金属和复合材料组合式高尔夫球棍杆部

本发明涉及一种其性能特征改进的高尔夫球棍的杆部，尤其涉及一种由一金 属和一复合材料组合的组合式高尔夫球棍的杆部，它既保留了两种材料的优点， 又去除了两种的材料的缺点。

击球时，高尔夫球的控制的精度受球棍杆部的抗扭刚度(torsional stiffness)的影响。在挥动过程中，尤其在高尔夫球与杆头之间的接触不够理想 时，杆部的抗扭刚度制约了杆头的扭动。对于金属高尔夫球棍的杆部，许多打高 尔夫球的人使用的是钢杆。钢杆的一个优点是杆部具有较高的抗扭刚度，它在高 尔夫击球领域中称为“低扭矩”杆。

许多高尔夫球棍杆部的制造商提供通常被称为石墨杆部的复合杆部，它们一 般是用石墨或碳纤维和环氧树脂制成。复合杆部比金属杆部轻得多，但传统的石 墨杆部的抗扭刚度低于金属杆部的抗扭刚度。因此，与钢杆部相比，石墨杆部在 本领域中被称为“高扭矩”杆部。

在尝试提高复合杆部的抗扭刚度的过程中，制造商使用了不同类型的纤维， 诸如高模数碳、芳族聚酰胺(armid)和硼纤维。在改进抗扭刚度的尝试中，在制 作中，他们又以不同的角度包覆纤维，以改进抗扭刚度。但大多数这样的制作不 但增加了成本，而且又往往对杆部的击球性能产生负面的作用。

当前的研究表明，只有杆部的前端部分在球与杆头的接触不良时才具有阻止 杆头扭动的扭转阻力。杆头与球之间的接触是一种很短暂的动力学现象，在这过 程中，只有杆部的前端受到负荷。在杆的整个长度都受到负荷之前，这种短暂的 动力学现象早就过去。因此，希望将杆部的前端用具有高抗扭刚度的金属诸如钢 来制成，而杆部轻粗的部分则用诸如抗扭刚度较低的石墨的复合材料构成。这样， 既可有效提高杆部的扭转特征，同时又可以使杆部的重量较轻。

授予Pompa的美国专利4,836,545公开了组合金属和复合材料杆的优点的一 个尝试。但是，Pompa没有描述杆部两个部分的物理特征对杆部性能的影响。Pompa 杆部的两个部分的长度和重量是可任意选择的。测试表明，金属前端部的重量与 复合材料的较粗部相比非常重。由于前端部太重，杆部的重心(CG)朝前端移动， 不受欢迎地增加了球棍的挥动重量。

挥动重量是球棍静力矩的一个量度，通常约在距离把手端14英寸处。杆头、 杆部和把手的绝对重量和平衡点(CG位置)都影响球棍的挥动重量。尽管对于大 多数球棍制造商来讲通常的做法是说明杆头的重量，以便知道了杆部和把手的规 格后获得所需的球棍挥动重量，但这种方法不总是可行的。部件供应商一般只提 供符合行业认可的重量范围的杆头。这样，就极希望提供能与这种杆头配合的杆 部，以获得所希望的球棍挥动重量。

此外，不希望杆头有第二加重部分来获得所希望的球棍挥动重量。第二加重 部分通常位于将杆部插入杆头插口的最前端。这种远离杆头重心的位置不是最佳 的，因为减少了在一给定挥动速度的情况下传递到球的动量。如果传递到球的动 量比较小就会减少球被击出的距离。

Pompa也没有意识到连接杆部的金属和复合材料部的困难。这种连接方面必 须符合美观方面的要求，同时在强度方面也要足够以防止出现问题。

综上所述，希望提供一种改进的高尔夫球棍的杆部，它具有金属和复合材料 杆部的优点，同时去除它们的缺陷。

本发明的一个主要目的是提供一种将金属杆部和复合材料杆部的优点合二为 一的混合结构的高尔夫球棍的杆部。

本发明的另一个目的是在一个混合结构中去除金属杆部和复合材料杆部的各 自的缺点。

本发明的再一个目的是提供一种制造具有金属材料的前端和复合材料的较粗 部分的高尔夫球棍杆的杆部的方法。

本发明的又一个目的是提供一种能实现上述目的同时又符合美国高尔夫球协 会制定的高尔夫球规则的方法和装置。

根据本发明的一个实施例，提供一种高尔夫球棍的杆部，它包括一金属前端 部和一复合的较粗部分。圆筒形的前端部由一种诸如钢的金属材料制成。圆筒形 的较粗部由一种诸如石墨的复合材料制成，它的一端包括一直径缩小部或插头。 较粗部插头可伸缩地容纳在前端部的端部，使前端部的端部与较粗部的直径缩小 部重叠。一诸如环氧的粘结剂设置在前端部与较粗部之间，以将两部分固定在一 起。

