CN101035598B - 优化的球棒 - Google Patents
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Abstract
一种球棒(10)，其由于材料的选择和薄片的制作而表现出改进的性能、挠性、和/或触感特性。
Description
相关申请交叉参考
本发明要求以下美国专利申请序列号的优先权：2004年7月29日提交的10/903,493、2005年1月12日提交的11/034,993、2005年3月11日提交的11/078,782、2005年6月14日提交的11/152,036，以及2005年7月22日提交的还未转让的优先权。
背景技术
棒球球棒和垒球球棒的生产商一直致力于开发一种球棒，该球棒能够呈现出增加的耐用性以及改进的性能特性、挠性、和触感。已经开发出了具有单壁结构的中空球棒，并且最近，出现了具有多壁结构的中空球棒。
单壁球棒在其筒身部位通常包括单管状弹簧。多壁筒身在其筒身部位通常包括两个或更多个管状弹簧或类似结构，它们可以是相同的或不同的材料组成。通常，这些多壁球棒中的管状弹簧通常或者彼此接触，使得它们构成摩擦接合点，通过焊接或粘合胶而彼此结合，或者彼此分离形成无摩擦接合点。如果使用结构粘合剂或其它结构粘合材料将管状弹簧结合起来，那么筒身基本上为单壁结构。
中空球棒通常表现出被称为“蹦床效应”的一种现象，其主要是指由于球棒与球之间的动态耦合(dynamic coupling)引起的离开球棒筒身的球的反弹速度。通常希望构造一种具有高“蹦床效应”的球棒，从而一旦接触，球棒就可为所投掷的球提供高反弹速度。
发展多壁球棒的努力方向是增加容许的筒身挠曲度，使其超过典型单壁和实木设计中可以实现的挠曲度。这些多壁结构通常提供更大的筒身挠曲度，同时不会使应力增加超过筒身材料的材料使用极限。因此，多壁筒身通常更有效地将能量回传给球。通常，通过消除筒身层之间的剪切界面的相互影响来降低筒身刚度，使得多壁球棒实现更高的性能。较低的筒身刚度减少了很大程度上影响效率的球的变形，并增加了筒身的变形。筒身变形在使碰撞能量返回至球方面更为有效，因此产生了改进性能的效果。
图1示出了多壁球棒100的实例。球棒100的筒身102包括内壁104，通过界面剪切控制区(ISCZ)108或层，例如弹性材料层、摩擦接合点、抑制结合层、或其它适当的剪切控制区或层，内壁与外壁106分离。内壁104和外壁106中的每个通常包括由一种或多种纤维加固合成材料制成的一个或多个层片(ply)110。另外或可替换地，内壁104和外壁106之一或都可以包含诸如铝的金属材料。
多壁球棒不同于单壁球棒的一个方面是，通过多壁筒身中的ISCZ，即通过筒壁之间的用来消除这些壁之间的剪切界面的相互影响的区域，没有剪切能量的传递。应变能平衡的结果是，在单壁筒身中产生剪切变形的该剪切能量被转换为多壁筒身中的弯曲能量。并且由于在传递能量的过程中弯曲变形比剪切变形更为有效，所以多壁球棒的壁通常比单壁设计表现出更低的应变能损失。因此，对于产生有效的球棒-球碰撞动能或更有效的动态耦合“蹦床效应”来说，多壁筒身通常优于单壁筒身。
为了示例的目的，图2示出了典型木质球棒筒身、典型单壁球棒筒身、及典型双壁球棒筒身的相对性能特性的曲线对比。如图2所示，双壁球棒通常比单壁球棒和木质球棒沿筒身长度的性能更好。虽然双壁球棒通常沿筒身长度产生了改进的效果，但是当碰撞在离开筒身的“最有效击球点”处发生时，这些效果还是会降低的。
最有效击球点是从球棒到球的能量传递最大而到打球者手部的传递能量最小的位于筒身上的碰撞位置。最有效击球点通常位于球棒的敲击中心(COP)与棒的前三个基本振型的重叠之间的交叉点处。当球棒以其基本弯曲模式振动时，该位置不会移动，该位置通常在距离筒身的自由端大约4至8英寸处(仅为了示例的目的，在图2中该位置被示为距离筒身自由端6英寸处。因此，当球碰撞最有效击球点时，球棒振动能量损失最小，并且挥动球棒的打球者只能感到很小的振动或感觉不到振动。
当球撞击球棒的位于主振动节点或COP附近以外的位置时，球棒变形至其基本和谐振(harmonic)振型。此变形的大小是被激发的振型以及从振动节点和COP至碰撞位置的距离的正函数。如果球棒进入其振型的加速度相当高，并且处于特定频率下，则球棒将振动并产生激波。
激波以高速传播，并且根据其能量实际上可以刺痛打球者的手部。通常，由于远离COP的碰撞所导致的和/或由于远离球棒主振动节点的碰撞引起的模态振动所导致的刚体转动造成球棒把手上的位移，从而产生刺痛。这种特性的碰撞通常被称为“偏离中心的撞击”，因为球棒筒身的“最有效击球点”通常大约位于其长度的中心，其中COP和第一主振动节点彼此非常接近。由于偏离中心的撞击引起的刺痛可能分散打球者的注意力并使其感到疼痛，因此是不期望的。为了使刺痛最小，并改善球棒的“触感”，在由于偏离中心的撞击导致的激波到达球棒把手之前，必须将其吸收或以其它方式使其削弱。
而且，具体地说，由于振动及转动惯量的作用导致的能量损失，使得最有效击球点与筒身的自由端之间的以及最有效击球点与球棒的渐缩或过渡段(以及以外的部分)之间的筒身区域没有表现出最有效击球点处所发生的最优性能特性。确实，如图2所示，在典型的球棒中，当碰撞位置移动离开最有效击球点时，筒身性能显著下降。因此，打球者需要与被投掷的球进行非常精确的接触，以实现最优效果并避免令人感到刺痛的球棒振动，而这种精确的接触通常是具有极大挑战性的。
球棒设计中的另一个重要因素是球棒的“反冲点(kick point)”的位置。反冲点是球棒转动过程中发生的惯性所引起的球棒中的最大曲率点。低反冲点球棒(即仅在手部上方发生弯曲的球棒)可以传递高能量但经常易于滞后，从而导致通常不佳的球棒表现。相反，因为普通球棒在此位置处的直径相对较大，高反冲点球棒(即在接近筒身的位置发生弯曲的球棒)经常缺少足够大的反冲能量以使球棒有效，从而此类球棒在该区域中非常僵硬。
因此，存在对于这样的球棒的需要，即该球棒呈现改进的性能、挠性、和触感，特别是当球离开最有效击球点撞击球棒的时候。此外，存在对于这样的球棒的需要，即该球棒由于材料的选择和制作(tailoring)而呈现出改进的性能、挠性、和/或触感。该球棒可以是单壁或多壁的组合球棒，并且可以选择性地包含金属或其它适宜的材料。
发明内容
一方面，由于有计划地布置了球棒筒身中的界面剪切控制区(ISCZ)，使得在离开筒身最有效击球点的区域中改进了球棒性能和/或触感。另外或可替换地，ISCZ可以有计划地设置在球棒把手和/或球棒的渐缩段中，以改善这些部分的柔度和整体性能。
在其它或可替换方面，球棒包括一种或多种组合材料构成的多层。设置一个或多个整体碰撞衰减(ISA)区域(该区域比球棒中的一个或多个相邻区域具有显著更低的轴向刚度)，以减少由“偏离中心的撞击”引起的激波。当这些激波进入ISA区域中时，它们被吸收或衰减。ISA区域可被合并到过渡区、把手、和/或球棒的筒身中，以提供振动阻尼、碰撞衰减、刚度控制、增强的挠性、和/或改善的触感。
在其它或可替换方面，球棒在位于离开球棒筒身最有效击球点的区域中表现出改进的性能，这是在这些区域中进行分散薄片制作的结果。通常，在离开最有效击球点的球棒筒身区域中，制作一层或多层或薄片，以增加这些区域中的筒身的径向柔度，即减少径向刚度，使得它们通过改进的筒身力学结构而表现得更类似于筒身的最有效击球点。此外或可替换地，可以将球棒把手和/或球棒的渐缩段中的一层或多层薄片制作成增加(或降低)这些区域中的径向柔度。
在其它或可替换方面，在组合球棒中，一个或多个阻尼元件主要位于球棒的一个或多个抗振节点处或附近，以提供振动阻尼和/或改善的球棒“触感”。阻尼元件可由粘弹性和/或弹性材料、和/或其它减振材料制成，并可位于球棒的筒身、把手、和/或减缩或过渡区中。
在其它或可替换方面，在球棒的过渡段(和/或筒身和/或把手)中包括集中屈曲区域。该集中屈曲区域由径向外部区域和径向内部结构区域构成，径向外部区域包含阻尼材料，该阻尼材料比球棒中的周围结构材料具有更低的轴向弹性模量，径向内部结构区域具有比球棒中的纵向相邻结构区域的外径更小的外径。
