張少飛,上官文斌,曾祥坤
(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,廣州 510641)
單根多楔帶附件驅(qū)動(dòng)(Serpentine Belt Accessory Drive,簡(jiǎn)稱(chēng)SBAD)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞功率大、振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn),逐漸取代了傳統(tǒng)的V-帶傳動(dòng),在發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]。
SBAD系統(tǒng)通常由驅(qū)動(dòng)輪、多楔帶、若干從動(dòng)輪和張緊器(包括張緊臂、張緊輪和彈簧阻尼元件)組成[1],其旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性包括:輪和張緊臂的角度波動(dòng)、帶段的動(dòng)態(tài)張力、帶-輪之間的滑移。SBAD系統(tǒng)中,各從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小不一。一些從動(dòng)輪所帶動(dòng)的附件由于轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大(例如發(fā)電機(jī)輪所帶的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子),其等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在所有從動(dòng)輪中往往是最大的,對(duì)整個(gè)SBAD系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性的影響很大[6]。為了降低大慣量附件對(duì)SBAD系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)振
為更好地說(shuō)明問(wèn)題的本質(zhì),本文僅以由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、張緊器組成的三輪-帶系統(tǒng)為研究對(duì)象,其中,從動(dòng)輪上有單向離合器裝置。通過(guò)建立該系統(tǒng)的非線(xiàn)性旋轉(zhuǎn)振動(dòng)數(shù)學(xué)模型,給出了從動(dòng)輪和張緊臂角度波動(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法,以及各帶段動(dòng)態(tài)張力、帶-輪間滑移率的求解方法。動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性的影響,常在從動(dòng)輪與附件之間安裝單向離合器(One-Way Clutch,簡(jiǎn)稱(chēng)單向離合器)[2]。輪與附件間通過(guò)單向離合器、扭轉(zhuǎn)彈簧相連,將SBAD系統(tǒng)與大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的附件之間進(jìn)行解耦,從而改善SBAD系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)特性[7]。
圖1 三輪-帶SBAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of a three pulley-belt SBADs
目前發(fā)表的有單向離合器裝置的帶傳動(dòng)系統(tǒng)建模方面的論文較少。Balaji等[8]建立了有單向離合器裝置的七輪-帶SBAD系統(tǒng)非線(xiàn)性旋轉(zhuǎn)振動(dòng)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)單向離合器裝置的結(jié)合、分離兩種不同狀態(tài),將系統(tǒng)看成分段線(xiàn)性系統(tǒng),采用四階Runge-Kutta法求解系統(tǒng)響應(yīng)。Zhu等[9]建立了有單向離合器裝置的兩輪-帶傳動(dòng)系統(tǒng)(由一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪組成)非線(xiàn)性旋轉(zhuǎn)振動(dòng)數(shù)學(xué)模型,并用諧波平衡法分析單向離合器彈簧剛度、系統(tǒng)激勵(lì)幅值、附件軸與從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。
本文建立了有單向離合器裝置的三輪-帶SBAD系統(tǒng)(由一個(gè)主動(dòng)輪、一個(gè)從動(dòng)輪、一個(gè)張緊器和一根多楔帶組成)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)數(shù)學(xué)模型??紤]了帶的蠕變、帶的阻尼及各輪軸處阻尼的作用。在單諧波激勵(lì)下,采用Gear數(shù)值解法,計(jì)算和對(duì)比分析了從動(dòng)輪有、無(wú)單向離合器裝置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響;計(jì)算和研究了單向離合器的彈簧剛度,及附件軸與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。文中還建立了單向離合器彈簧剛度、附件軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)上到y(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,計(jì)算、對(duì)比分析了優(yōu)化前后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)果表明,優(yōu)化后的系統(tǒng)參數(shù),三輪-多楔帶傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性均得到一定程度的改善。文中單向離合器裝置三輪-多楔帶傳動(dòng)系統(tǒng)的建模、動(dòng)態(tài)特性求解和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,為發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)控制提供了參考。
