keine Funktion.
Drei Arten von Kontakt#
| Art | Partner | Beispiel |
|---|---|---|
| Fläche ↔ Fläche | ein anderes Bauteil | Nietschaft ↔ Bohrungswand |
| Fläche ↔ Medium | Umgebung, Betriebsstoff | Oberfläche ↔ Salznebel · Kühlrippe ↔ Luft |
| Volumen ↔ Feld | Magnetfeld, Strahlung | ferromagnetisches Teil ↔ Streufeld |
Die zweite Zeile ist die, die üblicherweise fehlt. Sie schließt die Umweltlücke, und zwar ohne neuen Mechanismus: Die Oberfläche eines Bauteils ist eine Wirkfläche wie jede andere, ihr Partner ist eben kein Blech, sondern ein Medium.
Was dabei keine eigene Kontaktart ist — und das ist der Punkt, der die Sache erst vollständig macht:
Schwingung, Stoß und Beschleunigung sind keine neuen Kontaktstellen, sondern zeitveränderliche Flüsse über die bestehenden Kontaktstellen. Eine Vibration erreicht das Bauteil über seine Befestigung; ohne Kontaktstelle käme sie nicht an. Sie erzeugt deshalb keine neue Zeile in der Kontakttabelle, sondern eine zusätzliche Spalte: denselben Kontakt unter Wechsellast.
Dasselbe gilt für Wärme, nur verteilt auf alle drei Arten: Wärmeleitung ist Fläche ↔ Fläche, Konvektion ist Fläche ↔ Medium, Strahlung ist Volumen ↔ Feld. Drei Wege, dieselbe Systematik.
Der Ertrag: Was vorher als „Umwelteinflüsse" in einem separaten Kapitel stand, das niemand systematisch abgearbeitet hat, wird zu Zeilen und Spalten in derselben Tabelle.
Durchgerechnet#
Ein Vollniet, der zwei Bleche verbindet. Er hat Kontakt zu seiner Umgebung an genau fünf Stellen:
Fünf Kontaktstellen, vier Funktionen und eine Schadfunktion. Die Liste ist nicht vermutlich vollständig — sie ist abgeleitet.
Die fünfte Zeile zeigt, warum die Zwei-Kontakt-Regel hält und trotzdem niemanden ausschließt. Am unbeschichteten Niet hat K5 keinen Ausgang: Das Medium wirkt ein und verändert ein Merkmal — den tragenden Querschnitt. Das ist keine Funktion des Niets, sondern eine Einwirkung auf ihn, und sie landet folgerichtig als Merkmal (Korrosionsklasse, Restquerschnitt nach Lebensdauer) statt als Funktionszeile.
Bekommt der Niet eine Beschichtung, ändert sich das: Die Beschichtung hat Kontakt zum Medium außen und zum Grundwerkstoff innen. Zwei Kontaktstellen, Sperrfunktion dazwischen — „Beschichtung sperrt das Medium an der Grenzfläche zum Grundwerkstoff", Merkmal Schichtdicke und Haftung. Die Regel gilt unverändert, es ist nur ein Bauteil dazugekommen.
Der FMEA-Eintrag fällt ohne Zusatzarbeit an: Jede Zeile erzeugt drei Fehlermodi, und die Ursachen sitzen an den benannten Stellen. Die Schubkraftfunktion versagt entweder über die Bohrungswand — Lochleibung des Blechs — oder über den Schaftquerschnitt (und dem Material) des Niets. Die Ursachenkette ist kein Brainstorming mehr, sie liest sich aus der Paarungsspalte ab.
Was sicher ist und was nicht#
Hier liegt die Stelle, an der die Methode überbewertet werden könnte, und deshalb steht die Abgrenzung ausdrücklich da:
| Deterministisch | die Liste der Funktionen |
| Ingenieururteil | welcher Fluss über welche Stelle läuft |
Dass der Schaftmantel die Schubkraft trägt und die Kopfauflage Zugkraft, folgt nicht aus der Geometrie. Das ist die ingenieursmäßige Auslegung.