在本发明的另一个实施例中，一绝缘层设置在前端部与较粗部之间，以防止 金属/复合材料连接部内金属与复合材料相接触。提供防止金属与复合材料接触的 绝缘层可减少或消除连接部内的电(化锈)蚀的可能性。绝缘层可以是多个诸如 诸玻璃珠的绝缘间隔件或嵌入连接部内较粗部的玻璃层。

从以下结合附图的详细说明中可更好地理解本发明，本发明的其他目的和优 点也将变得更为清楚。

图1是采用本发明内容的高尔夫球棍的杆部的示意性侧视图；

图2是一图表，它示出了扭转阻力与金属前端长度的关系；

图3是一图表，它示出了扭转阻力与金属和复合材料前端的长度的关系；

图4是一图表，它示出了杆部重量与前端长度的关系以及它对球棍挥动重量 的影响；

图5是图1高尔夫球棍杆部的金属与复合材料连接的详细的剖视图；

图6是一图表，它示出了本发明球棍杆部与传统钢杆部的弯曲刚度(bending stiffness)的关系；

图7是一图表，它示出了本发明球棍杆部与传统钢杆部的前端壁厚度的关系；

图8是一图表，它示出了本发明球棍杆部与传统钢杆部的较粗部壁厚度的关 系；

图9是按照本发明第二实施例的图1高尔夫球棍杆部的金属与复合材料连接 的详细的剖视图；

图10是按照本发明第三实施例的图1高尔夫球棍杆部的金属与复合材料连 接的详细的剖视图；以及

图11是按照本发明第四实施例的图1高尔夫球棍杆部的金属与复合材料连 接的详细的剖视图。

参阅图1，图中示出了一具有一把手12、一杆头14和一管状杆部16的高尔 夫球棍10。尽管所示的球棍10为木质的，但它也可以是铁或轻击棒。杆部16包 括一前端部18和一较粗部20。前端部18最好由诸如高强度的钢的金属材料制成， 而较粗部20最好由诸如石墨的复合材料制成。尽管图中举例说明的杆部16具有 光滑的渐小的侧壁22，但也可以是平行的或有台阶的侧壁。

将前端部18的尺寸做成能与标准的球棍杆头插口配合，使前端部18在其下 端24固定于杆头14。前端部18的上端26可伸缩地和滑动地配合在较粗部20的 下端28上。从杆头14到碰到较粗部20的连接部30的前端部18的物理特征被设 计成能够为抗扭刚度、弯曲刚度(柔性)、强度和重量提供所需的平衡，从而在 与复合材料的较粗部组合在一起时具有最好的击球性能。

前端18的物理特征与杆部16的击球性能之间的关系是复杂的，其间必须考 虑到许多因素。

1)当金属前端部18变短时，它所提供的抗扭刚度就变得不够。当前端部18 变长时，前端部18的重量就变得太重。

2)前端部18的下端24最好保持在0.335或0.350英寸的行业标准直径， 从而能够与行业标准的球棍头配合。但是，直径可以朝着前端部18的上端26增 加，以增加扭转和弯曲刚度。

3)对于相同重量的前端部18，上端26直径的增加将减小壁厚，由此缩短了 耐用性。

4)为了使前端部18的重量最小，前端部18的壁可以做得较薄。但是，当 壁厚减小时，前端部18的强度和刚度就下降。

5)当前端部18的直径和壁厚改变时，弯曲刚度(柔性)也随之改变。如果 弯曲刚度(柔性)太高或太低，杆部的击球性能和感觉将变得不能让人接受。

广泛的击球性能和耐用性试验表明，重量在65克与90克之间的46英寸木 质杆部的前端部18是一可接受的几何形状范围和一较佳几何形状。

如果前端部18的长度小于6英寸，它就不能提供足够的抗扭刚度来提高击 球的精确度。图2示出了当前端部的长度增加时，用扭矩测试方法测量的球棍的 扭矩是怎样下降的。图3示出了与石墨前端相比，钢前端扭矩较低的情况。

