油封產業輔導計畫座談會 塑膠工業技術發展中心 PIDC 張棟瑜 98.5.13

簡報大綱 油封概況說明 國內外油封技術現況與發展趨勢 國內外油封學術研究 國內油封業者的瓶頸 Q & A 資料來源: 嵩贊油封 www.sog.com.tw 福鎰油封 www.fyc.com.tw 鉅鋐油封 www.cho.com.tw 茂順油封 www.nak.com.tw NOK株式會社 www.nok.co.jp

油封概況說明 具有密封作用的裝置除油封以外，還有O形圈、唇形密封圈、填料密封、機械密封等

油封概況說明 油封又稱為旋轉軸唇型密封圈，是在旋轉軸部份中使用得最多的密封

油封概況說明 唇形密封件以U形密封件為例說明 U形密封件就是有U形槽的密封件的通稱， 這種密封件有內唇”A”和外唇”B”

油封概況說明 具有O形斷面的O形圈是典型的擠壓密封件。密封表面上的巨大壓力要對密封件的外形進形壓縮和形變以達到密封的目的

油封概況說明 密封元件的運用範圍極為廣泛，例如：交通運輸、工業、農業、空油壓等等產業

油封概況說明 交通運輸-冷氣壓縮機 OD範圍：20-50mm 溫度範圍：-30℃ - 100℃ 壓力範圍：≦ 5 bar 線速度：≦ 30m/s 

油封概況說明 交通運輸-齒輪箱 良好靜態密封 減少接觸腐蝕風險 保護防止空氣側污染 允許更高表面粗糙度 OD範圍：10 – 790mm 溫度範圍：-55℃ - 225℃ 壓力範圍：≦ 0.3 bar

油封概況說明 交通運輸-變速箱、傳動軸 良好動態密封 安裝容易 有效降低摩擦 耐熱延長使用壽命 適用於高轉速動軸應用環境

油封概況說明 動力方向機 方向機油封包含旋轉式與往復式油封，功用在於能預防壓力流失並確保動力轉向系統正常運作 背托環

油封概況說明 減震器 避震器油封有雙重功能，同時防止潤滑油品與氣體洩漏 成功的密封防止外在污染物進入 有效的延長減震器的使用壽命 唇尖R角設計可減少與軸面摩擦 並預防洩漏

油封概況說明 曲柄軸/凸輪軸 PTFE材質適用於高速高溫環境、自潤型功能、低磨耗、有效抵抗溫升 經濟型設計 有效防止塵土入侵 長久使用壽命

油封概況說明 汽門 提供閥桿足夠潤滑 最少漏油量以避免廢氣排放的不良影響 穩定漏油量對引擎壽命有利 最小摩擦以降低引擎功率損失

油封概況說明 車輪轂(hub) 不動 旋轉 車輪轂油封特點： 適用於卡車、巴士…等大型運輸工具 迷宮式設計加強密封效果，有效阻擋塵土穿透 延長使用壽命 增加迴油率、降低溫升、減少膠料磨耗 安裝容易

油封概況說明 防塵套 保護傳動系統與旋轉軸 安裝容易 防止外部污染物(泥土、泥漿、灰塵、水)進入 多樣化材質選擇 延長傳動系統與旋轉軸壽命 抗撕裂、磨耗與磨損

油封概況說明 工業用-氣動彈簧 有效阻擋外界污染物 防止氣體外洩

油封概況說明 工業用-泵浦 適用於高壓環境 ≦ 10 Bar 良好靜態密封 降低接觸腐蝕的風險 在低壓下運行唇口和軸的磨損小 有效保護阻止空氣側污染物

油封概況說明 減速機 良好靜態密封 減少接觸腐蝕風險 保護防止空氣側污染 允許更高表面粗糙度 OD範圍：10 – 790mm 溫度範圍：-55℃ - 225℃ 壓力範圍：≦ 0.3 bar 線速度：≦10m/s

油封概況說明 馬達 馬達應用油封包含一般型油封與V型油封 V型油封特點包含： 低摩擦與低熱量的產生有效延長使用壽命 阻擋外界塵土、水與其他不良物質進入系統 使用於廣泛不同應用環境 適用於低表面粗糙度的使用環境 全橡膠設計 安裝容易

油封概況說明 工業用-輸送帶 低扭力 耐高髒污環境

油封概況說明 農用-履帶 多唇設計結構有效防止泥沙塵土進入 安裝容易 更換油封時能減少對軸孔的損傷 高品質潤滑油脂能有效防止外界水與 不動 多唇設計結構有效防止泥沙塵土進入 安裝容易 更換油封時能減少對軸孔的損傷 高品質潤滑油脂能有效防止外界水與 塵土侵入，並增加油封本身潤滑性 用於低轉速、高扭力與高溫應用環境 能依客戶要求設計符合各種不同設備 規格與外界髒污的嚴苛環境 動