在下文中将出现本发明的其它特征和优点。上述的本发明特征可以单独使用或一起使用，或者以它们中的一个或多个的各种组合方式使用。本发明还在于所述特征的子组合(sub-combination)。
附图说明
在整个附图中相同参考标号表示相同元件，附图中：
图1是多壁球棒的部分截取视图；
图2是比较典型木质球棒、典型单壁球棒、和典型双壁球棒的相对性能特性的曲线图；
图3是球棒的侧视图；
图4-7是根据四个独立的“多壁”实施例的图3所示球棒的区域1-3的横截面图；
图8是比较典型双壁球棒筒身和使用多个界面剪切控制区以形成“多壁”球棒的球棒筒身的相对性能特性的曲线图；
图9-10是根据两个可替换实施例的图3所示球棒筒身的区域1-3的横截面图；
图11是包括位于球棒的渐缩段中的ISA区域的球棒的局部侧截面图；
图12是包括位于球棒的把手中的并延伸进球棒渐缩段中的ISA区域的球棒的局部侧截面图；
图13是包括位于球棒的把手中的并延伸进球棒渐缩段中的夹层结构ISA区域的球棒的局部侧截面图；
图14是包括位于球棒筒身中的多个ISA区域的球棒的局部侧截面图；
图15是显示石墨层片和s玻璃层片的轴向和径向杨氏(Young’s)模量的表格，其中层片位于相对于球棒纵向轴线而言的不同角度处；
图16是概念性地示出了典型球棒筒身的每个区域中为优化球棒筒身性能所需的径向柔度量的曲线图；
图17是图3所示球棒筒身的区域1-3的至少局部的横截面；
图18是比较典型双壁球棒筒身和使用分散薄片制作的优化球棒筒身的相对性能特性的曲线图；
图19是球棒的侧视图；
图20是图19的部分X的局部剖视图；
图21A是根据一个实施例的图20的部分Y的放大视图；
图21B是根据另一实施例的图20的部分Y的放大视图；
图21C是根据再一实施例的图20的部分Y的放大视图；
图22是示出了根据一个实施例的球棒的主要抗振节点的概念性位置的球棒的侧视图；
图23是包含集中屈曲区域的球棒的局部侧截面图；
图24是集中屈曲区域的一种可能结构的局部侧截面图。
具体实施方式
现在将描述本发明的各种实施例。为了全面的理解并且为了能够描述这些实施例，以下的描述提供了特定的细节。但是，本领域技术人员将可以理解，在没有这么多细节的情况下也可实施本发明。此外，可能未详细地示出或描述一些公知的结构或功能，以便避免不必要地使各种实施例的有关描述变得含糊。
应该以最广义合理的方式解释以下呈现的描述中所使用的术语，即使该术语是结合本发明的某些特定实施例的详细描述而使用的。但是，在下文中也可对某些术语进行强调，旨在以任何限定方式解释的任何术语将在此详细描述部分被公然且特意定义成这样。
如图3所示，在下文中被共同表示为“球棒”或“棒”的棒球球棒或垒球球棒10包括把手12、筒身14、以及将把手12结合至筒身14的过渡区或渐缩段16。把手12的自由端包括棒头(knob)18或类似结构。筒身14优选地由适当的盖子、塞子、或其它端盖20封闭。棒10的内部优选地是中空的，这有助于使得棒10相对较轻，从而打球者在挥动棒10时可以产生相当大的棒速。
球棒10优选地具有20至40英寸的全长，更优选地是26至34英寸。整个筒身直径优选地是2.0至3.0英寸，更优选地是2.25至2.75英寸。典型棒具有2.25、2.625、或2.75英寸的直径。这里针对的是具有这些全长和筒身直径以及其它适宜尺寸的各种组合的棒。棒尺寸的特定优选组合通常由棒10的使用者来指定，并且对于不同的使用者来说组合可以大不相同。
棒筒身14可以是单壁或多壁结构。如果它是多壁结构，则筒壁可以由一个或多个界面剪切控制区(ISCZ)分离，如美国专利申请序列号10/903,493中详细描述的。所使用的任何ISCZ优选地具有大约0.001至0.010英寸的径向厚度，更优选地是0.004至0.006英寸。可以可替换地使用任何其它适当尺寸的ISCZ。
ISCZ可以包括抑制结合层、摩擦接合点、滑动接合点、弹性接合点、两种不同材料(例如铝和复合材料)之间的界面、或用于将筒身分离成“多壁”的任何其它适宜元件或装置。如果使用抑制结合层，则其优选地由诸如Teflon(聚氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)、ETFE(乙烯基四氟乙烯)、PCTFE(聚三氟氯乙烯)、或PVF(聚氟乙烯)的含氟聚合物材料和/或诸如PMP(聚甲基戊烯)、尼龙(聚酰胺)、或玻璃纸的另外的适宜材料制成。
在一个实施例中，一个或多个ISCZ可以与筒身材料的层形成为一体或嵌入该层内，使得筒体14作为一体/多壁结构。在这种情况下，在筒身至少一端处的筒身层优选地是混合在一起的，以形成一体/多壁结构。整个球棒10也可以形成为“一体”。一体棒设计通常是指筒身14、渐缩段16、和棒10的把手12不具有缝隙、插入物、封套、或用来适当加厚筒壁的结合结构。在这样的设计中，独特的层压层优选地一体形成为筒身结构，使得它们在载荷条件下都能谐调动作。为了实现一体设计，棒10的层优选地是共同固化的，因此不是由成串的连接管(插入物或封套)构成的，其中每个管在管的端部具有独立的壁厚。
在一个或多个ISCZ周围将筒壁混合成一体结构(类似于将板簧的端部系结在一起)提供了稳定且耐久的装配，特别是对于当碰撞发生在筒身14的末端时。将多个层压层结合在一起确保了系统作为组合结构而动作，其中没有一层是独立于其它层而工作的。通过将应力重新分配至筒身末端而降低了局部应力，使得棒的耐用性提高。在可替换的多壁实施例中，棒和/或筒身层不会在任何一端混合在一起。
一个或多个筒壁优选地每个均由一个或多个复合层片25构成。构成层片的复合材料优选地是纤维加固的，并且可以包括玻璃纤维、石墨、硼、碳、芳族聚酰胺(如Kevlar
)、陶瓷、金属、和/或任何其它适宜的结构性纤维材料，优选地是环氧形式或另一适宜形式。每个复合层片优选地具有大约0.002至0.060英寸的厚度，更优选地是0.003至0.008英寸。可替换地，可以使用任何其它适宜的层片厚度。
在一个实施例中，棒筒身14可以包括混合的金属-复合结构。例如，筒身可以包括由复合材料制成的一个或多个壁以及由金属材料制成的一个或多个壁。可替换地，复合材料和金属材料可散布于给定的筒壁内。当筒身包括诸如铝部的金属部以及复合部时，可以制作复合部的区域，以实现筒身优化，如下文中详细所述。在另一实施例中，可替换地或附加地，诸如高强度碳纳米管复合结构的纳米管可以用在筒身结构中。
增加棒筒身中壁的数目也增加了棒筒身中容许的挠曲度，而且通过一个或多个ISCZ的有计划布置而将剪切能量转化为弯曲能量。因此，改进了棒的蹦床效应。但是，在现有的多壁棒中，由于碰撞发生在离开最有效击球点越远的位置，筒身性能必然下降得更多，因此无法在筒身的整个长度上达到最优效果。
为了该描述的目的，如图3-7、16、和图17所示，棒筒身14被分为三个概念性区域或区。第一区域21或“区1”大体从球棒10的渐缩段16延伸至靠近棒筒身14的“最有效击球点”(如上所述)的位置。第二区域22或“区2”大体从棒筒身14的自由端延伸至靠近最有效击球点的位置。第三区域24或“区3”在第一和第二区域21、22之间延伸，并包括筒身14的最有效击球点。
如同区的总数目可以变化一样，这些区的实际尺寸和位置也可以变化。此外，各个区可以具有不同的长度并可占据不同的区域。例如，区1可以延伸到球棒10的渐缩段16，沿筒身的长度(以及超出该长度)可勾画出无数多的区，区3可窄于区2，等等。因此，附图中示出的特定区1-3仅是用于更容易进行描述。
为了改进区1和/或区2的筒身性能，可以采用分离的“多壁”方法，该方法是通过一个或两个区中的ISCZ的有计划布置而建立的。在一个筒身实施例中，如图4所示，第一ISCZ 30位于棒筒身14的区3中。第一ISCZ 30优选地位于棒筒身14的中轴处或附近，在该位置筒身14中的剪切应力是最高的。以这种方式，优化量的剪切应力可被转换成弯曲应力。第一ISCZ 30可以可替换地位于棒筒身14的区3中的任何其它径向位置处。如果筒身14由均匀的各向同性层制成，则中轴大体位于筒壁的径向中点处。如果在筒身14中使用了不只一种复合材料，和/或如果材料不是均匀地分布，则中轴可以位于能够易于确定的不同位置处。
