Schläger für Ballspiele, insbesondere Tennisschläger

Die Erfindung betrifft einen Schläger für Ballspiele, insbesondere einen Tennisschläger, mit in einem Spannrahmen aus einem Profilstab vorgesehener Bespannung in einer Ebene, einer an den spannrahmen anschließenden Herzzone mit flankierenden Profilstababschnitten des Spannrahmens und einem diese Profilstababschnitte verbindenden Rahmenteil, wobei die Profilstababschnitte mit dem Rahmenteil ein offenes Herzbegrenzen, sowie mit einem endwärtigen Handgriff in der Schlägerlängsachse, insbesondere in der Symmetrieachse.

Ein Tennisschläger mit einem plattenartigen Rahmenteil ist der DE-A-30 18 354 zu entnehmen, einen Rahmensteg zwischen Profilabschnitten zeigt DE-A-29 08 872. Die Dicke des nicht ummantelten Handgriffes solcher Tennisschläger mißt zwischen 23 und 32 mm, und die Höhe des Spannrahmens -- in Schlagrichtung, also rechtwinklig zur Bespannung gesehen -- liegt unterhalb der Handgriffdicke.

An derartigen -- im Bereich des Handgriffes eingespannten --Tennisschlägern dieser Art wurde durch Versuche eine Eigenfrequenz von 25 bis max. 50 Hz festgestellt; unbespannte Tennisschläger zeigen im allgemeinen geringfügig höhere Werte an.

Ein auf die Bespannung treffender Ball zwingt den Spannrahmen bekanntlich aus der Längsachse des Schlägers und führt zu einer Verschlechterung der Treffsicherheit; die beschriebene Auslenkung des Spannrahmens ist für die Richtung des Balles mit verantwortlich.

Durch die unterschiedlichen Maße der Eigenfrequenz des Tennisschlägers einerseits sowie der "Ballresonanz" von etwa 125 Hz anderseits entstehen über die gesamte Länge eines Spielfeldes nachweislich Abweichungen bis zu einem Meter von der gewünschten Fluglinie des Balles. Die Schlagpräzision bekannter Tennisschläger läßt somit erheblich zu wünschen übrig.

In der US-A-15 39 019 wird die Entwicklung eines Tennisschlägers beschrieben, dessen Schwingungsmittelpunkt im Zentrum der Bespannungsfläche liegt. Sein Handgriff setzt sich bis zum Schlägeroval in einer "intermediate portion" fort, deren -- zur Verminderung des Luftwiderstandes -- ovaler Querschnitt nahe des Schlägerrahmens knotenartig höher ausgebildet ist als dessen Querschnitt. Der Schlägerkopf ist an seinem Kopfende durch einen größeren Querschnitt schwerer gestaltet und durch ein Zusatzgewicht in Form eines Metallstreifens ergänzt.

In US-A-4 176 841 werden die Nachteile eines Schlägers durch das Auslenken seines Rahmens in Schlagrichtung erörtert, und dann wird die Aufgabe gestellt, einen in Massenproduktion erzeugbaren Tennisschläger aus Metall so zu gestalten, daS Billigsaiten geringer Elastizität ohne zusätzliche Federbelastung eingesetzt werden können. Es wird ein solcher Schläger mit vom Handgriff umgebenem Profilende gezeigt und als eine typische Profilweite, die über die Profillänge stets konstant bleibt, mit 22,5 mm angegeben. Zudem wird die Wanddicke für ein Hohlprofil aus einer wenigstens 95%-igen, bevorzugt 100%-igen, Titanlegierung mit 0,6 bis 0,8 mm angegeben. Da die gleichbleibende Profilweite 25- bis 40-fach -- insbesondere 30-fach -- und die profildicke 5- bis 20-fach, insbesondere 10-fach, größer sein kann als jene Wanddicke, ergeben sich rechnerisch verhältnismäßig hohe Werte für die Profilhöhe. Diese Höhenwerte bedingen aber bei diesem beschriebenen Schläger gleichzeitig eine bedeutende Gewichtszunahme, die ihn bei größeren Profilhöhen unspielbar werden läßt - kein Grund für einen Fachmann, derartige Wege zu bestreiten.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, bei einem Schläger der eingangs erwähnten Art die beschriebenen Abweichungen erheblich zu vermindern und sein Schlagverhalten insgesamt zu verbessern. Vor allem soll die Profilsteifigkeit erhöht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß die quer zur Ebene der Bespannung verlaufende größte Querschnittshöhe des Profilstabes beidseits der Schlägerlängsachse im Bereich der Herzzone größer ist als die Dicke des Handgriffes, wobei die Querschnittshöhe des Profilstabes etwa von der Herzzone des Schlägers zu dessen Schlägerkopf hin abnimmt. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Erhöhung des Profilstabquerschnittes -- vor allem beidseits der Schlägerlängsachse, also in den Seitenbereichen des Rahmens -- den Schläger steifer werden läßt und sein Schlagverhalten erheblich verbessert.

