DE3128092A1 - "pfeilschaft" - Google Patents

Abstract

Es wurde ein faserverstärkter Pfeil aus Aluminium zum Bogenschießen beschrieben, der einen Pfeilschaft aufweist, welcher aus einem hohlen Aluminiumrohr hergestellt ist. Eine äußere Schicht aus Fasern hoher Festigkeit in Form eines Fasermatrix-Verbundmateriales wird auf die äußere Oberfläche des Aluminiumrohres aufgebracht. Des weiteren sind abgeänderte Ausführungsformen beschrieben, die die Verwendung einer inneren Schicht aus Verstärkungsfasern, die auf die innere Fläche des Aluminiumrohres anstatt oder zusätzlich zu der äußeren Verstärkungsschicht aufgebracht sind, einschließen.

Description

Deckblatt

Die Erfindung bezieht sich auf Pfeilschäfte und insbes. auf faserverstärkte Aluminium-Pfeilschäfte.

Die Konstruktion eines Pfeiles erfordert einen sorgfältigen Abgleich der physikalischen und der baulichen Eigenschaften des Pfeilschaftes. Beispielsweise ist es für die Konstruktion eines Pfeiles erwünscht, das Gewicht und den Durchmesser des Pfeiles so klein wie möglich zu halten, damit die Pfeilgeschwindigkeit erhöht und der aerodynamische Widerstand reduziert wird. Gleichzeitig ist es vom Aufbau her erwünscht, eine möglichst große Steifigkeit des Pfeiles zu erreichen, um die Auslenkung des Pfeiles zu verringern, die auftritt, wenn der Pfeil Beschleunigungskräften des Bogens ausgesetzt ist. Eine zu hohe Auslenkung kann eine permanente Pfeilschaftverformung ergeben, den Pfeil verlangsamen und zu einer verminderten Schießgenauigkeit führen. Zusätzlich muß zur weiteren Verbesserung der Schießgenauigkeit der Schaft eine rasche Dämpfung der durch den Bogen eingeführten Biegeschwingungen zeigen, die von einer Erscheinung stammen, die als Paradoxon des Bogenschützen bekannt ist. Es ist somit ein Schaft mit einer hohen elastischen Rückführgeschwindigkeit erwünscht, Pfeilschäfte müssen auch einen ausreichend hohen Schlagwiderstand besitzen, damit sie die beim Auftreffen auf das Ziel auftretenden Kräfte aushalten, ohne daß sie einer permanenten Deformation unterzogen werden.

Während der gesamten Entwicklungszeit des Bogenschießens wurden Pfeile traditionell aus Holz hergestellt. Um die Festigkeit, Haltbarkeit und Genauigkeit von Pfeilen zu verbessern, wurden bei der Konstruktion der Pfeile moderne Materialien eingesetzt. Die Verwendung von Aluminium und in jüngster Zeit von Glasfaserrohren bei der Herstellung von Pfeilschäften hat wesentliche Verbesserungen in der Pfeilkonstruktion erbracht. Bei bekannten

Pfeilkonstruktionen hat jedoch eine Erhöhung der Pfeilsteifigkeit und elastischen Rückführgeschwindigkeit Pfeilschäfte mit höherem Gewicht und größerem Durchmesser erforderlich gemacht, so daß ein Kompromiß in den Geschwindigkeits- und Schußbahneigenschaften in Kauf genommen werden mußte.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen neuen und verbesserten Pfeilschaft zu schaffen, der ein minimales Gewicht und einen minimalen Durchmesser aufweist, der die notwendige Steifigkeit und elastische Rückführgeschwindigkeit für exaktes Schießen besitzt und der aus faserverstärktem Aluminium besteht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen aus einem hohlen Metallrohr geformten Kern und ein auf eine Oberfläche des Kernes aufgebrachtes Verstärkungsmaterial erreicht. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Kern aus einem hohlen Aluminiumrohr. Das Aluminiumrohr ist durch eine äußere Schicht aus Fasern hoher Festigkeit verstärkt, die in Form eines Fasermatrix-Verbundmateriales auf die gesamte äußere Oberfläche des Aluminiumrohres aufgebracht wird. Es wurde festgestellt, daß diese Kombination aus Materialien eine rohrförmige Konstruktion mit physikalischen Eigenschaften ergibt, die einen verbesserten Pfeilschaft ergeben. Auswahl und Optimierung der physikalischen Eigenschaften des Pfeiles werden durch Dimensionsänderungen des Aluminiumkernes und der Faserschicht in Verbindung mit Änderungen in der Dicke und der Faserorientierung der Faserverstärkungsschicht erzielt.