为了便于描述，认为图4-7所示实施例中使用的复合筒身材料是均匀的各向同性层，从而筒身14的中轴大体位于筒壁的径向中点处。但是实际上，复合材料和/或金属材料的任何适宜的组合均可用于构造筒身14，从而中轴可位于筒身14中的其它位置处。而且，一旦ISCZ被添加到筒身14上，则ISCZ将筒身14分成两个筒壁，每个筒壁具有自己的中轴，如美国专利申请序列号10/712,251中所详细描述的。
返回图4所示的实施例，区1包括两个ISCZ 32、34，并且区2包括两个ISCZ 36、38。ISCZ 32、34、36、38中的每一个均可以大体位于径向筒身厚度的三分之一处，或者可以以其它方式定位。通过将两个ISCZ定位在棒筒身14的区1和区2中的每个区中，这些区域必然形成为三壁结构，并因此表现出与必然为双壁结构的区3相比而言增加的挠曲度。因此，区1和区2的筒身挠曲度和蹦床效应相对于区3提高了，从而使得它们更接近棒筒身14的区3的性能。因此，当球在区1或区2处撞击筒身14时，筒身14产生蹦床效应，该蹦床效应更接近在球棒最有效击球点处产生的蹦床效应。
在图4所示的实施例中，ISCZ 32、34、36、38被定位成使得它们与区3中的第一ISCZ 30是连续的。此外，区1中的ISCZ 32、34与区3中的ISCZ 36、38基本对称。ISCZ 32、34、36、38中的一个或多个可以可替换地与第一ISCZ 30不连续，并且区1中的ISCZ 32、34可以与区3中的ISCZ 36、38不对称，下文中将进一步描述。
在图5和6所示的筒身实施例中，在棒筒身14的区1中设置比区2中更多数目的ISCZ。由于转动惯量的作用，这样的布置可能是优选的。在典型的棒挥动过程中，由于与区2相比，区1相对更靠近棒把手12，所以区1中产生的转动惯量小于区2中产生的转动惯量。因此，区1中的棒性能通常劣于区2中。为了抵消性能上的差异，在图5和6所示的实施例中，在区1中包括比区2更多数目的ISCZ，以使区1中的筒身挠曲度增大到大于区2中的程度。
在图5所示的筒身实施例中，连续的ISCZ 40大体在筒壁的径向中点处贯穿区1、区2、和区3。两个分离的不连续的ISCZ 42、44位于区1中并处于ISCZ 40与棒筒身14的中轴之间，同时另外的不连续的ISCZ 46位于区1中并处于ISCZ 40与棒筒身14的外表面之间。因此，区1包括总共四个ISCZ，使得筒身14在区1中必然表现为类似于5壁结构。区2包括位于ISCZ 40与棒筒身14的中轴之间的一个不连续ISCZ 48，以及位于ISCZ 40与棒筒身14的外表面之间的另外的不连续ISCZ 50。因此，区2包括总共三个ISCZ，使得筒身14在区2中必然表现为类似于4壁结构。
在图6所示的筒身实施例中，区3包括大体位于筒壁的径向中点处的一个ISCZ 60。区1包括位于筒壁的径向中点与外表面之间的两个ISCZ 62、64，以及位于筒壁的径向中点与筒身14的中轴之间的一个ISCZ 66。因此，区1包括总共三个ISCZ，使得筒身14在区1中必然表现为类似4壁结构。区2包括位于筒壁的径向中点与外表面之间的一个ISCZ 68，以及位于筒壁的径向中点与筒身14的中轴之间的一个ISCZ 70。因此，区2包括总共两个ISCZ，使得筒身14在区2中必然表现为类似于3壁结构。区1中的三个ISCZ62、64、66和区2中的两个ISCZ 68、70都与区3中的ISCZ 60相连续。
图5和6所示的筒身实施例示出了这里所预期的设计挠性。例如，区1和区2中的一个或多个ISCZ可以与区3中的一个或多个ISCZ相连续或不连续，区1-3的任何一个区中的一个或多个ISCZ可以位于筒壁的径向中点与外表面之间、位于筒壁的径向中点处或附近、和/或位于筒壁的径向中点与棒筒身14的中轴之间，等等。此外，区1和区2彼此可以包括彼此相同数目或不同数目的ISCZ。
重要的是，ISCZ的终点不必特意出现在两个区相遇的位置。实际上，ICSZ可以重叠或位于一个以上的区中，并且这些区可以比附图中描述的区更短或更长。而且，可以设置更多或更少数目的区。实际上，这些“区”仅用于示例的目的，而并非为了提供任何类型的实际或理论上的隔断。因此，根据无数的设计，ISCZ可以位于棒筒身14中(以及渐缩段16和把手12中)的各种各样的位置处，以实现所需的筒身和整体的球棒性能特性。
为此，在一些实施例中，可以希望在位于最有效击球点之外的至少一个筒身区域中比位于包括最有效击球点在内的筒身区域中具有更多数目的ISCZ，以便在那些区域中提供改进的筒身挠曲度和蹦床效应。此外，在一些实施例中，可以希望在棒的渐缩段与最有效击球点之间的筒身区域中比最有效击球点与筒身自由端之间的区域中包括更多数目的ISCZ，以补偿那些区域中的转动惯量作用的差异。但是可以认识到，根据具体球棒的设计目标，可以在筒身的任何区域(以及球棒的其它部分)中以任何合适的结构设置任何合适数目的ISCZ。
图7示出了可替换筒身实施例，其中棒筒身14包括金属外部区域80和复合内部区域82。金属外部区域80优选地通过诸如抑制结合层的适当的ISCZ 86而与复合内部区域82分离。可替换地，金属外部区域80与复合内部区域之间的非结合界面本身可以形成ISCZ。
金属外部区域80优选地包括铝和/或其它合适的金属材料。复合内部区域82优选地至少在筒身14的区1和区2中包括一个或多个ISCZ 84，以在那些区域中提供增加的筒身挠曲度。由于金属外部区域80的出现，这种混合的金属/复合结构提供了增加的耐用性，同时由于在复合内部区域82的特定区中一个或多个ISCZ的布置，这种混合的金属/复合结构还提供了增加的区域筒身挠曲度的优点。在可替换实施例中，筒身14可以包括复合外部区域和金属内部区域。
图8示出了典型双壁棒筒身(图8的曲线图中的双壁筒身曲线与图2的曲线图中所示的双壁筒身曲线相同)与“多壁”棒筒身的相对性能特性的曲线对比，其中多壁棒筒身在棒筒身14的区1和区2中结合了附加的ISCZ。如图8所示，通过在棒筒身14的区1和区2中设置附加的ISCZ，与典型双壁棒相比，通常改进了沿筒身14长度的性能。
图9和10示出了可替换实施例，其中单一连续的ISCZ贯串棒筒身的区1、区3、和区2，并必然形成了双壁棒筒身。但是，在这些实施例中的单一连续ISCZ与区1、区2、和区3的每一个中的一个以上的层片相交叉，即每个筒壁的厚度在整个筒身长度上是变化的。因此，棒筒身不会表现得类似于典型双壁筒身，该典型双壁筒身在基本相同的径向位置处具有沿筒身长度延伸的单一连续ISCZ。
图9示出了包括单一连续ISCZ 90的棒筒身，该ISCZ在区3中比在区1和区2中更靠近筒身14的外表面而延伸。图10示出了包括单一连续“台阶状”ISCZ 92的棒筒身，该ISCZ在区2中比在区3中更靠近筒身14的外表面而延伸，并且在区3中比在区1中更靠近筒身14的外表面而延伸。连续ISCZ无需对称，并且其可以定位成与图9和10所示实施例逆向，或者其可以以任何其它适宜方式定位。通过在整个棒筒身的范围内改变单一连续ISCZ的位置，可以增加和/或改变筒身的最有效击球点。在可替换实施例中，连续ISCZ在较少数目的区或筒身区域中可以与多于一个的层片交叉，使得筒壁的厚度仅在那些区域中发生变化。
可以进一步构思，ISCZ可以位于球棒10的棒把手12和/或渐缩段16中(以对于偏离筒身的撞击提供增加的变形)，以在那些区域中提供增加的挠曲度。由于弯曲变形所导致的有效能量转移(与剪切变形相反)，在棒把手12中使用ICSZ提供了增加的把手柔度。此外，当设置更多数目的界面来消散振动能量时，通过使用一个或多个ICSZ来减弱把手12的振波，改善了棒10的“触感”。
相比于如果将ISCZ设置在更靠近把手12的使用者握持部位的情况，当一个或多个ISCZ以靠近渐缩段16的方式被设置在把手12中时，球棒10在挥动期间对轴向对齐表现出更快的“迅速弹回”。这种更快的迅速弹回通常被产生高速挥动速度的有经验打球者所喜爱。将ISCZ设置在更靠近把手12上的握持部位易于使有经验的打球者失去对棒的控制，这是由于棒10在球撞击时刻或临近该时刻的时候太慢而不能返回轴向位置。
但是，因为较少经验的打球者易于将棒“推动”穿过打击区，所以对于初学者来说，可能优选地是将ISCZ以靠近使用者握持部位的方式定位在棒把手12中，并且因此不会导致棒10显著地“折弯”到轴向对齐状态之外。本领域技术人员将认识到，ISCZ在把手12中的特定布置通常取决于余下的棒把手12的挠性、棒筒身14的重量、将来使用者的技能水平、以及把手12中所用的材料。