油封概況說明 活塞&活塞桿 往復式 溝槽結構簡單 特別耐磨損 使用壽命長 在較差的配合表面下工作也具有良好密封效果

油封概況說明 防塵 摩擦力小 向內和向外的刮除效果好 溝槽簡單、安裝空間小 結構緊湊 使用於安裝與拆卸時不需要工具

油封概況說明 華司油封 適用各種不同尺寸應用環境 (≦150mm) 應用各種不同溫度範圍 (-40℃ - 200℃) 適用於各種高低壓 應用各種不同溫度範圍　(-40℃ - 200℃) 適用於各種高低壓 可用於高架安裝 有效防止變形 安裝容易

油封概況說明 O型環 經濟，提供低成本解決方案 簡單，一體成型的溝槽結構降低設計成本 方便，簡單安裝，降低風險 適用範圍廣(靜態、動態、單作用、雙作用) 複合物選擇範圍廣，與大多數流體相容

國內油封技術現況 油封產業於台灣有三十幾年歷史，廠商數約400家，由彰化鹿港發 跡，但目前中大型油封工廠卻集中在南投南崗工業區，規模較大者 如：茂順、南彰、嵩贊、逢成、鉅鋐、釔鑫等，可謂產業聚落成形 每一家於2004~2008 年皆於擴張階段，員工數介於100~600人之間， 除茂順為上市公司外，其餘皆為中小企業公司。平均一年總產值超 過50億元 油封產業在最近一二十年來幾乎都是以代工方式生產製造，其主要 的市場為歐美汽車之售後服務市場(AM)，而其中絕大部份是自由品 牌的通路商。未來還可朝OEM廠T1供應商的角色前進，擴大整體產業 的利基及獲利 德、日、法等國油封工廠於5年前開始逐漸關閉，轉向亞洲下單，但 歐美國家因對品質要求高，所以第一選擇為台灣(多樣少量)，而非 大陸(少樣多量)。汽機車用的油封佔油封產值的一半以上 油封產業並沒有外移的問題，也沒有專利限制的問題，且近幾年發 展迅速越做越大

國內油封技術現況 我國2007年橡膠油封生產值為新台幣4,799.0百萬元，銷售值為新台幣5,386.9百萬元，外銷量為4,854,507公斤，外銷值為70,752.15千美元，外銷地區以美國為主，佔第一位，其金額為27,749.88千美元，佔外銷總額之39.22%

國內油封技術現況 橡膠油封2007年進口量為2,862,079公斤，進口值為60,084.71千美元，進口地區若以金額方面則以日本佔第一位，佔進口總額之35.36%，若以進口量方面則以中國佔第一位，佔進口量之38.50%

國內油封技術現況 依製造規模及營收大致可分三級等 來源: 第一級為較具規模之專業密封件製造廠 第二以級以維修市場使用之油封製造為主 茂順以外銷歐美為主，歷年外銷比重約90%左右 全興及元成早期與日本廠商技術合作，產品主要銷售對象為汽機車廠 台全則走自有品牌，產品價格較低，主要銷售對象為機車廠 第二以級以維修市場使用之油封製造為主 第三級為家庭式代工廠 員工少，模具樣式及開發能力有限，主要依賴特定規格且價格較低之訂單 來源:

國內油封技術現況 密封件製品業上、中、下游關聯圖

國內油封技術現況 油封製程 鐵殼皮膜處理後添加接著劑 鐵殼上藥 真空油壓加硫橡膠原料與鐵殼相結合 生產 依標準或客戶要求整修尺寸 整修 全面品質檢驗 品檢 置入正確規格之彈簧 置入彈簧 五個為單位,以膠膜保護固定 膠膜包裝 貼上標籤,整齊排列等待裝箱 專為大尺寸油封量身訂作,符合標準五層外銷紙箱 裝箱 提供客戶最優質產品與滿意度 出貨 油封製程

國內油封技術現況 助劑 原膠 包裝 入彈簧 整修 加硫 加工處理 混煉 試模 彈簧 鐵殼 模具 油封製程

國內油封技術現況 油封特徵 (1)防止軸承潤滑油脂洩漏，及防水與泥土 (2)轉矩小、密封性佳 (3)能適應較高轉速與偏置量 (4)結構簡單，裝拆方便 (5)可適應不同使用環境