圖2 從動(dòng)輪與其附件軸連接示意圖Fig.2 Schematic of the connection in OWC
有單向離合器裝置的三輪-帶SBAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1:該系統(tǒng)中包括主動(dòng)輪1、從動(dòng)輪2、張緊輪3和張緊臂等元件;主動(dòng)輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn),通過(guò)多楔帶驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪和張緊輪;從動(dòng)輪通過(guò)單向離合器、扭轉(zhuǎn)彈簧、與附件軸相連,其連接示意圖見(jiàn)圖2。
圖1中,θi為張緊臂的轉(zhuǎn)角;(Xi,Yi)為張緊臂支點(diǎn)坐標(biāo);Li,Ii分別為張緊臂的長(zhǎng)度和張緊器繞其支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;(Xi,Yi)(i=1,2,3)為輪 i旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo);Bi(i=1,2,3)表示帶段 i;Ri,θi,Ii(i=1,2,3)分別為輪i的半徑、轉(zhuǎn)角和繞其旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θa,Ia分別為附件軸的轉(zhuǎn)角和附件軸繞其旋轉(zhuǎn)軸中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;KSP為單向離合器的彈簧剛度。另外,張緊器的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性參數(shù)用彈簧剛度Kt和等效粘性阻尼C表示。
模型假設(shè)[1-6]:帶的物理特性一致,以準(zhǔn)靜態(tài)方式伸縮;除張緊輪外,其它輪和張緊臂作定軸轉(zhuǎn)動(dòng);帶在輪上不發(fā)生滑移;不考慮帶旋轉(zhuǎn)振動(dòng)與帶橫向振動(dòng)(垂直于帶的速度方向)的耦合。利用Hamilton原理建立從動(dòng)輪、附件軸、張緊輪及張緊臂的運(yùn)動(dòng)方程分別為:
(1)從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)方程:
(2)附件軸運(yùn)動(dòng)方程:
(3)張緊輪運(yùn)動(dòng)方程:
方程(1)~(3)中,Qi(i=2,3)為輪 i的負(fù)載;Ci(i=1,2,3)為各輪旋轉(zhuǎn)軸處的粘性阻尼(Ci=0.006 Nm·s)[10];g(δθ)為單向離合器彈簧扭矩,其計(jì)算式為:
其中:δθ為從動(dòng)輪與附件軸的轉(zhuǎn)角差(即δθ=θ2-θa)。
為方便對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行迭代求解,將單向離合器彈簧扭矩用雙曲正切函數(shù)表達(dá)成連續(xù)函數(shù)的形式,即 g(δθ)=0.5KSPδθ[1+tanh(εδθ],ε 取 10 000[9]。
方程(1)、(3)中,Ti為帶段i的張力,其計(jì)算式為:
式中:T0為帶的初始張力;Ki為帶段i的縱向彈性剛度,Ki=EA/Li,其中EA為帶的縱向彈性模量;Di為帶段i的阻尼,Di=ηKi,η為帶的阻尼剛度比,η取0.001 2[11]。式(6)中,KP(i)=EA/(Riβi)為輪 i包角處帶段的彈性剛度,βi為帶在輪i上的包角。
(4)張緊臂運(yùn)動(dòng)方程:
其中:Meff為張緊器總質(zhì)量;Leff為張緊器質(zhì)心到張緊臂支點(diǎn)的長(zhǎng)度;Qt為張緊器彈簧的預(yù)載;θ0為張緊器的安裝角度,定義為系統(tǒng)靜態(tài)時(shí)正X方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到張緊臂的轉(zhuǎn)角;ρb為帶的線(xiàn)密度;c為皮帶縱向運(yùn)動(dòng)的速度;αi(i=1,2)為張緊臂與張緊輪相鄰帶段的夾角(見(jiàn)圖1),其表達(dá)式為:
其中:Li(i=1,2,3)為帶段 Bi(i=1,2,3)的長(zhǎng)度。L2,L3及張緊輪中心坐標(biāo)(X3,Y3)均為張緊臂角度 θt的函數(shù):
由方程(1)~(3)、(7)描述的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為非線(xiàn)性常微分方程組,可采用數(shù)值解法求解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文采用Gear數(shù)值解法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Gear法)計(jì)算系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng),相對(duì)4-5階Runge-Kutta數(shù)值解法,Gear法能更快地得到方程的解[5]。