Nach einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung wird eine innere Schicht aus Verstärkungsfasern auf die gesamte innere Oberfläche eines Aluminiumrohres aufgebracht. Diese innere Verstärkungsschicht kann anstelle von oder zusätzlich zu der äußeren Verstärkungsschicht in der Konstruktion eines Pfeilschaftes verwendet werden.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Pfeiles nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Pfeiles nach Fig. 1 längs der Schnittlinie 2-2, in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 eine perspektivische Teilschnittansicht des Pfeilschaftes nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, wobei die aufeinanderfolgenden Schichten teilweise entfernt sind,

Fig. 4 einen Pfeilschaft nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ähnlich der Darstellung nach Fig. 2, ebenfalls in vergrößerter Darstellung, und

Fig. 5 einen Pfeilschaft einer anderen Ausführungsform der Erfindung ähnlich der Darstellung nach Fig. 2, ebenfalls in vergrößertem Maßstab.

In Fig. 1 ist ein Bogenpfeil 10 (ohne Federn) dargestellt, der einen Schaft 20, einen Kopf 22 (Spitze) und eine Kerbe 24 (Ende) aufweist. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht der Schaft aus einem hohlen Aluminiumkern 26, wie in Fig. 2 dargestellt, der durch aufeinanderfolgendes Ziehen eines Rohres aus Aluminiumlegierung gebildet wird, bis der gewünschte Außendurchmesser, die Wanddicke und die Schaftlänge erhalten werden. Typische Aluminiumlegierungen, die für diesen Anwendungszweck verwendet werden, sind Legierungen Typ 2024 und 7075. Das Verfahren zum Ziehen von Rohren führt zu einem Kern mit außerordentlich gleichförmiger Wanddicke und gleichbleibendem Wanddurchmesser über die gesamte Länge des Schaftes, und ist das gleiche Verfahren, das verwendet wird, um hohle Aluminiumpfeilschäfte bekannter Art herzustellen. Eine typische Größenordnung von Dimensionen für den Aluminiumkern 26 schließt Längen von 60 cm bis 86,5 cm, Außendurchmesser von 0,5 cm bis 1 cm und Wanddicken von 0,0125 bis 0,0375 cm ein. Die tatsächlichen Dimensionen, die für eine bestimmte Pfeilkonstruktion gewählt werden, hängen letztlich von der Verwendung des Pfeiles ab.

Der Pfeilschaft 20 nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt eine äußere Schicht 28 aus Verstärkungsfasern, die mit der Außenfläche des Aluminiumkernes 26 nach Fig. 2 verbunden, z.B. verklebt sind. Diese äußere Schicht 28 kann aus Verstärkungsfasern zusammengesetzt sein, die in einer Harzmatrix eingebettet sind. Obgleich viele unterschiedliche Fasermaterialien z.B. Graphit, Bor, Kohlenstoff oder Glas für diese Anwendung verwendet werden können, hat es sich herausgestellt, daß Kohlenstoffasern der Type TORNEL 300/3K, hergestellt von Union Carbide, die in einer wärmehärtenden Epoxydharzmatrix orientiert sind, z.B. einem Harztyp 934 (hergestellt von Fiberite Corporation, Winona, Minnesota), ein optimales Fasermatrix-Verbundmaterial für vorliegende Anwendung ergeben. Ein derartiger Pfeil besitzt eine ausgezeichnete elastische Rückführung und einen guten Schlagwiderstand.

Verschiedene Parameter bei der Konstruktion eines Pfeiles werden durch die Art des Bogens, der zum Abschießen des Pfeiles verwendet wird, beeinflußt. Beispielsweise ist die Länge des Pfeilschaftes eine Funktion der Größe des Bogenschützen und der Form des Bogens; die Steifigkeit des Pfeilschaftes ist eine Funktion der Länge des Pfeilschaftes und der Kraft, die durch den Bogen auf den Pfeil aufgebracht wird. Eine höhere Bogenkraft erfordert einen steiferen Pfeilschaft, um die anfängliche Schaftauslenkung zu verringern, wenn der Bogen losgelassen wird. Die Steifigkeit oder "spine" eines Pfeilschaftes ist traditionell als die Auslenkung des Schaftes gemessen worden, wenn der Schaft durch ein Normgewicht an der Schaftmitte belastet wurde. Die Bestimmung der erforderlichen Länge und Steifigkeit des Pfeilschaftes diktiert wiederum den Schaftdurchmesser und die Wanddicke, die erforderlich sind, um diese Forderungen zu erfüllen.