Was diese Methode leistet, ist trotzdem erheblich: Sie garantiert, dass keine Stelle übersehen wird. Der übliche Fehler in der Praxis ist nicht die falsch bewertete Funktion — es ist die, die gar nicht in der Tabelle steht.
Kontaktstellen entstehen und vergehen#
Ein Kupplungsbelag hat im eingerückten Zustand ein Wirkflächenpaar zum Schwungrad. Im getrennten Zustand hat er keines.
Daraus folgt: Der Betriebszustand ist Zeilenschlüssel, nicht Attribut. Wer beides in eine Zeile zieht, verliert die Unterscheidung.
| Kontaktstelle | eingerückt | schleifend | getrennt |
|---|---|---|---|
| Belag ↔ Schwungrad | überträgt Moment | überträgt teilweise | sperrt Moment |
| Belag ↔ Anpressplatte | überträgt Moment | überträgt teilweise | sperrt Moment |
| Nabe ↔ Getriebewelle | überträgt Moment | überträgt Moment | überträgt Moment |
| Belag ↔ Kühlluft | gibt Wärme ab | gibt viel Wärme ab | gibt Wärme ab |
| Belag ↔ Gehäuse | darf nie | darf nie | darf nie |
Drei Beobachtungen aus einer Tabelle:
Die getrennte Kupplung hat eine Funktion. „Sperrt Moment" ist keine Untätigkeit, sondern eine Anforderung mit Zahl — Restmoment höchstens 0,5 Nm. Wer den getrennten Zustand als „keine Funktion" führt, hat die Restmomentanforderung nicht.
Die Wärmeabfuhr steht gleichberechtigt in der Tabelle. Kontakt zum Medium, wie jeder andere Kontakt auch. Im schleifenden Zustand ist es die kritischste Zeile überhaupt — und genau die, die in klassischen Funktionslisten regelmäßig fehlt, weil Luft kein Bauteil ist.
Die letzte Zeile ist der eigentliche Fund. Der Belag kann das Gehäuse berühren; die Geometrie lässt es zu. Passieren darf es nie. Diese Zeile ist kein Funktionssatz, sondern ein Fehlerkandidat — und sie wird berechnet, nicht gesammelt.
Damit ist die Mengenlehre der Methode des erlaubten Raums für die Mechanik konkret befüllbar: Der physikalisch mögliche Raum ist die Menge aller geometrisch möglichen Kontaktstellen über alle Betriebszustände. Was weder gewollt noch erlaubt ist, bleibt als unerwünschte Einwirkung übrig.
Sperren ist eine Wirkung, kein Fehlen#
Ein Detail, das über die Anwendbarkeit der FMEA entscheidet.
Die naheliegende Formulierung für den getrennten Zustand wäre „verhindert die Übertragung". Sie ist aus zwei Gründen schlechter:
Sie enthält kein Wirkverb — „Verhinderung" und „Übertragung" sind beide substantiviert, der Träger fehlt, ein Merkmal lässt sich nicht anhängen.
Und sie ist nicht negationsstabil. Der Fehlermodus dazu lautet „verhindert die Übertragung nicht" — eine doppelte Verneinung, die in einer Tabellenzelle niemand mehr richtig liest.
Positiv formuliert ist es eindeutig:
In getrennt sperrt die Kupplung den Momentfluss zur Getriebewelle. Merkmal: Restmoment ≤ 0,5 Nm bei 800 U/min⁻¹. Fehlermodi: sperrt nicht · sperrt teilweise · sperrt verzögert.
Gemessen wird immer der Rest. Restmoment, Leckrate, Wärmestrom, Kriechstrom. Perfekt sperren kann nichts, und ein Merkmal „Leckrate = 0" ist immer falsch.
