专利名称：具有合成橡胶层的刚性外壳层状垒球棒的制作方法
技术领域：
本发明涉及了一种主要用于垒球的空心球棒，尤其是涉及了金属和复合材料的硬壳球棒。这种球棒通常包括一个金属外壳，它可以用铝或钛合金或其它金属形成，或者用复合材料构造形成。在这里，名称“铝”和“钛”包含了为制造球棒外壳配制的金属和合金以及金属和合金混合物。
Bhatt的美国专利号5,676,610公开了一种管状球棒，它具有缠绕成螺旋弹簧形式的金属带，与球棒筒体的内壁接触。剪应力不会从外壳传到金属插件上，使得球棒比较柔顺。
1996年7月9日授予Baum的美国专利号5,533,723公开了一种复合材料球棒，它具有木制层板表面和胶接到复合材料或铝的管状芯上的中间复合材料层。管状芯包括了弹性的聚氨酯泡沫，在击球区的管状芯中留有一个空腔，空腔内可充以较低密度的材料。可以改变沿球棒长度上管状芯的密度，最好靠近球棒端为较高密度区。
McNeely的美国专利号5,511,777公开了一种球棒，它具有一个可回弹的芯。在外壳和黄铜之类材料制作的内部阻尼件之间压入一个弹性减震套。弹性减震套可以用聚苯乙烯闭孔泡沫制作。
1995年10月24日授予Baum的美国专利号5,460,369公开了一种复合材料球棒，它具有胶接到复合材料管状芯上的木制层板表面。
1995年10月17日授予Baum的美国专利号5,458,330公开了一种复合材料球棒，它具有木制层板表面和带空腔的泡沫芯。
Eggiman的美国专利号5,511,777和5,415,398公开了一种管状球棒，它具有刚性的外壳和在击球区的管状插件，插件与外壳隔开和独立作用，据说可增加球棒的柔度，同时适度地限制了筒体的凹陷。由于在插件和外壳之间的间隙，这种设计不能从外壳把剪应力传到插件上。
1995年3月7日授予Souders等的美国专利号5,395,108是一个纤维增强复合材料外壳球棒之例，它充以可膨胀的聚氨酯泡沫来产生泡沫和外壳之间的压缩应力。
1994年11月15日授予Easton等的美国专利号5,264,095公布了一种管状金属球棒，采用与外壳牢固压缩配合的碳纤维复合材料层作为内部增强。
1992年5月19日授予Baum的美国专利号5,114,144公开了一种看起来像木制球棒的复合材料垒球棒，采用了泡沫塑料或挤压铝的中间芯，芯上覆盖一层用浸渍树脂纤维编结或编织的布，以及一层纵向延伸厚板条或涂树脂木制层板条的表面层。
本发明的主要目的是提供更柔顺轻质，但坚强耐用的金属外壳垒球棒。
本发明提供一种球棒包括a)一个刚性的外壳，它具有一条中心轴线和一个手柄和一个与上述手柄沿轴向隔开的筒体；b)一个在上述筒体中基本为圆柱形的刚性插件，上述刚性插件沿径向与上述外壳隔开；以及c)一个合成橡胶层，它具有不少于约40％的COR，大致为圆柱形的内外表面分别以可传力关系与上述外壳和上述刚性插件配合。
图1是本发明球棒的部分被切开的透视图。
图2是一个条形图，比较了本发明球棒与各种先前技术球棒的凹陷特性。
图3是一个条形图，比较了本发明球棒与各种先前技术球棒的纵向筒体柔度特性。
图1表示了一种球棒，它具有一个最好为铝的金属或金属合金外壳10，外壳包括手柄12、筒体14和连接手柄和筒体的锥形段16。一个圆头20闭合了球棒的手柄端，以及一个塞头22通常以已知方式固定到球棒的筒体端。球棒的击球区一般沿筒体段14整个长度延伸，部分地进入球棒的锥形段16。
管状球棒外壳10壁厚的减少有利地减少了球棒的重量，但增加了纵向柔度，因而吸收了一部分可以施加到球上的打击能量，并且如果壁太薄时可能造成球棒的永久凹陷。金属外壳球棒壁的减薄也造成了壁柔度的增加，即由于球棒壁的更大的挠曲提高了球的回弹速度，通常称为“蹦床效应”。具有弹性壁的复合材料外壳球棒和金属外壳球棒故意设计成容许球棒外壁具有受控的局部挠曲。