國內油封技術現況 油封材料 橡膠原料來源大都是位於彰濱工業區的長泓膠業公司所供應 國際上一些大的油封公司，為提高產品質量，已經建立自己的特 種橡膠的生產工廠

國內油封技術現況 主要耐油橡膠材質比較

國內油封技術現況 材質/轉速限制對照表 材質耐油性與工作溫度範圍

國內油封技術現況 彈簧與金屬骨架材質 彈簧的作用是使油封唇部提供一定迫緊力及延長油封 壽命，並依軸的周速及軸的偏心選用適當彈簧力。 機械便覽

國內油封技術現況 新產品開發 耐壓型油封 流體動力型油封 鐵氟龍(PTFE)油封 PU液壓密封件 耐磨抗泥漿油封(AP)

國內油封技術現況 耐壓型油封開發 CAE 普通油封的使用壓力小於0.05MPa，國內多家廠商已開發適合工作壓力為1.0~1.2MPa的油封 福鎰TCN壓力油封 福鎰TCV壓力油封 唇部接觸寬與應力分布

國內油封技術現況 流體動力油封開發 對於線速度達20m/s以上的密封部位，採用流體動力油封能使洩露問題得到有效的解決 福鎰流體動力油封系列

國內油封技術現況 鐵氟龍PTFE油封開發 鐵氟龍密封件可以大幅改善傳統的橡膠密封件的高滑動摩擦及滯滑效應，適用於高低溫、腐蝕性介質、乾摩擦等特殊場合 福鎰鐵氟龍油封系列

國內油封技術現況 PU液壓密封件 PU(聚氨酯)密封件以液壓或氣壓設備的往復運動特性所設計，採熱可塑性塑膠射出加工製程，產品大多國外進口，適用工作壓力30~40MPa 一起往復運動 射出模流分析

國內油封技術現況 耐磨抗泥漿油封 一體成型之油封結構，軸套筒之設計(SLEEVE）能避免油封刮傷主軸並能有效地阻隔泥水，雜草等污染物進入並防止潤滑油的洩漏 茂順油封設計_FEA分析

國內油封技術現況 產品設計初步構想： 密封元件關鍵尺寸（唇部）設計準則建立 失效模式分析技術 密封元件組裝過程分析 CFD計算流體力學，回油分析 密封元件轉動，熱傳分析 熱可塑性PU油封，射出模流分析

國內油封技術現況 密封元件關鍵尺寸（唇部）設計準則建立

國內油封技術現況 密封元件關鍵尺寸（唇部）設計準則建立

國內油封技術現況 失效模式分析技術

國內油封技術現況 失效模式分析技術

國內油封技術現況 密封元件組裝過程分析

國內油封技術現況 密封元件組裝過程分析

國內油封技術現況 CFD計算流體力學，回油分析 回油溝:吸 回油溝:吸

國內油封技術現況 CFD計算流體力學，回油分析

國內油封技術現況 密封元件轉動，熱傳分析

國內油封技術現況 密封元件轉動，熱傳分析

國內油封技術現況 熱可塑性PU油封，射出模流分析

國內油封技術現況 熱可塑性PU油封，射出模流分析

國內油封技術現況 熱可塑性PU油封，射出模流分析

國內外油封學術研究 潤滑特性 唇口壓力分布與大小 動態密封原理

國內外油封學術研究 潤滑特性 Jagger[1]在1957年提出在穩態條件下，油封唇部與旋轉軸之間存在一層較薄的潤滑油膜，它能防止密封唇表面的損壞 (a)邊界潤滑 (b)混合潤滑 (c)流體潤滑 潤滑方式 (a)相互運動之表面為潤滑油膜分子層 (b)相互運動之表面有少許凸點部分接觸 (c)相互運動之表面為潤滑油膜所分開 [1] Jagger, E. T., “Study of the Lubrication of Synthetic Rubber Rotatry Shaft Seals,” Conf. Lubric. Wear, 409, 1957.

國內外油封學術研究 潤滑特性 油膜的存在狀態直接影響著密封效果和油封的使用壽命，油膜過厚，容易洩露;油膜過薄，則會導致乾摩擦，合適厚度約為2.5μm

國內外油封學術研究 潤滑特性 油封與軸的相互滑動表面在由油膜分離的潤滑狀態下運動潤滑表面，因此保持油封的摩擦力小、磨損少

國內外油封學術研究 唇口壓力分布與大小 鄒德廣[2]以結構參數論述了影響油封使用性能的因素，並進行分析，提出了相對應的改善分析 結構參數的影響 1.干涉量 2.彈簧與唇尖距離(R) 3.油側角度(α) 與空氣側角度(β) 4.油封唇長(SL)與斷面厚度(LS) [2] 鄒德廣,杜華太,張斌. 影響油封密封性能的材料結構因素分析[J].特種橡膠製品,2000,21(1):41.

