一种含异形截面钢丝的非充气轮胎剪切带、异形截面钢丝的制备方法及非充气轮胎与流程

本发明涉及非充气轮胎，尤其涉及一种含异形截面钢丝的非充气轮胎剪切带、异形截面钢丝的制备方法及非充气轮胎。

背景技术：

1、非充气轮胎通常由轮辋连接部、辐条结构或支撑结构、剪切带和胎面组成。其中，剪切带是承担路面载荷、传递并分布应力的关键结构部件，通常由橡胶基体与增强骨架材料复合而成，增强骨架材料常采用沿轮胎周向缠绕的钢丝。目前，非充气轮胎剪切带中使用的增强钢丝普遍为实心圆截面钢丝。

2、在实际使用中发现，现有圆截面钢丝的刚度不足，导致剪切带整体抗弯刚度不够，轮胎在重载工况下剪切带变形过大，直接影响轮胎的承载能力和耐久性。造成这一问题的根本原因在于：圆截面钢丝的材料在截面内呈轴对称均匀分布，大量材料集中在截面中性轴附近，而对抗弯刚度贡献最大的区域是远离中性轴的外层区域。圆截面的这种材料分布方式决定了其在相同截面积下抗弯刚度偏低，材料未能被高效利用。

3、若直接增大圆钢丝直径的方式来提高刚度，虽然可以增加钢丝的绝对抗弯能力，但同时也会显著增加钢丝的重量和截面积，进而导致轮胎整体重量上升、滚动阻力增大、汽车油耗增加，同时钢丝直径增大还会带来弯曲成型困难、剪切带厚度增加等一系列问题。此外，单纯增大直径并未从根本上改善材料的分布效率，单位重量的刚度贡献并未得到提升。

4、在不增加钢丝重量的前提下，通过优化截面形状使材料分布更加合理，从而提高钢丝的抗弯刚度，进而提升非充气轮胎剪切带的整体承载能力，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种含异形截面钢丝的非充气轮胎剪切带、异形截面钢丝的制备方法及非充气轮胎，在不增加钢丝截面积和重量的前提下，改变钢丝的截面形状并将其用于非充气轮胎剪切带中，提高剪切带的整体抗弯刚度和承载能力，进而提升非充气轮胎的载重能力和耐久性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种剪切带，包括橡胶基体，橡胶基体内含有异形截面钢丝，异形截面钢丝的高刚度方向（即截面主惯性矩较大的方向）沿着剪切带的承载方向布置。在钢丝截面积与原有圆截面钢丝相同的条件下，通过截面形状的优化，使该承载方向上的截面惯性矩增大，从而提高剪切带内钢丝在该方向上的抗弯刚度。

4、钢丝的横截面包括但不限于矩形截面或近似矩形截面、椭圆形截面或近似椭圆形截面。

5、矩形截面钢丝或近似矩形截面钢丝的参数定义如下：截面宽度b（沿轮胎轴向方向）、截面高度h（沿轮胎径向方向，即承载方向），矩形截面的截面惯性矩（绕水平中性轴，即沿宽度b方向的轴线）为：

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7、由该公式可知，截面惯性矩i与截面高度h的三次方成正比，而与宽度b仅一次方成正比。这意味着，在截面积a=b×h保持不变的条件下，将截面从圆形变为扁平矩形、并增大高度方向的尺寸h，可以显著提高截面惯性矩i。换言之，将材料从截面中性轴附近“搬运”到远离中性轴的位置，材料对抗弯刚度的贡献被大幅放大。

8、椭圆形或近似椭圆形截面钢丝的参数定义如下：长半轴a（沿轮胎径向方向，即承载方向）、短半轴b（沿轮胎轴向方向），椭圆形截面的截面惯性矩（绕短轴方向的中性轴，即长轴方向为承载方向）为：

9、

10、由该公式可知，截面惯性矩i与长半轴a的三次方成正比，与短半轴b仅一次方成正比。在截面积a=πab保持不变的条件下，增大椭圆形长轴尺寸a（同时相应减小短轴尺寸b），即可显著提高截面惯性矩i，实现不增加重量而提高刚度的目的。