图11-15示出了一些实施例，其中，在球棒10中包括一个或多个整体碰撞衰减(ISA)区域。参照图11，ISA区域130位于球棒10的过渡区或渐缩段16中。ISA区域130(以及以下所述实施例中的其它ISA区域)包含一个或多个高衰减和/或低模量材料，这些材料在从进入ISA区域130的激波中消散或减弱振动能量方面是有效的。构成ISA区域130的一种或多种材料优选地比纵向位于棒结构中的ISA区域130上方和/或下方的相邻材料具有低得多的纵向或轴向杨氏模量。因此，假设是相对均匀的截面厚度，则ISA区域130比纵向位于ISA区域130上方和/或下方的材料(即图11中的筒身14和把手12的材料)具有更低的轴向刚度(结构轴向刚度＝轴向杨氏模量×材料的横截面模量)。
ISA区域130优选地由一种或多种材料制成，这些材料具有的轴向杨氏模量是纵向位于棒结构中的ISA区域130上方和/或下方的相邻材料的轴向杨氏模量的15-85％、或30-70％、或40-60％、或50％。例如，ISA区域130可以由具有大约3-7msi、或4-6msi的轴向杨氏模量的材料制成，而棒结构的相邻区域可以具有大约8-12msi或10msi的轴向杨氏模量。
如图15的表格所示，所给材料层片(表格中仅以示例方式示出了石墨和玻璃纤维类型的s玻璃)的轴向杨氏模量随着其相对于球棒10的纵轴135的方向而变化。因此，为ISA区域130而选择的特定材料可以根据棒结构内的材料层的方向而改变。
为了满足上述实例中规划的参数，例如，ISA区域130可以包括包含加固的s玻璃纤维的一个或多个复合层或层片，其中大体上每个层片均定向在相对于球棒的纵轴而言10°至20°的角度处(从而每个层片的轴向杨氏模量是大约4.21-5.87msi)。类似地，ISA区域130可以包括包含加固的石墨纤维的一个或多个复合层或层片，其中大体上每个层片定向在相对于球棒的纵轴而言25°至35°的角度处(从而每个层片的轴向杨氏模量是大约4.02-6.47msi)。
其它可能的ISA区域材料包括，但不限于，包含加固纤维的复合层或层片，所述纤维是芳族聚酰胺(例如Kevlar
、Spectra
、等等)、PBO(Zylon
)、UHMWPE(超高分子量聚乙烯)，和/或在各个层片方向上具有相对较低轴向杨氏模量和/或其它具有高阻尼特性的任何其它合适的材料。诸如弹性橡胶的粘弹性材料也可以用在ISA区域130中。ISA区域130优选地还包括加固树脂(诸如热固树脂、热固塑料、和/或注入树脂)、或任何其它合适的树脂。
通过将ISA区域130设置在球棒10的过渡区或渐缩段16中，可以削弱棒结构中的振动能量，同时不会影响筒身的动力学性能。低模量、高阻尼的ISA层用作偏中心撞击导致的从简身14朝向球棒10的把手12传播的激波的消散隔层。ISA区域130削弱或吸收激波，从而基本上或完全防止了激波到达棒把手12和打球者的手部。因此，基本上降低或消除了刺痛。
参照图12，在另一实施例中，ISA区域140位于球棒10的其中把手12并入渐缩段16的区域中，从而ISA区域140同时位于球棒10的把手12和渐缩段16中。由于其相对低的横截面模量，使得将ISA区域140定位在该部分中是有利的，这有助于该部分的相对低的轴向刚度，从而有助于ISA区域140的振动运动消散进入ISA区域140中的激波能量。
参照图13，在另一实施例中，ISA区域150形成为包括插入物155的夹层结构，该插入物由一种或多种高阻尼材料制成并由加固纤维复合材料的一个或多个层片包围。插入物155优选地是粘弹或弹性橡胶、聚氨酯、和/或泡沫材料，或使振动能量有效衰减的任何其它适宜材料。在ISA区域150中包括这样的插入物155可以增加ISA区域150的效率和耐用性，特别是在包围ISA区域的纤维具有低压缩强度和/或弱应变能恢复性的情况下。夹层ISA区域150可以位于把手12、渐缩段16、和/或棒结构的任何其它适当的区域中。在图14中仅以示例的方式示出了夹层ISA区域150，其位于球棒10的其中把手12并入渐缩段16的区域中。
参照图14，在另一实施例中，两个(或更多个)ISA区域160、170可以用来将棒筒身14的撞击部位与球棒10的把手12和端盖20相隔离。球棒10的端盖20通常比相邻筒身部分的刚度大，从而端盖20可为棒筒身14的开口端提供充足的耐用性。为了刚化棒筒身14的端部，通常的方法是锻造棒筒身的端部、轧制筒身的边缘，以形成完整或接近完整的盖子、和/或用聚氨酯或类似的半刚性材料填充筒身。
但是，端盖20的刚化可能增加球棒10的振动响应，同时使得筒身的充分运动不能有效地消散振动能量。通过将第一ISA区域170定位成邻近棒10的端盖20，以及将第二ISA区域160定位在棒10的渐缩段16(或把手12)处或附近，使得在棒10的撞击部位处引起的振动与把手12和端盖20隔离，从而只有很少的或没有振动能量传播到棒把手12(和打球者手部)或相对刚性的端盖20。因此，基本上降低或消除了刺痛。
在上述的任何ISA实施例中，所用的ISA区域可以占据单壁筒身设计中的棒壁的整个径向厚度(例如，图11-14所示)或仅占据该径向厚度的一部分。在多壁筒身设计中，ISA区域可以仅包含在棒壁的一个壁中或包含在棒壁的两个或更多个的壁中。此外，用于多壁筒身中的任何ISA区域可以占据棒壁中的一个或多个壁径向厚度的全部或一部分。虽然当一个或多个ISA区域占据整个径向壁厚度时激波通常将会被更好地削弱，但是一个或多个ISA区域可以占据径向壁厚度的任何合适的部分。
一个或多个ISA区域的结构层方向可以改变，以获得所需的振动衰减等级。图15的表格示出了如何通过改变层片相对于球棒10的纵轴的方向来更改给定材料(作为实例示出了石墨和s玻璃)层片的轴向杨氏模量以及层片的轴向刚度。通过以这种方式改变一个或多个ISA区域层片，可以制作ISA区域，以满足各种各样打球者的需求。例如，可以操控球棒10中一个或多个ISA区域的整个范围的轴向刚度，为经验少的打球者提供较大的弹性回弹，或者为经验多的打球者提供较小的弹性回弹。ISA区域也可以位于球棒10的特定区域中，以在那些区域中提供增加的挠性。
图16-18针对棒性能的优化，该优化是通过在离开最有效击球点的至少一个筒身区域中增加径向柔度来实现的。在典型的现有单壁金属棒中，材料强度和各向同性行为已被限制到棒刚度可以沿棒的纵轴而改变的程度。因为没有足够的材料强度，降低靠近筒身端部(端盖处或渐缩段处)的棒筒身的刚度通常降低了棒的耐用性。但是，复合材料的各向异性强度使得棒设计者能够独立地改变峰值(hoop)和棒筒身沿棒纵轴的轴向刚度。多壁复合棒可以提供比单壁设计甚至更大的在筒身刚度方面的降低，并因此通常是优选的。但是，使用以下技术也可以加强单壁筒身。
众所周知，当撞击发生在棒筒身的最有效击球点以外时，典型球棒的性能会下降。通常，离开球撞击棒的最有效击球点越远，球棒性能就越不优化。此外，众所周知，由棒的挥动所产生的转动惯量在棒的自由端处大于在棒的渐缩段处。这种转动惯量有助于棒的整体性能。因此，在没有进行分散的薄片制作以及其它加强手段的情况下，筒身性能通常在球棒的区2中要优于区1中。
因此，为了在筒身整个长度上优化筒身的性能，必须改进棒筒身14的区2，特别是区1的性能。增加区1和区2的径向柔度，即减小径向刚度，是改进棒筒身14的这些区域的性能的一个方法。通过相对于区3而增加区1和区2中的径向柔度，使得棒筒身14的处于渐缩段与最有效击球点之间的区域以及处于自由端与最有效击球点之间的区域可以表现得更类似于棒筒身14的最有效击球点。
图16是概念性地示出了棒筒身14的区1和区2中为在筒身整个长度上优化筒身性能(即，使得筒身14的区1和区2的性能更接近区3(及最有效击球点)的性能)而要求的径向柔度量的曲线图。如图16所示，由于在区2中相对于区1发生了更大的转动惯量(如上所述)，所以区1中比区2中需要更大的径向柔度，即更低的径向刚度。