國內外油封學術研究 1.干涉量 干涉量是指唇尖直徑與軸徑之差，基本依據是膠料 的彈性恢復速度和軸的幾何精度 一般軸徑小， 干涉量也小;軸徑大，干涉量也大 同一條件下，膠料硬度大，則干涉量相對大一些;膠 料軟，干涉量相對小一些

國內外油封學術研究 2.彈簧與唇尖距離(R) R值為彈簧直徑中心至油封唇尖之間距離。若要產生最佳的油 封效果，R必須介於0.25~0.51mm之間，而且必須是正值 R值過小，無法保持油膜，不利於密封;R值過大，增加摩擦生 熱，同時，接觸寬度增加，引起單位徑向力減少，油膜厚度 大，發生洩露

國內外油封學術研究 3.油側角度(α) 與空氣側角度(β) 油側角度(α)是在油側介於軸表面與油封唇部間的角度，這個角 度必須有足夠的角度才能構成密封功能 空氣側角度(β)是在空氣側介於軸表面與油封唇部間的夾角，此 角度比須小至可以構成密封壓力梯度 Müller和Ott[3]在1984年提出了另一種密封機制，他們認為軸旋 轉時會在接觸寬的旁邊產生渦流，產生一種向內的泵吸效應，在 一定的轉速下，它與被密封的流體靜壓力相等，因而阻止了洩漏 [3] Müller, H. K., and Ott, G. W., “Dynamic sealing mechanism of rubber rotary shaft seals,” Conf. on Fluid Sealing, BHRA, Paper K3, 1984.

國內外油封學術研究 3.油側角度(α) 與空氣側角度(β) α>β，淨泵吸率為正;α=β，淨泵吸率為零;α<β，淨泵吸率為負 淨泵吸率為零時，接觸角兩側的泵吸量相同，泵吸作用相互抵消，但 因存在密封流體靜壓力，在軸跳動情況下容易造成洩漏 α<β時，淨泵吸率為負，產生向外，即空氣側的泵吸作用，也易產 生洩漏 當前密封的最佳設計一般油側角度35°～55°，空氣側角度10°～30° 一般對低速油封α取45°，β取18°;高速油封α取50°，β取25°

國內外油封學術研究 4.油封唇長(SL)與斷面厚度(LS) 油封唇長(SL)是介於油封唇油側面至撓曲部之軸向長度，一個較短的 油封唇長將會增加徑向力及唇部磨耗的產生，而過長的唇長將會增加 對軸的追隨性 斷面厚度(SL)必須設計足夠強度，來防止軸運動產生滑動與因黏著 (stick-slip)而產生唇部扭曲，而唇部扭曲會造成唇部與軸摩擦過大 導致接觸面熱的產生，所以有足夠強度斷面厚度將會降低接觸面熱的 產生 油封的腰部能提供唇部徑向力的50%，它是保持油封徑向力的一個主 要部分 對於低壓油封，一般腰部較細長，對耐壓油封，腰部較短較厚

國內外油封學術研究 動態密封原理 Kawahara 和Hirabayashi[4]提出迴油機制（Reverse Pumping），發現油封裝配於軸上時，在唇部的特定之壓力分佈下，如壓力最高點落於油側並呈非對稱三角型時，潤滑油會有一壓力從空氣側打到油側(迴油機制)，因而產生抑制洩漏的能力 [4] Kawahara, Y., Hirabayashi, H., “Effect of Surface Condition of Lip on Sealing Phenomena of Oil Seals,” SAE paper 780405, 1978.

國內外油封學術研究 動態密封原理 Kammüller[5]及Müller發現當軸旋轉時，油封唇部與軸接觸面會產生一切線剪應力（Tangential Shear Stress），造成唇部形成磨合軌跡（Wear Track) ，由於油側紋路角度大於空氣側，再加上空氣側油膜厚度比油側大，所以軸旋轉時潤滑油會由空氣側推向油側 [5] Kammüller, M., “Zur Abdichtwirkung von Radial- Wellendichtringen, ” University of Stuttgart(In German), 1986.

國內油封業者的瓶頸 1.生產作業自動化不足，隸屬傳統勞力密集產業 2.油封自動化繪圖程式不成熟（如：NOK）

國內油封業者的瓶頸 3.材料配方開發能力不足（如是否熟化？），多數仰賴外購 4.油封產業幾乎以OEM代工生產，產品研發競爭力無法提升 5.產品檢測驗證報告缺乏公信力，受到國外客戶質詢 6.國外環保意識漸強，法規上要求環保材料 產品設計 黏度儀 壽命測試機 臭氧測試機

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