由于采用了重量轻但坚强而抗凹陷的独特层状构造，本发明的球棒设计成增加了壁的柔度和蹦床效应、强度和耐用性。已经知道，纵向弯曲非常柔顺的球棒会吸收能量，因而减少了由打击产生的有效杠杆比。同时，具有高截面刚度的球棒，如实心木球棒，产生极小(即使有的话)的蹦床效应，并且造成了刚性外壳球棒可得到的更高击球速度。按照主要用于常直径筒体的垒球棒的本发明，球棒的刚性外壳10包含了在筒体14中的基本为圆柱形的刚性插件30。插件沿径向与外壳10隔开。一个基本为圆柱形内外表面的弹性合成橡胶层40夹在外壳10和插件30之间，分别以可传力的关系与外壳和刚性插件配合，使得球棒的功能好像是一个叶片弹簧。具有与个别层组合厚度相同厚度的单层球棒过于刚硬，不能像希望那样挠曲。层状球棒产生损失能量的层间摩擦。不同于用作减小层状球棒摩擦损失和在外壳10和插件30之间不传递剪应力的润滑层，本发明的合成橡胶层能够同时传递剪应力和临时贮存、然后释放大部分能量，这些能量会损失在层状而作润滑球棒的摩擦中。
本发明的球棒外壳10包括一个铝或钛的管状金属件，或者如碳纤维增强树脂的复合材料构造。应该注意到，外壳10不一定是单层或用单种材料制成。可采用具有碳纤维或其它材料的增强带的一层或多层复合材料，增强带相对于球棒纵轴成不同的角度方位，如现有技术中已知的±45°或其它方位。在外壳和插件均采用高强度铝合金的优选实施例中，筒体或击球区中外壳厚度略小于插件的壁厚。最好是，筒体14的壁厚为插件径向壁厚的55～85％范围内。另外，外壳壁厚(在0.036″～ 0.055″范围内)比先前典型技术的多层铝壁垒球棒的外壳壁厚(0.055″到0.060″)薄得多。如果对外壳材料采用更强但贵得多的金属(如钛)，则壁厚还可变薄。当采用同样材料时外壳和插件之间的所希望的关系可表示为它们的惯性矩I=1/12wt3之比，其中w是不同元素的宽度，t是元素所取的外壳或插件的总壁厚。外壳惯性矩与插件惯性矩之比应该在1.825到3.375范围内。
刚性插件30可以是铝、钛或复合材料的单个管子，或者它可以包括两层或多层32,34的刚性材料，如铝、钛或钢箔，或者一层或多层复合材料，或者金属和复合材料的组合，其尺寸与球棒的筒体14配合。插件30最好是一个大致为圆柱形的单件，虽然插件可以由分开的弧形件，例如两个或三个由C形段形成的大致为圆柱的构形。在一个优选实施例中，一个圆柱形铝管在中心定位并沿纵向插入筒体中，它的壁厚范围为0.050″～0.065″，长度和宽度与外壳10的筒体14配合，具有径向间隙约0.050″～ 0.060″。如果希望，在插件30插入筒体14之前，插件本身可在内部作进一步增强，例如，采用纤维增强树脂复合材料层压缩地卡紧在插件的铝管内，如在以上提到的美国专利号5,364,095中所说明，引入这里作为参考。刚性插件沿球棒轴线的长度最好小于筒体的长度约2″，例如对于11″的筒体，9″插件是合适的。
合成橡胶层40最好具有径向厚度范围为0.050″～0.060″，可以是单层合成橡胶材料，或者包括两层或多层的预成形合成橡胶或合成橡胶和非合成橡胶的单独层42,44，只要整个合成橡胶层作为整体具有不小于65％的较高回弹系数(COR)。合成橡胶层40最好包括一个压缩模制套，然后用适合的胶粘剂把它胶在刚性插件30的外表面上。再把插件30和合成橡胶层40作为一件插入筒体14，并用补充的胶粘剂胶在筒体上。或者是，采用可固化液体形成的合成橡胶层，把它灌入筒体14和插件30之间的环形间隙中，在常温或高温下固化。动态凹陷试验从位于距离约2′的一个发球器，以速度约150mph沿水平方向重复地投掷每个重量约6.6盎司的二百个14″周长的垒球，沿径向与本发明球棒筒体的同一点接触，以及相似地对着各种先前技术球棒的筒体。
本发明的试验球棒是高强度铝合金金属外壳10，在筒体14上的壁厚为0.040″。插件是壁厚0.060″的圆柱形铝管，沿中心定位在筒体14中，在外壳和插件之间具有间隙0.057″。在间隙空间中充以COR约为65％的液态合成橡胶，容许在高温固化形成合成橡胶层40。