在一个示例性实施例中，为了优化棒筒身14的性能，即为了使所有的三个筒身区中的性能基本相同，通常将区1中的径向刚度制作成是区3中的径向刚度的5％至75％，并且通常将区2中的径向刚度制作成是区3中的径向刚度的10％至90％。在一个优选实施例中，区3中的径向刚度被制作成大约是3000磅/英寸，区1中的径向刚度被制作成小于1000磅/英寸，而区2中的径向刚度被制作成小于2000磅/英寸，如下文详细所述。
当然每个区域中的径向刚度可以高于或低于这些范围，并且不是每个区域均必须被制作成满足图16所示的柔度曲线。虽然满足柔度曲线的棒筒身是理想优化的，但是棒筒身可以被设计成仅在一个区域、或两个区域、或所有三个区域中增加了(或减少了)径向柔度，并且可以将任何给定区域中的径向柔度更改成比上述示例性实施例中规划的更大或更小的程度。
图17示出了根据一个实施例的筒身层的区1-3的至少一部分的示例性横截面。例如，筒身14可以包括任何适当数目的复合层、和/或其它材料的层，并可以通过一个或多个ISCZ被分成任何适当数目的壁。可替换地，筒身14可以包括不具有ISCZ的一个单壁。而且，可以将一个或多个区分成两个或更多个壁，同时一个或多个其它的区可以仅包括单壁。当然，所出现的任何ISCZ可以终结于任何点处或在筒身14的整个长度上(或者更长)延伸，并且不必终结于两个概念性区域相遇的位置。实际上，任何ICSZ可以重叠两个或更多个区，并且可以终结于两个区之间或单个区内，如美国专利申请序列号10/903,493中详细所述。
可以通过一种或多种方法在一个或多个筒身区域中实现增加的径向柔度或降低的径向刚度。在一个实施例中，棒筒身14中的各个复合层或层片可以被定向在相对于球棒10的纵轴而言的不同角度处，以增加棒筒身14的一个或多个区域中的径向柔度。通常，层片被定向成越靠近球棒10的纵轴，则径向柔度增加及径向刚度降低得越多。因此，随着从棒的纵轴所测量的层片角度方向的增加，层片的径向柔度降低，即当层片被定向成与球棒10的纵轴成90度(例如，如图15的表格中所示)时，径向刚度最大。
因此，例如，沿筒身14长度延伸的复合层片可以被定向成，相对于球棒纵轴而言的角度在区1中比在区2中要小，并且在区2中比在区3中要小，以优化该层片的柔度。例如，图17中的层1(仅为了方便示例，其被示出为相对于棒纵轴被定向成基本为零度)可以相对于棒的纵轴被定向成，在区1中是+/-10°，在区2中是+/-20°，而在区3中是+/-60°。当然，这仅是无数多个可能的层方位组合中的一种。
在此实例中，区1中的层1的径向刚度小于区2中的，并且区2中的小于区3中的(假设层1由均匀的材料制成，并具有均匀的厚度，等等)。因此，相对于区3而言，径向柔度在区2中增加了，并且在区1中径向柔度增加得甚至更多，以在区1和区2中更好地接近区3的性能(即，基本满足图16所示的柔度曲线)。
通常，希望将棒筒身14作为一个整体来优化，虽然仅优化特定的区域也可能是需要的。因此，虽然通常可能要遵循的概念是在棒筒身14的需要增加柔度的区域中层片可以被定向在相对于棒10的纵轴而言的较小的角度处，但是每个独立的层片不必非以这样的方式定向，以改进整体的筒身柔度。实际上，只要在需要增加径向柔度的筒身区域中层片相对于球棒10的纵轴而言的角度方位通常小于需要较小柔度或不需柔度的区域中的角度方位，则通常将会改进棒筒身14的相对的整体径向柔度(假设筒身层由均匀的材料制成，并具有均匀的厚度，等等)。
在另一实施例中，在筒身的一个或多个区域中的一个或多个筒壁的厚度可以相对于其它筒身区域而减小，以降低在减小厚度的区域中的径向刚度。例如，在区1和/或区2中的筒壁的厚度可以相对于区3中的对应的筒壁厚度而减小。通过在那些区域中的一个或两个区域中减小筒壁的厚度，那些区域中的径向刚度可以相对于棒筒身14的区3中的径向刚度而降低。
类似于上述的层方位实施例，筒壁厚度可以在区1中比在区2中减小更多的程度，以使径向刚度在区1中比在区2中降低更多的程度(假设使用均匀的筒身材料、层方位，等等)。因此，区1和区2中的径向柔度可以根据图16所示的柔度曲线增加，以优化筒身性能。
在另一实施例中，具有不同径向刚度特性的不同材料可以位于不同的筒身区域中，以优化整个筒身14的筒身刚度。例如，比位于棒筒身14的其它区域中的材料具有更低径向刚度(在给定方位处)的材料可以设置在筒身14的区1和/或区2的部分中(或如果希望的话，设置在区3的部分中)，以相对于筒身14中的其它区域而降低那些区域中的径向刚度。如同上述的实施例，通常希望在区1中比在区2中降低径向刚度的程度更大。因此，在预定的层方位处具有较低径向刚度的材料量优选地在棒筒身14的区1比在区2中多，以便根据图16所示的径向柔度曲线更好地优化棒筒身。
类似地，比位于棒筒身14的其它区域中的材料具有更高径向刚度(在给定方位处)的材料可以设置在筒身14的区3的部分中，以相对于筒身14的其它区域而增加该区域的径向刚度。通常，这里构思的任何结构是，在希望增加径向柔度的区域中使用较低径向刚度的材料，和/或在希望较少径向柔度的区域中使用较高径向刚度的材料。
在另一实施例中，可以使用上述的筒身优化方法的任何组合，以优化棒筒身14的性能。例如，区1和/或区2中的一层或多层可以被定向成相对于球棒10纵轴而言的角度比在区3中的更小，并且在区1和/或区2中的一个或多个筒壁的厚度可以比区3中的筒壁的厚度更小。此外，位于区1和/或区2的部分中的一种或多种材料可以比位于区3中的材料具有更低的径向刚度，和/或具有较高径向刚度的一种或多种材料可以位于区3中。可以使用这些特征的任何可能想到的组合，或用于增加棒的最有效击球点之外的径向柔度的任何其它方法，以优化筒身性能。
为了便于描述，通过任何上述的方法以及任何其它适当的方法而表现出增加的径向柔度的筒身区域在下文中将表示为“径向柔度区域”。径向柔度区域也可包含在球棒10的渐缩段和/或棒把手12中，以在那些区域中提供增加的径向柔度和挠曲度。
将一个或多个径向柔度区域定位在球棒10的渐缩段中，为偏离筒身的撞击提供了更大的棒变形。通过在球棒10的渐缩段16中增加一个或多个径向柔度区域，使得当球撞击发生在渐缩段16时，通常改进了棒10的性能，这类似于如上所述的棒筒身14的区1和区2中的改进。
将一个或多个径向/轴向柔度区域定位在棒把手12中，通常改进了棒10的“触感”，这是因为提供了更多数目的界面，用于通过阻尼来消散振动能量。棒把手12还以弯曲和剪切变形的形式储存和释放能量。因此，基于加速度的应用(即，基于棒的挥动)，借助于径向柔度区域的选择性布置，通过使把手12变形至更大程度可以实现更高的能量转移。以与如上所述调节“动态耦合”的筒身14所用的方法非常相同的方法，可以对于特定打球者的挥棒类型而调节把手12。
实际上，一些打球者可能喜欢在棒把手12中靠近球棒10的渐缩段16的位置具有较高的径向刚度区域，即具有较低径向柔度的区域。在靠近渐缩段16的位置提供增加的径向刚度使得棒10在挥动期间比如果在该区域中提供较低径向刚度的情况可以更快地“迅速弹回”至轴向对齐位置。产生高挥动速度的有经验的打球者通常喜欢这种较快的迅速弹回。因此，将径向柔度区域位在靠近渐缩段16的把手12中，易于使有经验的打球者失去对棒的控制，这是由于棒10在球撞击时刻或临近该时刻的时候太慢而不能返回轴向位置。
但是，对于初学的打球者或产生较慢挥动速度的打球者，可能优选地是在靠近球棒10的渐缩段16设置径向柔度区域。技能较差的打球者易于将棒“推动”穿过打击区，因此不会导致棒10显著地“折弯”到轴向对齐状态之外。此外，通常希望将径向柔度区域定位在更靠近使用者握持位置的棒把手12中，以改进挥动过程中的棒10的触感。因此，本领域技术人员将认识到，径向柔度区域在棒把手12中的优化定位通常取决于余下的把手12的挠性、棒筒身14的重量、将来使用者的技能水平、以及把手12中使用的材料。
因此，径向柔度区域可以包含在球棒10的筒身14、渐缩段16、和/或把手12中，以改进球棒10的整体性能和触感。类似地，为了产生高挥动速度的打球者考虑，在无需增加径向柔度的区域中(诸如在棒筒身14的最有效击球点处或附近，和/或靠近渐缩段16的把手12中)可以降低径向柔度。例如，可以希望在筒身14的特定区域中降低径向柔度，以满足棒球协会安全标准或其它安全规则。