如果前端部18大于12英寸，杆部重量就增加得太多，杆部16的重心位置 移向前端24太多。图4示出了杆部重量怎样随前端部长度增加的。图4还示出了 对于前端部长度在6与12英寸之间的杆部重量，采用行业认可的杆头重量可获得 范围在D1至D5的球棍挥动重量。

如果前端部18的上端26的直径增加到0.415英寸之上，弯曲刚度就会变得 太大，对于前端部柔软性有不利影响，并使球棍具有一低的球轨道(弧线)和给 人以高尔夫球太硬的感觉。同样，如果前端部18的上端26的直径减少到0.385 英寸之下，弯曲刚度就非常低，从而使球的轨道(弧线)很高，和给人以高尔夫 球太软的感觉。

用一空气空心管(air cannon)进行的耐用性测试表明，前端部18长度范 围在6英寸到12英寸之间，且杆部16的总重量小于65克时，如果前端部18的 上端26的直径在0.415英寸之上，就不会使前端部18具有足够的耐用性。

在较佳实施例中，一46英寸的木质杆部重75克，其前端部18的长度为8 英寸，上端26的直径为0.4英寸，下端24的直径为0.335或0.350英寸。当用 扭矩测试法测量时，这样一种较佳的前端部18在8英寸长度上的扭矩小于0.6度， 这比得上一般石墨杆部前端部，用同样的测试方法测量时，石墨杆部前端部的扭 矩大于1.5度。

现在参阅图5，它详细示出了图1的连接部30。影响杆部16耐用性的一个 重要方面是金属前端部18与复合材料较粗部20之间的连接部30的强度。如图所 示，前端部18为空心的金属圆筒，较粗部为空心的复合材料圆筒。较粗部20包 括一直径缩小的圆筒部或塞子32，用以插入前端部18。直径缩小部32可在形成 复合较粗部20的过程中直接形成，或在初步成型之后磨掉一圈预定量的较粗部材 料。直径缩小部32的尺寸做成确保与前端部18有足够的重叠和持久的互连。

用诸如环氧粘结剂31将金属前端部18和复合较粗部2连接在一起。粘结剂 31的厚度要小心控制，沿粘结剂的前端部18和较粗部20的表面积要足够大以确 保足够的强度。粘结剂的强度要选择得使连接部30不会由于在击球时由于通常允 许的过份用力造成的扭转负荷而使连接部30切变不足。限制粘结剂31的最大厚 度和增加连接部30的表面面积还能使组合杆部16保持最大的直度。

静态和动态耐用性测试表明，粘结剂厚度应控制在0.003英寸与0.006英寸 之间。测试还表明，对于上端26的直径在0.385英寸与0.415英寸之间的的金属 前端部18，复合较粗部20插入金属前端部18的范围应在约0.75英寸至1.5英 寸之间以提供足够的粘接面积。在较佳实施例中，一46英寸长的杆的粘结剂厚度 为0.0045英寸，复合较粗部20有1.25英寸插入金属前端部18的插入长度。这 样的几何形状已被证明能为组合杆部16提供足够的强度和直度。

决定杆部柔性的杆部16的总弯曲刚度受到前端部18、较粗部20和连接部30 的几何形状的设计方面的影响。连接部中的局部刚度可以高一些，连接部30的长 度必须能够提供足够的耐用性，同时不过分硬。

针对各类具有不同挥动性的高尔夫球的运动员的由True Temper Dynamic(商 标)杆所提供的柔软性范围基本被整个行业认可并被用作参考的标准。图6是使 用上述几何形状范围和杆部的总重量的杆部16连接部处的弯曲刚度与一Dynamic 杆部所作的比较，图6相对于Dynamic杆具有优势，它确保了良好的感觉和理想 的球的击出路线。图6中的杆部的刚度是在一简单的悬臂负荷测试中作为前端部 的偏转测量的。

图7和8比较了在杆部16较佳实施例中沿金属前端部18和复合较粗部20 长度的壁厚与现在流行的True Temper Dynamic(商标)钢杆部和流行的Grafalloy Prolite(商标)石墨杆部中的壁厚。显然，杆部16中的壁厚很不同于True Temper 钢和Grafalloy石墨杆部的壁厚。这说明将从市场上可得到的刚杆部和石墨杆部 截取的前端部和较粗部粘结在一起是不能制成杆部16的。