11、近似矩形截面钢丝的制备方法如下：

12、步骤1. 成品圆钢丝准备：选取已拉拔至目标直径φ的成品圆钢丝作为轧制原料，该成品圆钢丝已完成拉拔、热处理及表面处理（如镀黄铜/镀青铜/镀锌）等全部工序。

13、步骤2. 轧制前预处理（该步骤可选）：若成品圆钢丝硬度较高，可进行软化退火处理，退火温度500～800℃，以降低轧制力、防止轧制开裂。

14、步骤3. 轧辊轧制成型：将成品圆钢丝从两个圆柱形轧辊之间穿过，两轧辊的轴线平行设置，通过调节两轧辊之间的距离即辊缝来控制压下量。钢丝在辊缝处被连续压扁，圆形截面在垂直方向被压缩，金属在水平方向自然展宽，最终获得矩形截面，四角自然形成过渡圆角。

15、步骤4. 轧后处理：包括去应力退火（该工序可选）以消除轧制残余应力、表面清理以去除氧化皮或润滑剂残留、以及表面处理（该工序可选）以修复轧制对原有镀层造成的损伤。

16、椭圆形截面钢丝的制备方法如下：

17、步骤1. 盘条表面预处理：对热轧盘条进行机械除鳞（抛丸/弯曲除鳞）或化学除鳞（酸洗）以去除表面氧化皮，随后涂覆润滑载体涂层（如硼砂涂层、磷化涂层），确保后续拉拔润滑良好。

18、步骤2. 圆形拉丝模粗拉至中间圆直径：使用圆形孔拉丝模进行粗拉，将盘条由原始盘条直径拉拔至中间圆直径φ1。中间圆直径φ1略大于目标椭圆截面的等效圆直径，为后续椭圆拉拔预留变形量。

19、步骤3. 异形拉丝模逐道次拉拔成型椭圆截面：从中间圆截面开始，通过多道次椭圆孔型拉丝模逐步将圆形截面拉拔为椭圆截面，从圆形到目标椭圆截面之间设置若干过渡截面，每个过渡截面均为椭圆，椭圆度逐道次递增。

20、步骤4. 成品热处理与表面处理：拉拔完成后根据材质要求进行去应力退火，获得目标强度和韧性，随后进行表面镀层处理（如镀黄铜、镀青铜、镀锌）以满足与橡胶的粘合要求，最后收卷。

21、一种非充气轮胎，包括上述的剪切带，异形截面钢丝在剪切带中沿非充气轮胎周向连续缠绕，缠绕时，异形截面钢丝的高刚度方向（即截面主惯性矩较大的方向）沿非充气轮胎径向布置，以使钢丝的最大抗弯能力作用于非充气轮胎承载方向。具体而言，矩形截面钢丝或近似矩形截面钢丝的截面高度h方向沿非充气轮胎径向布置，截面宽度b方向轮胎轴向布置；椭圆形截面钢丝或近似椭圆形截面钢丝的椭圆长轴a方向沿非充气轮胎径向布置，短轴b方向沿轮胎轴向布置。缠绕过程中通过导丝装置控制钢丝截面的取向，确保高刚度方向始终沿径向。

22、本发明的有益效果：

23、异形截面钢丝的横截面为矩形截面或椭圆形截面，在截面积与原有圆截面钢丝相同的条件下，截面惯性矩大于原圆截面钢丝，从而在不增加重量的前提下提高抗弯刚度。

24、将非充气轮胎剪切带中使用的圆截面钢丝，通过轧辊连续轧制成型改变为矩形截面，使材料从截面中性轴附近向远离中性轴的方向重新分布，在截面积和重量不变的条件下提高截面惯性矩和抗弯刚度。

25、将非充气轮胎剪切带中使用的圆截面钢丝，通过盘条拉拔直接成型改变为椭圆截面，使材料从截面中性轴附近向远离中性轴的方向重新分布，在截面积和重量不变的条件下提高截面惯性矩和抗弯刚度。

26、异形截面钢丝在非充气轮胎剪切带中沿周向缠绕，矩形截面的高度方向或椭圆截面的长轴方向沿非充气轮胎径向布置，使截面主惯性矩较大的方向对准非充气轮胎承载方向，提升非充气轮胎的载重能力和耐久性。