图18示出了典型双壁棒筒身(图18的曲线图中的双壁筒身曲线与图2的曲线图中所示的双壁筒身曲线相同)与优化的棒筒身14的相对性能特性的曲线对比，其中如上所述，优化的棒筒身在棒筒身14的区1和区2中具有径向柔度区域。如图18所示，通过增加棒筒身14的区1和区2中的径向柔度，与典型双壁棒相比，通常改进了在筒身14的整个长度上的性能。
重要的是，任何径向柔度区域的终点不必特意发生在两个区相遇的位置。实际上，径向柔度区域可以重叠，或位于多于一个的区中，并且这些区可以短于或长于附图中所示的区。而且，可以给定更多或更少数目的区。实际上，这些“区”仅用于示例的目的，并不提供任何类型的实际或理论上的隔断。因此，根据无数的设计，径向柔度区域可以定位、定向、和/或建立在棒筒身14中(以及渐缩段16和把手12中)的各种各样的位置处，以实现所需的筒身和整体球棒性能特性。
为此，图16-18所示的实施例通常针对在位于筒身最有效击球点之外的至少一个筒身区域中具有增加的径向柔度的球棒，以优化棒的性能。此外，在一个实施例中，优选地，在棒的渐缩段与最有效击球点之间的筒身区域中比筒身的最有效击球点与自由端之间的筒身区域中，将径向柔度增加至更大的程度，以在那些区域中补偿转动惯量的不同作用。但是，可以认识到，根据对于具体球棒的设计目标，可以在筒身的任何区域(和/或球棒的其它部分)中以任何适当的结构增加(或降低)径向柔度。
图19-22针对包括受限层阻尼的球棒。图20示出了棒筒身14的一个实施例的内部截面，该棒筒身包括结合进棒筒身14的复合层232内的一个或多个振动阻尼元件或阻尼器230。一个或多个阻尼器230可以由任何适宜的振动衰减和阻尼材料制成，即，比球棒中的邻近或周围材料具有更低轴向弹性模量的材料。在一个实施例中，一个或多个阻尼器230具有的轴向弹性模量可以是球棒10中邻近或周围材料的轴向弹性模量的0.01-50％、或0.02-25％、或0.05-10％、或0.10-5.0％，或0.50-2.5％、或0.75-1.25％。但是，可以使用比球棒10中的邻近或周围材料具有更低弹性模量的任何材料。
在一个实施例中，一个或多个阻尼器230由一种或多种粘弹性和/或弹性材料制成，例如弹性橡胶、硅树脂、凝胶泡沫、或其它类似的材料。可替换地或另外，阻尼器230可以由任何其它适宜的阻尼材料制成，包括但不限于PBO(聚苯并恶唑)、UHMWPE(超高分子量聚乙烯，如Dyneema
)、玻璃纤维、dacron(“聚对苯二甲酸乙二醇酯”，PET或PETE)、尼龙
(聚酰胺)、certran
、Pentex
、Zylon
、Vectran
、和/或芳族聚酰胺，这些材料相对于球棒10中的邻近或周围材料在消散或以其它方式衰减振动能量方面是有效的。
因此，根据用来形成球棒10的结构层的一种或多种材料，在球棒10中可以使用各种各样的阻尼材料(相对于那些邻近或周围结构材料而言)。例如，软橡胶阻尼材料可以具有大约10,000psi的轴向弹性模量，而诸如芳族聚酰胺的“阻尼”材料可以具有大约12,000,000psi的轴向弹性模量。虽然芳族聚酰胺的阻尼效果显著地小于典型软橡胶材料，但是在具有甚至更高轴向弹性模量的周围或邻近结构棒材料上，它还是具有明显的阻尼效果，并且它相对于较软材料可以提供增加的耐用性。因此，具有相对较高轴向弹性模量的材料(诸如芳族聚酰胺)可以作为有效的阻尼器而用在一些球棒结构中。
每个阻尼器230可以形成球棒10内的一个或多个复合层的部分，或者可以作为单独的层而被包含进来。每个阻尼器230还可以选择性地被夹在邻近复合层之间，如图21A所示。每个阻尼器230优选地被结合、固定、或以其它方式被附着或熔合到球棒10的周围复合材料中。在球棒10的一端或两端处的和/或在邻近阻尼器230的一端或两端的位置处的复合材料也可被熔合或混合到一起，以在棒结构与阻尼器230之间提供连续的载荷路径。
在图21A所示的实施例中，仅以示例的方式示出了阻尼器230，其大体位于筒壁的中间平面处，在该平面剪切应力最高。可替换地或另外，一个或多个阻尼器230可以位于构成棒筒身14的一个或多个筒壁的径向厚度内的任何位置，或者球棒10的任何其它区域内的任何位置。例如，图21B示出了阻尼器230位于筒壁的内部的实施例。在此实施例中，复合材料的至少一个内层优选地将阻尼器230限定在筒身结构内，并且优选地该内层延伸超出阻尼器230的每一端至少一英寸或更多。在另一实施例中，另外或可替换地，一个或多个阻尼器230可以类似地定位在一个或多个筒壁的外部或其它的棒区域。
图21C示出了多个阻尼器230串联定位在筒壁内部的单一层内。在另一实施例中，另外或可替换地，多个阻尼器230可以并排地设置，即定位在球棒10的大体相同的纵向位置处且处于筒身14内的不同径向位置处或其它棒区域。如果球棒10包括多壁筒身14和/或一个或多个ISCZ，则阻尼器230可以位于一个或多个筒壁的任何适宜的位置处，包括位于相邻筒壁之间的平面上的位置和/或靠着ISCZ一侧或两侧的位置。因此，一个或多个阻尼器230可以位于球棒10的筒身14、过渡区16、和/或把手12内的任何位置，以获得所需的响应，如下文进一步所述。
一个或多个阻尼器230每一个均可以具有任何适宜的长度和/或厚度。例如，阻尼器230的长度可以是0.25-5.00英寸(如果需要，可以更长)，而且厚度可以是0.004-0.100英寸(或任何其它适宜的厚度)。在一个实施例中，每个阻尼器具有0.008-0.020英寸的厚度。虽然阻尼器230可以是任何可想到的尺寸，并且理论上可以延伸大约球棒10的整个长度，但是优选地是在一个或多个有计划的位置处结合一个或多个分散的小尺寸阻尼器，以选择性地衰减振动，同时不会显著地增加球棒10的重量或降低其耐用性。
图22示出了34英寸的球棒10的一个实施例，包括球棒10的主要振动腹点(anti-node)的位置。腹点是振幅最大的驻波中的点。因此，在碰撞条件下，球棒10的振动腹点位于球棒10中的最大挠曲度的区域处(特别是对于振动中的棒的振型而言)。这里所使用的振动腹点通常表示球棒10的弯曲和/或峰值模式的腹点。一个或多个这些振动腹点的位置(本领域技术人员很容易确定)可以根据球棒10的整体尺寸和构成而改变。因此，仅以示例的方式在图22中示出了特定的腹点位置。
在一个实施例中，一个或多个振动阻尼器230位于球棒10中的一个或多个振动腹点处，并选择性地基本集中在这些振动腹点附近，以降低偏中心撞击在那些位置处所激发的振动的振幅。可替换地，由于挠曲度在接近腹点的棒区域处也是相对较高的，所以一个或多个阻尼器230可以定位成邻近或基本接近一个或多个振动腹点。这里所用的用来描述阻尼器位置的术语和词汇，诸如“基本在…处”或“在…处或附近”通常表示的意义是，阻尼器可以理想地直接位于腹点位置处，但阻尼器也可以可替换或附加地位于腹点附近，以产生阻尼效果。因此，这样的语言旨在表示阻尼器可以直接位于腹点处或非常接近腹点。
通过吸收大量的剪切应变能并以热能形式将其消散到环境中，一个或多个阻尼器230降低了碰撞反作用力和模态振动的振幅。例如，由粘弹性材料制成的阻尼器230以比典型弹性材料低的速度(由于滞后作用)消散能量，使得碰撞能量的消散发生得相对较慢，这导致了初始碰撞脉冲的高阻尼。
阻尼器230的一个优选位置在球棒10的第一弯曲模式(即基波)的腹点处或其附近，在图22中以“1”表示。第一弯曲模式的腹点在主要模式的全部腹点中表现出最大的变形和最高的应变能。因此，通过将一个或多个阻尼器230定位在第一弯曲模式的腹点处或其附近，即在图22中所示的距离球棒10的盖端大约19-21英寸处，使得由偏中心撞击导致的大量振动能量可以被消散或以其它方式被衰减。
一个或多个阻尼器230也可以位于分别由图22中的数字“2”和“3”表示的球棒10的第二和/或第三弯曲模式的腹点处或其附近(其不会表现出和第一弯曲模式的腹点一样大的变形，但仍有助于振动效果)，以抑制第二和/或第三弯曲模式。为了抑制图22所示的球棒10的第二弯曲模式，例如，可以将一个或多个阻尼器230定位在距离球棒10的盖端大约8至10英寸、和/或26至28英寸处。