再参阅图5，直径缩小部32的形成还以在较粗部20中形成一径向壁34形式 的边缘。尽管图中的径向壁34是垂直于直径缩小部32延伸的，但径向壁34也可 以相对直径缩小部32成一锐角或钝角。径向壁34的尺寸最好是等于或略大于前 端部18的端部38和粘结剂31的厚度的总和，从而沿杆部16的靠近连接部30的 周长在前端部18与较粗部20之间形成一光滑壁同中心过渡部。

再参阅图9，图中示出了本发明的第二实施例。在该实施例中，与前述实施 例相同的诸构件用相同的标号，但加上200。第二实施例与前述实施例不同之处 在于，将多个间隔件形式的绝缘层252插在前端部218与较粗部220之间。这些 绝缘间隔件252最好是珠子的形式，并最好由诸如陶瓷或玻璃的绝缘材料所形成。 绝缘珠子252防止前端部218的金属接触较粗部220的石墨，以减少或消除连接 部230中的电(化锈)蚀。

珠子252还有助于控制前端部218相对较粗部220的对齐和分离。在这方面， 珠子252的直径是根据间隙242选择的，以为诸珠子之间的粘结剂231提供足够 的空间，同时还能使前端部218与较粗部220同轴对齐，从而确保一沿杆部216 靠近连接部230的光滑的圆周表面。最好是，诸珠子252在施加到连接部230之 前先与粘结剂246预混合。

现在看图10，图中示出了本发明第三实施例。在该实施例中，与前述实施例 相同的诸构件用相同的标号，但加上300。第三实施例不同于前述实施例之处在 于包含一在前端部318与较粗部320之间的叠层形式的绝缘层352。该叠层352 最好是沿直径缩小部332的外表面一体形成的绝缘层形式，并最好由诸如陶瓷或 玻璃的绝缘材料所形成，以防止前端部318的金属接触较粗部320的石墨，从而 减少或消除连接部330中的电(化锈)蚀。层352还有助于控制前端部318相对 较粗部320的对齐和分离。

层352最好是这样形成的，即在形成直径缩小部332之前使较粗部320形成 有在其一端的一相对较厚的玻璃层。然后磨掉一圈预定量的玻璃，由此形成直径 缩小部332，让层352作为直径缩小部332的外表面。这样，层352将较粗部320 其余的复合材料与前端部318的金属材料绝缘开来。

参阅图11a和11b，在生产杆部时，在钢前端部418与石墨较粗部420之间 的连接部430中采用一塑料圈500。塑料圈500由合适的挤压或注射模制塑料制 成，并用于容纳石墨部420与钢部418之间的微小的几何对齐误差。圈500的外 径制定得略大于石墨部410或钢部418的直径。组装后，在一精细研磨带上抛光， 或用诸如丙酮等溶剂摩擦来去除塑料圈500中的多余材料。如此去掉圈500的材 料可提供一在钢和石墨部418和420之间的外表面上的光滑过渡。

圈500的横截面可以从图11a的矩形改变成采用如图11b所示的朝内倾斜的 表面。这种圈的几何形状可用于容纳在被加工的石墨较粗部420拐角中的小半径， 从而可以使杆部16的制造比较容易。

再参阅图1和2，下面将描述制造杆部16的步骤。通过将多层预选择的复合 纤维，诸如碳-石墨以彼此之间不同的相对角设置并用树脂将它们粘结在一起， 而将空心圆筒形较粗部20形成为给定长度。较粗部20可形成平行而渐小的或有 台阶的侧壁。在制造过程中或在以后在其一端磨掉一圈预定量的材料而在较粗部 20的一端形成直径缩小部32。

通过一心轴拉制一诸如高强度钢或铝的金属材料，以形成一给定长度的空心 圆筒前端部18。前端部18可以按需要形成平行的、渐小的、或有台阶的侧壁。 前端部18的长度和重量按如上所述那样选择。

将一粘结剂设置在直径缩小部32和前端部18内侧中的至少一个上。然后将 直径缩小部32可伸缩地插入前端部18内。如图9和10所示，一绝缘层52可插 入前端部18与较粗部20之间，以防止连接部30内电(化锈)蚀。

以上叙述了本发明的较佳实施例，但要知道的是，在所附权利要求书所阐述 的本发明的范围之内，还可以有其他实施例和其它的变化形式，所有其他实施例 和其他变化形式也都落在本发明的专利保护范围之内。