Faserverstärkte Aluminiumpfeilschafte nach der Erfindung haben einen Außenschaftdurchmesser, der 20 bis 25 % kleiner ist als der Außendurchmesser eines Schaftes aus nichtverstärktem Aluminium vergleichbarer Länge und Steifigkeit. Die Faserverstärkung des Schaftes ergibt auch eine 20 bis 25%ige Verringerung des Schaftgewichtes, was zu einer 10 bis 15%igen Erhöhung der Anfangspfeilgeschwindigkeit gegenüber einem nichtverstärkten Pfeilschaft gleicher Länge und Steifigkeit führt. Eine Verringerung des Außenschaftdurchmessers hat ferner den Vorteil, daß der aerodynamische Widerstand während des Fluges des Schaftes verringert wird, woraus sich niedrigere Schußbahnen (Trajektorien) ergeben.

Es wurde ferner festgestellt, daß die Faserverstärkungsschicht in der Weise wirkt, daß sie die Biegeschwingungen und Ausbiegungen, die während des Auslösens des Bogens auftreten, gedämpft werden. Es ist dem Fachmann bekannt, daß die auf den Pfeilschacht während des Auslösens des Bogens wirkenden Kräfte bewirken, daß der Schaft sich biegt und mehrere Schwingungszyklen um die Achse des endgültigen Pfeilfluges erfährt. Die Faserverstärkungsschicht absorbiert die elastische Energie, die bewirkt, daß die Wellenschwingungen rasch gedämpft werden, so daß der Pfeil eine echte Flugstellung innerhalb eines kurzen Abstandes vom Bogen einnimmt. Das Ergebnis ist eine Erhöhung der Schießgenauigkeit.

Die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 kann durch ein Verfahren erreicht werden, das darin besteht, daß ein Rohr aus Aluminiumlegierung fortlaufend gezogen wird, um die gewünschte Länge, den gewünschten Außendurchmesser und die gewünschte Wanddicke für den hohlen Aluminiumkern 26 des Pfeilschaftes 20 zu erhalten. Das Rohr wird auf eine Länge gezogen, die etwa 2,5 bis 5 cm länger ist als die endgültige gewünschte Länge für den Schaft 20. Die äußere Fläche des Kernes 26 wird chemisch geätzt, damit Oxydschichten entfernt werden, und ein dünner Film eines Kontaktklebers wird gleichförmig auf die geätzte Oberfläche aufgebracht. Dann wird eine Schicht aus Fasermatrix-Verbundmaterial 28 um die

Außenseite des Kernes 26 gewickelt.

Dieses Fasermatrixmaterial 28 besteht aus Kohlenstoffasern, die in einer wärmehärtenden Epoxydharzmatrix orientiert sind. Die Orientierung der Fasern relativ zu der Achse des Kernes 26 kann so verändert werden, daß unterschiedliche Verstärkungseigenschaften für den Schaft 20 erzielt werden. Die Schicht aus Fasermatrixmaterial 28 ist vorzugsweise 0,075 bis 0,1 mm dick, die Länge der Schicht entspricht etwa der Länge des Kernes 26, so daß eine einzige Umwicklung einen gleichförmigen Belag aus Verbundmaterial auf der Außenfläche des Kernes 26 bildet. Die Anzahl von Umwicklungen und damit die Dicke des Verstärkungsverbundmateriales 28 können erhöht werden, um eine größere Steifigkeit des Schafts 20 zu erzielen. Ein Verfahren zur Änderung der Orientierung der Fasern besteht darin, aufeinanderfolgende Schichten mit einer Vielzahl von Matrixverbundmaterialschichten zu wickeln, deren jede so orientiert ist, daß der gewünschte Winkel der Faserorientierung erhalten wird. Beispielsweise kann eine erste Schicht Fasern enthalten, die in einem Winkel von 30° zur Achse des Kernes 26 orientiert sind, und eine zweite Schicht kann Fasern enthalten, die parallel zur Achse des Kernes 26 orientiert sind.