在另一实施例中，阻尼器230附加地或可替换地定位在球棒10的由图22中的字母“A”表示的基本或第一峰值模式的腹点处或其附近。因为该腹点(其位于图22所示的距离球棒10的盖端大约4-8英寸处)基本在COP与第一和第二谐波弯曲节点(harmonic bendingnode)交叉处(即在球棒的“最有效击球点”处)，所以在该位置处即使发生振动，振动也是最小的。因此，(如果有振动的话)在该位置处仅需要最少量的振动衰减来防止刺痛。但是，通过在该“最有效击球点”处或其附近增加一个或多个阻尼器230，通常增加了最有效击球点的感觉尺寸，对于击球手提供了改善的触感。
多个阻尼器230可以位于整个棒结构中的任何组合的腹点处或其附近，以使球棒10中的振动最小。每个阻尼器230优选地相对于其它阻尼器230是独立的和不连续的，并且主要位于单个腹点处或附近。但是可以想到的是，一个或多个独立的阻尼器230可以重叠两个或更多个腹点。
例如，单个阻尼器230可以被定位成重叠位于球棒过渡区(即，距离图22所示的球棒10的盖端大约19-22英寸处)中的第一弯曲模式的腹点1和第三弯曲模式的腹点3。但是，为了使棒结构的整体重量最小并保持足够的耐用性，通常优选地是，基本上每个阻尼器230均是独立的并有计划地定位在单个腹点处或其附近。如上所述，多个阻尼器可以并排地(即不同径向位置)位于给定腹点处或其附近。
图23和图24针对包含一个或多个集中屈曲区域的球棒。图23示出了包含集中屈曲区域330的球棒10的一个实施例。集中屈曲区域330包括径向内部区域331和径向部外区域333，该径向内部区域包含一种或多种结构复合材料(如上所述的材料)，该径向外部区域包含一种或多种“非结构”材料，该“非结构”材料具有比球棒10中的邻近结构复合材料更低的轴向弹性模量。集中屈曲区域330优选地主要或全部位于球棒的过渡区16中，但其可以可替换地或附加地部分或全部位于球棒10的把手12和/或筒身14中。而且，在球棒10中可以包含一个以上的集中屈曲区域330。
集中屈曲区域330的结构性径向内部区域331可以与球棒10中的邻近结构材料335相连续，或者可以是与所限定的起始和/或结尾位置相分离的区域。径向内部区域331的厚度可以基本等于邻近区域中的结构材料或层335的厚度，该径向内部区域的厚度覆盖(包括)贯穿把手、筒身、和/或过渡段(即，该结构“管”在整个球棒10上可以具有相对均匀的厚度)，或者径向内部区域331的厚度相对于球棒10中的一个或多个其它结构区域可以改变。
通过包含“锯齿状的”集中屈曲区域330，径向内部区域331中的结构层或材料或结构“管”的外径和内径相对于球棒10中的邻近区域而减小。在球棒10的给定纵向位置处的材料区域的结构性轴向弯曲刚度(E1)是材料区域的外径Do、材料厚度(Do-Di)、和材料轴向弹性模量E的函数，遵循以下公式：
附图中，参考符号Do、Do′、Di、和Di′表示球棒10中的测量相应直径处的位置。例如，Do表示测量球棒10的外径处的位置。Di表示在测量除集中屈曲区域330之外的任何区域处测量球棒10的壁或管的内径处的位置。因此，Do和Di通常在把手12、过渡段16、和/或筒身14之间和/或内部变化。Do′和Di′表示球棒10中的分别测量集中屈曲区域330的径向内部区域331的外径和内径处的位置。
通过降低集中屈曲区域330的径向内部区域331中的结构材料的外径Do′，使得在该区域处的结构“管”的轴向刚度相对于球棒10中的邻近区域而显著降低。因此，集中屈曲区域330通常与球棒10的“反冲点”相一致。反冲点表示由棒10的转动期间发生的惯性导致的球棒10中的最大曲率点。
对于集中屈曲区域330的一个可能的位置是在过渡段16中，并接近球棒10的主要基本振动腹点。通常，该位置处于或接近把手12的端部，且正好位于棒外径(Do)刚刚开始增加的地方。该区域在挥棒期间经历最高轴向变形，从而可以通过利用棒10的在此特定区域发生弯曲的这种自然趋势而转换至打球者特定的挥动样式。此位置的一些优点在于，典型球棒10的外径(Do)在此位置不至于大到使截面刚度显著增加的程度，也不至于在棒挥动加速导致棒折弯的期间在此部分之外具有足够大的筒身质量用于惯性载荷。此外，在此位置上通常很难出现球碰撞，使得此位置上形成的棒轴向屈曲不应该显著地负面影响棒的耐用性。
对于诸如铝(E＝106psi)的特殊均质材料，例如，具有1.50英寸外径Do和0.10英寸厚度(Do-Di)的壁或结构管的弯曲刚度是具有1.15英寸外径Do′的相同厚度壁或管的大约235％(即刚度是2.35倍)。因此，相对于1.15英寸直径的管，需要大约2.35倍的载荷来将1.50英寸直径的管折弯至相同的变形程度。以另一方式，对于固定能量的挥动，球棒10的1.15英寸直径的结构区域将以1.50英寸直径结构区域的大约235％的势能来偏转或反弹(实际的差别将根据集中屈曲区域330的径向外部区域333的材料特性来变化)。
因此，通过使集中屈曲区域330的径向内部区域331中的结构材料的局部直径(Do′)进行微小改变，球棒10的局部轴向刚度和挠度可以显著地降低或另外地发生变化。为达到结构材料中的这些直径变化的所期望效果，集中屈曲区域330的径向外部区域333优选地由具有比球棒10中的一种或多种邻近结构材料335的轴向弹性模量更低的轴向弹性模量的一种或多种材料构成。
在这里以“阻尼材料”表示的这些低轴向弹性模量材料可以包括一种或多种粘弹性和/或弹性材料，诸如弹性橡胶、硅树脂、凝胶泡沫、或具有相对较低轴向弹性模量的其它类似的材料。具有比球棒中的邻近结构材料335更低弹性模量的任何其它材料可以可替换地或附加地用在径向外部区域333中，这种材料包括但不限于PBO(聚苯并恶唑)、UHMWPE(超高分子量聚乙烯，如Dyneema
)，玻璃纤维、dacron
(“聚对苯二甲酸乙二醇酯”，PET或PETE)、尼龙
(聚酰胺)、certran
、Pentex
、Zylon
、Vectran、和/或芳族聚酰胺。
因此，根据用来形成球棒10的结构层335的一种或多种材料，在集中屈曲区域330的径向外部区域333中可以使用各种各样的阻尼材料(相对于邻近或周围结构材料335而言)。例如，软橡胶阻尼材料可以具有大约10,000psi的轴向弹性模量，而诸如芳族聚酰胺的“阻尼”材料可以具有大约12,000,000psi的轴向弹性模量。虽然芳族聚酰胺的轴向弹性模量显著大于典型软橡胶材料的轴向弹性模量，但是对于具有甚至更高轴向弹性模量的周围或邻近结构棒材料，芳族聚酰胺还是可以具有明显的阻尼作用，并且它相对于较软的材料可以提供增加的耐用性。因此，在一些球棒结构中，诸如芳族聚酰胺的具有相对较高轴向弹性模量的材料可以用作有效的阻尼器。
图24示出了集中屈曲区域330的一个可能的结构，虽然可以可替换地使用适于在集中屈曲区域330中提供降低的轴向刚度的任何其它形状或结构。集中屈曲区域330的径向外部区域333优选地具有大约0.060-0.250英寸或0.080-0.120英寸的深度(大约等于Do-Do′)。可替换地，可以使用任何其它的深度。如果在球棒10中(例如在多壁棒中)包含了ISCZ或类似区域，则径向外部区域333可以具有延伸至ISCZ(或穿过ISCZ中的开口)的深度。
径向外部区域333的基部优选地具有0.20-1.50英寸或0.40-0.80英寸的长度，并且径向外部区域333的外表面(对应于球棒10的外表面)优选地具有大约0.25-2.50英寸或0.50-1.50英寸的长度。径向外部区域333可以具有任何其它适宜的尺寸，并且可以具有或不具有渐缩端部区域334(例如，如图24所示)。
在一个实施例中，径向外部区域333的深度是径向内部区域331厚度的60％-150％或80％-120％。附加地或可替换地，径向内部区域331的外径Do′是球棒10中的邻近纵向区域的外径Do的60％-95％或70％-85％。附加地或可替换地，集中屈曲区域330变成具有的轴向刚度是球棒的邻近纵向区域的轴向刚度的10％-90％、或30％-70％、或40％-60％。此降低的轴向刚度可能是径向外部区域333中的材料比球棒10中的邻近区域具有更低轴向弹性模量和/或是径向内部区域331比球棒10中的邻近纵向区域具有更小外径Do′和/或更小厚度(Do′-Di′)的结果。根据给出的棒设计的规定，这些相对百分比中的一个或多个可以变化超出这里所述的界限。