Besondere Ausführungssaiten der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 dargelegt.

Bei dem Schläger nach der Erfindung liegt die übliche Dicke des Handgriffes ohne Ummantelung - also ohne Griffleder, Schaumgummiumhüllung od. dgl. nicht zum konstruktiven Schlägerprofil gehörenden Zutaten - und ohne Berücksichtigung der Griffkappe zwischen etwa 23 und 32 mm. Seine Schlägerachse bildet eine Symmetriegerade, und die Höhe des Querschnittes des Spannrahmens ist - unbeschadet der Rahmengestaltung außerhalb des angegebenen Bereiches in diesem - größer als jene Dicke des Handgriffes. Letztere ist durch die menschliche Hand vorgegeben und bleibt deshalb selbst ohne Einfluß auf die Schlägergestaltung. Erfindungsgemäß gilt die voranstehende Maßgabe des Verhältnisses von Handgriffdicke zu der Höhe eines Querschnittes auch für eine Profilstab, aus welchem der Spannrahmen hergestellt ist.

Als bevorzugte max. Höhe des Querschnittes von Profilstab und/oder Spannrahmen hat sich ein Maß über der Dicke des Handgriffes bis zu etwa 45 mm erwiesen.

Als günstig hat es sich erwiesen, daß sich der Schläger von der größten Querschnittshöhe seines Profilstabes im Bereich der Herzzone sowohl zum Handgriff als auch zum Schlägerkopf, also in beide Richtungen der Längsachse, verjüngt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform soll die größte Höhe des Profilstabes im angegebenen Bereich in der Nähe der Verbindungsstelle von Profilstab und Rahmensteg liegen, vorteilhafterweise beidseits dieses Rahmensteges. Auch ist von Vorteil, wenn diese größte Höhe in einem beidseits der Herzzone verlaufenden Bereich gleichbleibend verläuft.

Die Abnahme der größten Höhe mag unter Erzeugung einer geraden Längskontur des Profiles stetig erfolgen, jedoch ist es auch möglich, die Kontur geschwungen oder gekrümmt herzustellen.

Erfindungsgemäß nimmt die senkrecht zur Bespannung gerichtete Höhe des Querschnittes oder Profiles von Schläger bzw. Spannrahmen gegenüber der Griffdicke sprunghaft oder allmählich zu und kann von der Stelle des höchsten Ausmaßes zum Schlägerkopf hin - ebenfalls sprunghaft oder allmählich - wieder abnehmen.

Der erfindungsgemäße Schläger - der insoweit mit bekannten Schlägern übereinstimmt, als sein Spannrahmen bzw. ein diesen ergebender Profilstab eine in der Ebene der Bespannung gemessene Querschnittsbreite zwischen 8 und 16 mm besitzt - weist ein Trägheitsmoment auf, welches 4- bis 16fach höher ist als das Trägheitsmoment eines Tennisschlägers nach dem Stande der Technik, dessen Querschnittshöhe gleich oder geringer ist als die Dicke seines Handgriffes.