Eine verwandte Verwechslung: Sperren und Freiheitsgrad zulassen sind nicht Gegenteile. Sperren stoppt einen Fluss bei bestehendem Kontakt — die getrennte Kupplung. Freiheitsgrad zulassen löst eine Bindung in einer Richtung — das Loslager, axial frei, radial fest. Die Fehler sind verschieden: „überträgt trotz Trennung" gegen „klemmt trotz Freigabe".
Zwei Fallen im Standardvokabular#
Fertigungsverben#
Die Reconciled Functional Basis, das am weitesten formalisierte Funktionsvokabular im Engineering, führt unter ihren Zuordnungsbegriffen ausdrücklich Fertigungsverfahren: unter Remove stehen Bohren, Fräsen, Polieren; unter Join stehen Montieren und Befestigen.
Für ein Design Repository ist das korrekt — dort ist gleichgültig, ob eine Funktion im Betrieb oder in der Montage stattfindet. Für die Design-FMEA ist es falsch.
Der Niet fügt nicht. Das Nietwerkzeug fügt, und der Niet ist dabei das Werkstück. Im Betrieb kehrt sich das um: Dann ist der Niet Träger und leitet Kraft.
Der Test ist scharf: Existiert die Funktion noch, nachdem das Produkt montiert ist? Nein, sie endet mit dem Arbeitsschritt → Prozessfunktion, Träger ist eine Maschine, ein Werkzeug oder ein Betriebsmittel.
Bemerkenswert ist dabei, dass der Verbvorrat identisch bleibt. Was wechselt, ist die Slotbesetzung. Ein Katalog, zwei Projektionen — dieselbe Struktur wie bei allem anderen hier.
Messen#
Falsch: Das Bimetall erfasst die Temperatur.
Ein rein mechanisches Bauteil misst nichts. Es wandelt eine Größe in eine andere. Die Verben erfassen, messen, anzeigen, erkennen setzen einen Signalfluss am Ausgang voraus — und der entsteht erst an der Systemgrenze zur Elektrik.
Richtig: Wenn sich die Temperatur ändert, ändert das Bimetall seine Auslenkung proportional. Merkmale: Auslenkung je Kelvin, Linearitätsabweichung, Hysterese.
Der Unterschied ist nicht sprachlich. „Erfasst nicht" ist als Fehlermodus unbrauchbar; darunter hängen Ursachen, die nichts miteinander zu tun haben. „Auslenkung zu klein", „Kennlinie nichtlinear", „Hysterese zu groß", „Drift nach 10.000 Zyklen" sind vier Fehler mit vier Prüfungen.
Wo die Vollständigkeit endet#
Drei Grenzen, ohne die die Behauptung nicht trägt.
Feldwirkungen ohne Grenzfläche. Der weite Kontaktbegriff deckt Medien vollständig ab, Felder nur teilweise. Wo ein Feld an der Oberfläche absorbiert wird — Wärmestrahlung an einer Wand —, gibt es eine Grenzfläche und damit eine Kontaktstelle. Wo es das Volumen durchdringt — ein Magnetfeld in einem ferromagnetischen Teil —, gibt es keine. In der Mechanik ist das eine kleine Restmenge und meist gewollt (ein Magnet ist dann ein Bauteil mit Funktion). In der Hardware wird es der Hauptteil sein, weshalb dort eine andere Grundstruktur nötig ist. Auch ohne Grenzfläche bleiben es Kopplungsstellen, die man betrachten muss — sie sind nur nicht mehr aus der Geometrie ableitbar.
Versagen ändert die Geometrie. Ein abgerissener Niet führt zu Kontakten, welche die Konstruktion nicht kennt. Die Aufzählbarkeit gilt für Funktionen der intakten Struktur. Loseteile und Bruchstücke gehören in die Folgenbetrachtung, nicht in den Funktionskatalog.
Die Systemebene hat keine Geometrie. Dort werden Schnittstellen gefordert, in der Konstruktion werden sie vorgefunden. Der Abgleich beider ist der Ertrag — gefordert und nicht realisiert ist eine Lücke, realisiert und nicht gefordert ist ein Verdacht. Aber bewiesen wird Vollständigkeit erst unten.