一个或多个集中屈曲区域330的位置、形状、和结构可以基于给出的球棒10的结构要求而变化。通过将集中屈曲区域330定位在过渡段16中，例如，可以增加棒挠性，并且可以从棒结构中使振动能量衰减，从而增加了筒身的动力学性能。集中屈曲区域330的轴向刚度和位置可以转变成提供用于改变棒击类型(如推击或弹回类型)的特殊反冲。例如，集中屈曲区域330可以在典型棒球球棒中定位成更靠近筒身14，或在典型快速投掷垒球球棒中定位成更靠近把手12。
通常，集中屈曲区域330可以在渐缩段16中定位成朝向筒身14，以在挥动期间提供增加的“迅速弹回”，然而它可在渐缩段16中定位成朝向把手12，为在挥动期间易于“推动”棒的打球者提供较小的迅速弹回。因此，根据给出的棒设计的要求，一个或多个集中屈曲区域330可以位于棒结构内的任何位置。
这里所述的各种球棒实施例可以以任何适宜的方式构造。在一个实施例中，通过将棒10的各层卷到芯棒(mandrel)或具有所需棒形状的类似结构上而构造球棒10。任何ISCZ、ISA区域、径向柔度区域、阻尼元件、和/或集中屈曲区域优选地有计划地建立、布置、定位、和/或定向，如上面实施例所述。
材料层的端部优选地是彼此“编织(clocked)”或胶印(offset)的，从而在固化之前它们不会全都终结于相同位置。此外，如果使用变化的层方位和/或壁厚度，则层可以交错、蓬松(feather)、或以其它方式成角度或被操作，以形成所需的棒形状。因此，当施加热和压力以固化棒10时，各层混合在一起成为独特的“一体”或整体结构。而且，在复合层的加热和固化期间，用在集中屈曲区域330的径向外部区域333中的任何阻尼器230和/或阻尼材料优选地与周围复合材料熔合，并变为整个棒结构的整体部分。
换一种方式，棒的全部层在单个步骤中被“共同固化”，并在至少一个端部混合或终结在一起，形成无缝隙的一体结构(在至少一端处)，从而筒身14不是由一连串的管构成，其中每个管具有终结于管端部处的独立的壁厚。因此，所有的层在载荷条件下(例如在球撞击期间)是谐调动作的。筒身14的一端或两端可以以这种方式终结在一起，以形成一体的筒身14，(根据是否使用任何ISCZ)其包括一层或多层筒壁。在可替换设计中，筒身的任一端被混合在一起，使得形成了多体结构。
因此，虽然已经示出并描述了几个实施例，但是当然在不背离本发明精神和范围的前提下，可以进行各种更改和替换。因此，本发明在由所附权利要求及其等同物限定之外不应该再受到限制。
Claims (28)
1.一种球棒，包括筒身、把手、以及将所述筒身结合至所述把手的渐缩段，所述球棒包括：
第一区域，其位于所述筒身中并邻近所述渐缩段，所述第一区域包括至少一个界面剪切控制区；
第二区域，其位于所述筒身中并邻近所述筒身的自由端，所述第二区域包括至少一个界面剪切控制区；以及
第三区域，其位于所述筒身中并处于所述第一区域与所述第二区域之间，所述第三区域包括比所述第一和第二区域中的至少一个区域少至少一个的界面剪切控制区，
其中，所述筒身中的至少一个界面剪切控制区包括抑制结合层。
2.根据权利要求1所述的球棒，其中，所述第一和第二区域中的至少一个包括与所述第三区域中的至少一个界面剪切控制区相连续的至少一个界面剪切控制区。
3.根据权利要求1所述的球棒，其中，所述第一和第二区域中的至少一个包括与所述第三区域中的至少一个界面剪切控制区不连续的至少一个界面剪切控制区。
4.根据权利要求1所述的球棒，其中，所述筒身中的至少一个所述界面剪切控制区包括弹性层。
5.根据权利要求1所述的球棒，其中，所述筒身具有基本均匀的厚度，并且其中，所述第三区域包括基本位于所述筒身的径向中点处的单个界面剪切控制区。
6.根据权利要求1所述的球棒，其中，所述筒身具有基本均匀的厚度，并且其中，所述第一区域包括基本位于所述筒身厚度的三分之一和三分之二处的两个界面剪切控制区。
7.根据权利要求1所述的球棒，其中，所述筒身包含选自以下组成的组中的至少一种复合材料：玻璃、石墨、硼、碳、芳族聚酰胺、和陶瓷。
8.根据权利要求1所述的球棒，其中，所述筒身包括多个层片，所述层片与所述界面剪切控制区共同模制，以生产整体多壁筒身结构。
9.根据权利要求1所述的球棒，其中，所述筒身包括外部或内部金属层以及对应的内部或外部复合材料层，其中，至少一个所述界面剪切控制区位于所述复合材料层内。
10.根据权利要求1所述的球棒，其中，所述第一区域包括比所述第二区域多至少一个的界面剪切控制区。
11.根据权利要求1所述的球棒，进一步包括位于所述把手和所述渐缩段中的至少一个中的至少一个界面剪切控制区。
12.根据权利要求11所述的球棒，其中，所述把手中的至少一个界面剪切控制区被定位成邻近所述渐缩段。
13.根据权利要求1所述的球棒，其中，所述筒身中的所述第一区域延伸到所述球棒的所述渐缩段内。
14.一种球棒，包括筒身、把手、以及将所述筒身结合至所述把手的渐缩段，所述球棒包括：
第一区域，其位于所述筒身中并邻近所述渐缩段；
第二区域，其位于所述筒身中并邻近所述筒身的自由端；以及
第三区域，其位于所述筒身中并处于所述第一区域与所述第二区域之间，所述第三区域包括所述筒身的最有效击球点，
其中，所述第二和第三区域中的每一个均包括至少一个界面剪切控制区，并且所述第一区域包括比所述第三区域多至少一个的界面剪切控制区。
15.根据权利要求14所述的球棒，其中，所述第二区域包括比所述第三区域多至少一个的界面剪切控制区。
16.根据权利要求14所述的球棒，其中，所述第一区域包括比所述第二区域多至少一个的界面剪切控制区。
17.根据权利要求14所述的球棒，其中，所述第一和第二区域中的至少一个包括与所述第三区域中的至少一个界面剪切控制区相连续的至少一个界面剪切控制区。
18.根据权利要求14所述的球棒，其中，所述第一和第二区域中的至少一个包括与所述第三区域中的至少一个界面剪切控制区不连续的至少一个界面剪切控制区。
19.根据权利要求14所述的球棒，进一步包括位于所述把手和所述渐缩段中的至少一个中的至少一个界面剪切控制区。
20.根据权利要求19所述的球棒，其中，所述把手中的至少一个界面剪切控制区被定位成邻近所述渐缩段。
21.根据权利要求14所述的球棒，其中，所述筒身中的所述第一区域延伸到所述球棒的所述渐缩段内。
22.一种球棒，包括筒身、把手、以及将所述筒身结合至所述把手的渐缩段，所述球棒包括：
第一区域，其位于所述筒身中并邻近所述渐缩段；
第二区域，其位于所述筒身中并邻近所述筒身的自由端；以及
第三区域，其位于所述筒身中并处于所述第一区域与所述第二区域之间，
其中，所述第一和第二区域中的至少一个包括至少两个界面剪切控制区，并且所述第三区域包括至少一个界面剪切控制区。
23.根据权利要求22所述的球棒，其中，所述第一和第二区域中的至少一个通过所述至少两个界面剪切控制区被分成至少三个厚度基本相等的筒壁，并且所述第三区域通过所述至少一个界面剪切控制区被分成至少两个厚度基本相等的筒壁。
24.根据权利要求22所述的球棒，其中，所述筒身中的所述第一区域延伸到所述球棒的所述渐缩段内。
25.一种球棒，包括：
筒身；
把手，其包括至少一种复合材料的多个层；
至少一个界面剪切控制区，其分离所述把手中的至少两层所述复合材料；以及
渐缩段，其将所述筒身结合至所述把手。
26.一种球棒，包括筒身，把手、以及将所述筒身结合至所述把手的渐缩段，所述球棒包括：
第一区域，其位于所述筒身中并邻近所述渐缩段，所述第一区域包括多层；
第二区域，其位于所述筒身中并邻近所述筒身的自由端，所述第二区域包括多层；
第三区域，其位于所述筒身中并处于所述第一区域与所述第二区域之间，所述第三区域包括多层；以及
连续的界面剪切控制区，其横贯所述第一区域、所述第三区域、和所述第二区域，其中，所述连续的界面剪切控制区与所述第一区域、所述第三区域、和所述第二区域中的至少一个区域中的多层相交叉。
27.根据权利要求26所述的球棒，其中，所述连续的界面剪切控制区在所述第一区域、所述第三区域、和所述第二区域中的至少两个之间是台阶状的。
28.根据权利要求26所述的球棒，其中，所述筒身中的所述第一区域延伸到所述球棒的所述渐缩段内。
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