Soweit vorstehend ein Querschnittsmaß erwähnt wird, bleibt zu berücksichtigen, daß die Längsachse des Schlägers auch Symmetrieachse ist, d.h. dem beschriebenen Querschnitt des Spannrahmens liegt auf der anderen Seite der Symmetrieachse ein entsprechender Querschnitt gegenüber. Zudem bestimmt die Bespannung eine Symmetrieebene.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

Fig. 1:

die teilweise wiedergegebene Draufsicht auf einen bekannten Tennisschläger mit Spannrahmen aus Profilrohr;

Fig. 2:

die Seitenansicht zu Fig. 1;

Fig. 3:

den vergrößerten Querschnitt durch Fig. 1 nach deren Linie III - III;

Fig. 4:

eine Schwingungsgrafik für den Tennisschläger nach Fig. 1 bis 4;

Fig. 5:

eine Schemaskizze zu einem Belastungsfall;

Fig. 6:

eine Teildraufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tennisschlägers mit Spannrahmen;

Fig. 7:

die der Fig. 2 entsprechende Darstellung des Tennisschlägers der Fig. 6;

Fig. 8:

einen Querschnitt des Spannrahmens des erfindungsgemäßen Tennisschlägers;

Fig. 9:

eine Schwingungsgrafik zu Fig. 6 bis 8;

Fig.10,11:

schematisierte Seitenansichten zu ausgewählten bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Tennisschlägers.

Ein in den Fig. 1 bis 3 besipielhaft dargestellten Tennisschläger 10 bekannter Art weist einen ovalen Spannrahmen 12 aus einem entsprechend gekrümmten Profilstab 13 auf, der beidseits der Schlägerlängsachse M in - ein plattenförmiges Herz 14 begrenzenden - Profilarmen 15 endet. Letztere sind in einem Handgriff 16 einer Dicke i von 26 bis 32 mm festgelegt ; die Dicke i ist an Handgriffen 16 ohne Umwicklungsleder und ohne Berücksichtigung einer Griffkappe 17 gemessen.

Spannrahmen 12 und Herz 14 umgeben eine Bespannungsfläche Q aus Quersaiten 18 und diese kreuzenden Längssaiten 19. Der bevorzugte Auftreffpunkt für einen nicht gezeigten Tennisball ist in Fig. 1 mit S bezeichnet.

Der Spannrahmen 12 bzw. sein Profilstab 13 ist gemäß Fig. 3 rechteckigen Querschnitts, dessen Seitenwände 20 beispielsweise in einem Abstand a von 7 mm und dessen Querwände 21 in einem Abstand b von 17 mm verlaufen.

Bei einer Wanddicke q der Seiten- bzw. Querwand 20 bzw. 21 von 2 mm ergeben sich eine Außenbreite m von 11 mm und eine äußere Höhe n von 21 mm. Letztere ist im übrigen weit niedriger als die Dicke i des Handgriffs 16.

Die aus vorstehenden Maßen errechenbare Querschnittsfläche 0für den Profilstab 13 beträgt in mm²:$$\text{21. 2. 2 + 7. 2. 2 = 112.}$$

Die Eigenfrequenz f_o des entsprechend dem Schema gemäß Fig. 5 eingespannten Tennisschlägers 10 ist meßbar, indem eine an der Schlägerlängsachse M angreifende Kraft P plötzlich entfernt wird.

Wird die Eigenfrequenz auf ein mit 3000 mm/_s laufendes Schreibband geschrieben, gilt$${\text{f}}_{\text{o}}\text{=}\frac{\text{3000}}{\text{1}}\text{(HZ),}$$ worin 1 die vom Schreibband abgelesene Schwingungslänge in mm ist.

Im Elastizitätsbereich ist das Maß d der in Fig. 5 deutlich gemachten Durchbiegung der Kraft P proportional. Sie ist aber auch in eine Beziehung zu der Eigenfrequenz des Tennisschlägers 10 in Längsrichtung zu bringen; hat ein Tennisschläger unter der gleichen Kraft P eine Durchbiegung von d₁ und ein anderer eine solche von d₂, kann die Eigenfrequenz des zweiten Tennisschlägers annähernd nach folgender Beziehung berechnet werden:$${\text{fo}}_{\text{2}}{\text{= fo}}_{\text{1}}\sqrt{\frac{{\text{d}}_{\text{1}}}{{\text{d}}_{\text{2}}}}\text{(Hz)}$$

Die Kontaktzeit zwischen Tennisschläger 10 und Ball wurde durch viele Versuche - u. a. durch Hochgeschwindigkeitsfotografie - mit 2 bis max. 6 ms festgestellt, im Mittel also mit 4 ms, was für eine ganze Schwingung t = 8 ms oder 125 Hz erbringt.