用于比较目的的先前技术球棒包括a)一个筒体壁厚为0.050″的铝外壳球棒，0.009″厚的钛内层胶到球棒筒体的内壁上；b)一个铝外壳球棒，具有也为铝制的筒体和管状插件，每个具有约0.057″的基本相同壁厚，插件直接定位在筒体壁内；以及c)一个外筒体壁厚为0.056″的铝外壳球棒，用包括碳纤维增强树脂的复合材料芯增强，压缩地卡紧在铝外壳内部。
试验结果在图2中图解说明。铝/钛球棒(a)受到约0.005″的最小凹陷。尽管较厚的筒体14具有约0.008″的凹陷深度，双铝壁球棒(b)受到最大的永久凹陷。以上铝/复合材料增强球棒(c)和以上本发明合成橡胶芯球棒每个均受到约0.007″的永久凹陷，但凹陷小于双铝壁球棒(b)。静态筒体截面柔度试验还进行了上述球棒的截面刚度试验，以确定在横向作用的静载荷下筒体14的径向位移值。这些试验是这样进行把筒体水平支承在一个平支承上，通过垂直球棒轴线的一个1英寸铝柱，向下作用一个500英镑的垂直载荷，从上面压缩筒体14。结果在图3中图解说明。通常具有0.020″位移的木制球棒图中没有表示。先前技术的铝/钛芯球棒(a)表示了最小的蹦床效应，仅约0.0395″的较低位移。铝/铝双壁球棒(b)和铝/碳纤维复合材料芯球棒(c)的每一个具有稍高和相似的约0.045″位移，碳芯球棒的位移略高。本发明的合成橡胶芯球棒具有约0.047″的最大位移，因此提供了所有试验球棒中最好的蹦床效应，它超过了铝/碳芯球棒(c)的蹦床效应，但具如图2所示的可接受的凹陷值。
熟悉该技术的人员将理解到，从上述优选实施例可以作出本发明的各种变化，并且仅由以下权利要求来限制保护的范围。
权利要求
1．一种球棒包括a)一个刚性的外壳，它具有一条中心轴线和一个手柄和一个与上述手柄沿轴向隔开的筒体；b)一个在上述筒体中的基本为圆柱形的刚性插件，上述刚性插件沿径向与上述外壳隔开；以及c)一个合成橡胶层，它具有不小于约40％的COR，大致为圆柱形的内外表面分别以可传力关系与上述外壳和上述刚性插件配合。
2．权利要求1的球棒，其中上述插件的惯性矩范围为上述筒体惯性矩的1.825到3.375。
3．权利要求2的球棒，其中上述筒体和上述插件由相同材料制成，上述筒体的上述壁厚范围为上述插件的上述壁厚的55％到85％。
4．权利要求2的球棒，其中上述筒体的上述壁厚约为上述插件的上述壁厚的67％。
5．权利要求1的球棒，其中用胶粘剂把上述合成橡胶层胶到上述筒体和上述插件上。
6．权利要求5的球棒，其中上述合成橡胶层包括多个合成橡胶层。
7．权利要求1的球棒，其中上述外壳是金属。
8．权利要求7的球棒，其中上述外壳是铝。
9．权利要求8的球棒，其中上述外壳在击球区的厚度为0.036″到0.055″。
10．权利要求9的球棒，其中上述外壳在击球区的厚度约为0.040″。
11．权利要求9的球棒，其中上述刚性插件至少包括一个弧形金属段。
12．权利要求11的球棒，其中上述金属段至少由一层铝组成。
13．权利要求12的球棒，其中上述刚性插件由多层金属箔和复合材料组成。
14．权利要求13的球棒，其中上述复合材料包括纤维增强树脂。
15．权利要求14的球棒，其中上述纤维为石墨。
16．权利要求10的球棒，其中上述铝插件件厚度约为0.060″。
全文摘要
一种薄壁管状球棒,尤其是用于垒球的球棒,具有不变的筒体直径和与筒体隔开的内部管状插件,传递剪应力的合成橡胶层夹在筒体和插件之间,使插件增强了筒体,减少了可能会发生的凹陷,因为合成橡胶有效地把应力传递到插件,并且在球棒与球撞击时贮存和释放能量。
文档编号A63B59/06GK1325745SQ01121329
公开日2001年12月12日 申请日期2001年5月31日 优先权日2000年5月31日
发明者约翰·布亚蒂, 杜威·肖万, 加里·W·费力斯 申请人:贾斯·D·伊斯顿公司