Diese dritte Grenze ist zugleich die Antwort auf die naheliegende Frage, wo Schnittstellen überhaupt zu deklarieren sind. Sie folgt aus der Stücklistenstruktur: Für zwei Teile mit gemeinsamer Kontaktstelle bestimmt man den nächsten gemeinsamen Vorfahren. Liegen beide unter demselben Element, ist der Kontakt intern. Liegen sie in verschiedenen Baugruppen, muss beim gemeinsamen Vorfahren eine deklarierte Schnittstelle existieren — sonst gibt es eine undeklarierte Verbindung. Auch das ist prüfbar, ohne ein 3D-Modell zu öffnen.
Der Punkt#
Die Mechanik ist die einzige der drei Domänen (HW, SW, ME), in der Vollständigkeit beweisbar ist. Nicht weil sie einfacher wäre, sondern weil Kontakt eine harte, geometrisch aufzählbare Bedingung ist.
Das ist keine Kleinigkeit für die Fehleranalyse: Der Übergang von „uns ist nichts mehr eingefallen" zu „die Liste folgt aus der Geometrie" ist der Übergang von einer Meinung zu einem Nachweis.
Und es ist zugleich die Vorlage für die anderen Domänen. Dort heißt die Kopplungsstelle Anschluss oder Schnittstelle statt Wirkflächenpaar, und der aufzählbare Anteil ist kleiner. Aber die Struktur ist dieselbe — und der nicht aufzählbare Anteil muss dann durch Architektur verkleinert werden statt durch Aufzählen. Davon handeln die nächsten beiden Teile.
Wo ich stehe#
Was hier beschrieben ist, baue ich als Werkzeug — unter dem Namen OTSM. Die Kontaktstellenmatrix, die Zustandsspalten, die Ableitung der Fehlermodi: das läuft.
Fertig ist es (noch) nicht. Es wird wahrscheinlich auch in zwanzig Jahren noch nicht fertig sein, und ich halte das für den Normalzustand, nicht für ein Eingeständnis. Ein Werkzeug, das Methodik trägt, ist so lange unfertig, wie die Methodik weiterdenkt. Was ich sagen kann: Es geht.
Die Reihe zu dieser Methode:
| Teil | Inhalt |
|---|---|
| Anforderungen als Datensatz | Kunde und System, domänenneutral |
| Mechanik | dieser Artikel |
| Hardware | Anschlüsse und Feldkopplung |
| Software | Schnittstellen und geteilter Zustand |
Wenn Sie das prüfen wollen#
Ich spiele mit offenen Karten, deshalb der Ablauf ohne Umweg:
Sagen Sie mir Ihre Branche. Nicht Ihr Problem — noch nicht. Die Branche entscheidet, welche Regelwerke gelten, welche Nachweise verlangt werden und wo die Zerlegung üblicherweise dominiert. Das kann ich vorbereiten.
Im Gespräch sagen Sie mir Ihr Problem. Dann passiert eines von zwei Dingen:
Entweder ich zeige Ihnen die Lösung. Das dauert in der Regel keine fünfzehn Minuten, und Sie sehen sie an Ihrem eigenen Fall, nicht an einem Niet. Danach wissen Sie, ob Sie mehr davon wollen.
Oder ich kann es nicht. Dann sage ich Ihnen das — in denselben fünfzehn Minuten, mit der Begründung, woran es liegt. Das ist kein schlechteres Ergebnis; es ist nur ein schnelleres.
Was ich nicht mache: Ihnen zusagen, dass die Methode Ihren Fall trägt, bevor ich ihn gesehen habe. Eine Methode, die angeblich alles kann, hat keine Grenzen benannt — und was keine Grenzen hat, ist nicht prüfbar. Die Grenzen dieser hier stehen oben unter „Wo die Vollständigkeit endet". Wenn Sie einen Fall haben, an dem sie zerbricht, will ich ihn hören. Das ist keine Höflichkeit, das ist der einzige Weg, wie so etwas besser wird.