Fig. 4 zeigt eine Schwingungskurve in Längsrichtung für einen üblichen Tennisschläger 10 nach Fig. 1 bis 3. Bei Punkt A berührt ein Ball das Netz der Bespannung Q und zwingt den Spannrahmen 12, der Ballfrequenz zu folgen. Dieser Bewegung trachten dynamische Trägheitskräfte des Spannrahmens 12 entgegenzuwirken. Am Punkt B angelangt, kehrt der Ball seine Richtung um und verläßt die dem Ball folgende Bespannung Q etwa an Punkt C. Der Tennisschläger 10 schwingt in seiner Eigenfrequenz nach und befindet sich erst am Punkt D, wenn sich der Ball von der Bespannung Q bei C trennt (t = 8 ms, t/₄ = 2 ms).

Die unterschiedlichen Maße der Eigenfrequenz des Tennisschlägers 10 von 25 bis 50 Hz einerseits sowie der Erregerfrequenz des Balles von etwa 125 Hz anderseits führen - über die ganze Länge eines Spielfeldes gesehen - zu bedeutenden Abweichungen des Balles von der gewünschten Fluglinie ; diese Abweichung kann - wie erwähnt - bis zu einem Meter betragen.

Die Ausführung eines Tennisschlägers 30 nach Fig. 6 bis 8 weist ein Resonanzfrequenz auf, welche dem beschriebenen Mangel abhilft ; der Querschnitt des Profilstabes 33 enthält gemäß Fig. 8 die folgenden Maße:

innere Breite a₁

8 mm,

äußere Breite m₁

10 mm,

innere Höhe b₁

32,2 mm,

äußere Höhe n₁

37 mm

als Ergebnis einer Berechnung, welche die Übereinstimmung der Eigenfrequenz dieses Tennisschlägers 30 und der "Ballresonanz" bestätigt, also die Übereinstimmung der Erregerfrequenz mit der Eigenfrequenz.

Die errechenbare Querschnittsfläche ist hier$$\begin{gathered} \text{37. 1. 2 + 8. × .2 und bei × = 2,4} \\ {\text{112 mm}}^{\text{2}}\text{,} \end{gathered}$$ gleicht also der Querschnittsfläche von Tennisschläger 10, der nachfolgend mit TS₁₀ bezeichnet sei.

Bei

d₁₀ =

Durchbiegung von TS₁₀

d₃₀ =

Durchbiegung Tennisschläger 30 (TS₃₀)

FR₁₀ =

Eigenresonanz von TS₁₀ = 50 Hz*)

FR₃₀ =

Eigenresonanz von TS₃₀ = 125 Hz

$$\begin{array}{c}\begin{array}{c}\frac{{\text{FR}}_{\text{10}}}{{\text{FR}}_{\text{30}}}\text{=}\frac{\hfill \text{50}}{\hfill \text{125}}\text{= 0,4}\\ \text{0,4 =}\sqrt{\frac{{\text{d}}_{\text{10}}}{{\text{d}}_{\text{30}}}}\\ {\text{d}}_{\text{30}}{\text{= 0,16 . d}}_{\text{10}}\end{array}\end{array}$$

Fußnote : *) Werte gelten für Graphitschläger, also für harte Werkstoffe

Die Einfederung unter einer Last P muß - gegenüber TS₁₀ - bei TS₃₀ 1/6 betragen. Die Querschnittsflächen in Fig. 3 und Fig. 5 führen zu$$\begin{gathered} \begin{array}{c}\begin{array}{c}{\text{J}}_{\text{10}}\text{=}\frac{{\text{11.21}}^{\text{3}}}{\text{12}}\text{-}\frac{{\text{7.17}}^{\text{3}}}{\text{12}}\text{=} \\ \text{8490 - 2870 = 5620}\\ {\text{J}}_{\text{30}}\text{=}\frac{{\text{10.37}}^{\text{3}}}{\text{12}}\text{-}\frac{{\text{8.32,2}}^{\text{3}}}{\text{12}} \\ \text{42210 - 22250 = 19960}\end{array}\end{array} \end{gathered}$$

Die Durchbiegung d ist eine Funktion von $\frac{\text{1}}{\text{J}}$.