Ein unter Wärmeeinwirkung schrumpfender Kunststoffilm, der aus einem Material wie z.B. TEDLAR (der Firma Dupont Corporation) besteht, wird dann spiralförmig über die Schichten des Verbundmateriales 28 gewickelt. Diese Anordnung wird anschließend eine Stunde lang auf 175°C erhitzt, um das Epoxydharz auszuhärten. Während des Aushärtens schrumpft der spiralförmig gewickelte Kunststoffilm um die Harzmatrix und übt einen ausreichend hohen Druck aus, daß Leerstellen beseitigt werden und eine gleichförmigere Dichte des Verstärkungsverbundmaterials 28 erzielt wird. Nach Beendigung des Aushärtens wird der durch Wärmeeinwirkung schrumpfende Kunststoffilm entfernt und der Schaft 20 auf die für den Außendurchmesser gewünschten Enddimensionen spitzenlos geschliffen. Das spitzenlose Schleifen stellt auch eine gleichförmige

Wanddicke um den Umfang des Schaftes 20 sicher, so daß ein Pfeil 10 erhalten wird, der um seine Achse abgeglichen ist. Der Schaft 20 wird auf seine endgültige Länge geschnitten, indem von beiden Enden überschüssiges Material entfernt wird. Dies gewährleistet, daß Unebenheiten des Wickels, die an den Enden des Schafts 20 auftreten, entfallen. Die Eigenschaften eines speziellen Ausführungsbeispiels der bei Hitze aushärtenden Faserverstärkungsschicht haben einen Young-Elastizitätsmodul von 1.200.000 kg/cm² (17.100.000 psi), eine Biegefestigkeit von 17.780 kg/cm² (254.000 psi) und eine Zugspannungsfestigkeit von 14.630 kg/cm² (209.000 psi).

Der fertige Schaft 20 wird in herkömmlicher Weise mit einer entsprechenden Pfeilspitze 22 und einer Kerbe 24 versehen, so daß der faserverstärkte Aluminiumpfeil 10 nach Fig. 1 entsteht. Fig. 3 zeigt eine aufgeschnittene perspektivische Darstellung eines Schaftes 20 nach der Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 2 gezeigt ist.

Ein Querschnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Hierbei hat die Faserverstärkung die Form einer inneren Schicht 30 aus Verstärkungsfasern, die mit der Innenseite des Aluminiumkernes 26 verbunden, vorzugsweise verklebt sind. Diese innere Schicht 30 kann aus dem gleichen Fasermatrixverbundmaterial bestehen, das vorstehend erläutert wurde.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 kann dadurch hergestellt werden, daß ein hohles Rohr aus dem Harzmatrixverbundmaterial mit entsprechenden Dimensionen hergestellt wird, das in den Aluminiumkern 26 eingesetzt wird. Die Anordnung wird dann durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet, damit eine Verbindung der Harzmatrixschicht 30 mit dem Kern 26 erhalten wird.

Der Querschnitt einer weiteren, abgeänderten Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Diese Darstellung zeigt die Kombination der Ausführungsbeispiele nach den Figuren 2 und 4 (oben erläutert) und ergibt einen Pfeilschaft 20 mit einem Aluminiumkern 26, einer äußeren Faserverstärkungsschicht 28 und einer inneren Faserverstärkungsschicht 30. Fig. 3 zeigt eine aufgeschnittene Ansicht eines Schaftes 20 nach der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform.

Claims (8)

1. Pfeilschaft, gekennzeichnet durch einen aus einem hohlen Metallrohr geformten Kern (26) und ein auf eine Oberfläche des Kernes (26) aufgebrachtes Verstärkungsmaterial (28).

2. Pfeilschaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial (28), das auf eine Oberfläche des Kernes (26) aufgebracht ist, wenigstens eine äußere Schicht (28) aus Verstärkungsfasern aufweist, die auf die äußere Oberfläche des Kernes (26) aufgebracht sind.

3. Pfeilschaft nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial (28), das auf eine Oberfläche des Kernes (26) aufgebracht ist, mindestens eine innere Schicht (30) aus Verstärkungsfasern aufweist, die auf die Innenfläche des Kernes (26) aufgebracht sind.

4. Pfeilschaft nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern wenigstens einer Schicht parallel zur Achse des hohlen Metallrohres (26) orientiert sind.

5. Pfeilschaft nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern wenigstens einer Schicht in einem Winkel von 30° zur Achse des hohlen Metallrohres (26) orientiert sind.

6. Pfeilschaft nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus Verstärkungsfasern in eine Harzmatrix eingebettete Fasern besitzt.

7. Pfeilschaft nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Kohlenstoffasern aufweisen und daß die Harzmatrix Epoxydharz enthält.

8. Pfeilschaft nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Metallrohr (26) aus Aluminium besteht.