Das heißt$$\frac{{\text{J}}_{\text{10}}}{{\text{J}}_{\text{30}}}\text{= 0,28;}$$ die Einfederung ist mit dem Querschnitt nach Fig. 5 : 0,28.

Die Resonanzfrequenz ist$${\text{FR}}_{\text{30}}{\text{= FR}}_{\text{10}}\sqrt{\frac{\text{1}\hfill }{\text{0,28}\hfill }}{\text{= FR}}_{\text{10}}\sqrt{\text{3,57}}\text{= 1,9.50 = 95 Hz}$$

Nimmt man an

   b₁ = 37 mm,

   n₁ = 42 mm,

so ist$$\begin{array}{c}\begin{array}{c}{\text{J}}_{\text{30}}\text{=}\frac{{\text{10.42}}^{\text{3}}}{\text{12}}\text{-}\frac{{\text{8.37}}^{\text{3}}}{\text{12}}\\ \text{61740 - 31000 = 30 000}\\ \frac{{\text{J}}_{\text{10}}}{{\text{J}}_{\text{30}}}\text{= 0,18}\\ {\text{FR}}_{\text{30}}{\text{= FR}}_{\text{10}}\text{. 2,36 ≅ 120 Hz}\end{array}\end{array}$$

Eine diese Erkenntnisse berücksichtigende Rahmenform gibt Fig. 7 wieder, in der sich ein Bereich E mit vorstehender Profilhöhe n₁ beidseits eines Rahmensteges 34 erstreckt. Vom Bereich E nimmt die Profilhöhe n_o zum Schlagerkopf 40 einerseits und zum Handgriffansatz 41 stetig ab. Der in Fig. 7 geschnitten dargestellte Rahmensteg 34 ersetzt das zuvor beschriebene Herz 14 und weist eine geringere mittlere Profilhöhe h auf als der Profilstab 33.

Das Schwingungsverhalten des erfindungsgemäßen Tennisschlägers 30 in Längsrichtung entnimmt man Fig. 9. Mit dessen Eigenfrequenz stimmt jetzt die Erregerfrequenz des Balles überein. Bei dessen Abheben von der Bespannung Q ist der Tennisschläger 30 am Punkt C oder in dessen unmittelbarer Nachbarschaft angelangt, und der Ball erhält neben einerzusätzlichen Beschleunigung aus dem Spannrahmen 32 des Tennisschlägers 30 eine genaue Flugbahn, die nicht mehr durch das Maß Z der Auslenkung verfälscht ist, wie sie Fig. 4 erkennen läßt. Bei ungenau - d. h. außerhalb der Längsachse M auf den Tennisschläger 30 bzw. dessen Bespannung Q - treffenden Bällen entsteht eine Torsionsschwingung um die Längsachse M. Diese Torsionsschwingung ist der Längsschwingung überlagert.

Wird auch diese Schwingung durch Abstimmung des Rahmenstegs 34 aus Fig. 7 auf bevorzugt 125 Hz gebracht, schwingt der gesamte Tennisschläger 30 bei Ballberührung nur noch sinusförmig in einer Frequenz und kompensiert auch torsionsbedingte Schlagabweichungen durch rechtzeitiges Rückschwingen.

Die Handgriffe 16 des Tennisschlägers 30 (Fig. 6 bis 8) und der in den Fig. 10, 11 wiedergegebenen Ausführungsformen 30_a und 30_b sind von üblicher Dicke i, welche -- wie gesagt -- 23 bis 32 mm mißt, gegenüber dieser Dicke i besitzen die anschließenden Profilstäbe -- ihrer wechselnden Höhen halber besser als Rahmenprofile 33 bezeichnet -- in allen Fällen eine längere äußere Höhe n₁.

Die max. Höhe n₁ von Rahmenprofil 33_a (Fig. 10) endet etwa an Herzzone H und nimmt als Höhe n_o zum Schlägerkopf 40 ab.

Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen von der max. Höhe n₁ ausgehende Gerade, also jeweils eine stetige Abnahme der variablen Höhe n_o. Statt diesem stetigen Verlauf können die entsprechenden Querschnittskonturen auch gekrümmt sein, wie dies in Fig. 11 bei 33_b angedeutet ist.