設(shè)系統(tǒng)中各元件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)x=[θt,t,θ2,2,θa,a,θ3,3]T,將動(dòng)態(tài)響應(yīng)初始值x0=[θ0,0,0,0,0,0,0,0]T代入與 Gear法對(duì)應(yīng)的ode15s函數(shù)中,可計(jì)算出系統(tǒng)各元件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中,θ0為張緊臂的初始角。
在求出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)后,將各輪的角度和角速度波動(dòng)值代入由式(5)、式(6)組成的方程組中,可以算出所有帶段的動(dòng)態(tài)張力。
帶-輪間的滑移率用帶與輪之間的相對(duì)速度來(lái)描述,其計(jì)算式為[13]:
其中,Γi為帶與輪i間的滑移率;VB為帶的縱向速度,由于張緊輪上沒(méi)有負(fù)載的作用,VB可用張緊輪節(jié)圓半徑上的線(xiàn)速度來(lái)表示,即VB=3R3,其中3為張緊輪的角速度;Vi為輪i節(jié)圓半徑上的線(xiàn)速度,Vi=iRi,其中i為輪i的角速度。
張緊器參數(shù)對(duì)SBAD系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)特性的影響已有研究[10-12]。因此,本節(jié)的主要內(nèi)容是計(jì)算和研究有/無(wú)單向離合器裝置,及單向離合器的附件軸與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比(以下簡(jiǎn)稱(chēng)慣量比,用α表示,α=Ia/I2,Ia為單向離合器附件軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)和彈簧剛度對(duì)SBAD系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性的影響。
系統(tǒng)激勵(lì)為主動(dòng)輪的角度波動(dòng)(單位為rad)。假設(shè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí),主動(dòng)輪的角度波動(dòng)為0.002sin(2ωt),其中 ω 為系統(tǒng)的激勵(lì)圓頻率(ω=2π500/60)。系統(tǒng)中其它參數(shù)見(jiàn)表1~表3。
表1 多楔帶和單向離合器的參數(shù)Tab.1 Parameters of the belt and OWC
表2 SBAD系統(tǒng)中各輪的參數(shù)Tab.2 Parameters of the pulleys in the SBADs
表3 張緊器的參數(shù)Tab.3 Parameters of the tensioner
有、無(wú)單向離合器裝置時(shí),SBAD系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性計(jì)算值見(jiàn)圖3。
由圖3(a)可見(jiàn),SBAD系統(tǒng)中加入單向離合器裝置后,張緊臂和從動(dòng)輪的角度波動(dòng)幅值均減小,且張緊臂的角度波動(dòng)幅值減小最明顯,由1.65 deg減小到0.24 deg;由圖3(b)可見(jiàn),帶段 B1,B2的動(dòng)態(tài)張力波動(dòng)幅值也明顯減小;由圖3(c)可見(jiàn),帶-從動(dòng)輪間的滑移率由0.08 減小到 0.03,減小了 62.5%。因此,SBAD系統(tǒng)中增加單向離合器裝置后,能有效地改善系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性,對(duì)于控制整個(gè)SBAD系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲有積極意義。
研究單向離合器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響是單向離合器與SBAD系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)和系統(tǒng)振動(dòng)控制的基礎(chǔ)。本小節(jié)將從單向離合器的彈簧剛度、附件軸與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比等方面,研究不同單向離合器參數(shù)下,SBAD系統(tǒng)張緊臂的角度波動(dòng)、單向離合器彈簧的扭矩、帶段B1的動(dòng)態(tài)張力和帶-從動(dòng)輪間的滑移率的變化,從而為單向離合器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
圖3 有、無(wú)單向離合器裝置對(duì)SBAD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響(注:‘A’表示有單向離合器裝置;‘B’表示無(wú)單向離合器裝置)Fig.3 Comparison of the dynamic characteristics for the SBADs with or without an OWC
2.3.1 單向離合器彈簧剛度的影響
單向離合器彈簧剛度不同時(shí),SBAD系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算值見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn),隨著單向離合器彈簧剛度的增加,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)均先減小后增大。由圖4(b)、4(d)可看出,單向離合器彈簧剛度較小或較大時(shí),帶段B1的張力波動(dòng)幅值、帶-從動(dòng)輪間的滑移率均較大。這將降低輪軸的使用壽命和加劇帶的磨損。
另外,由圖4(c)可見(jiàn),單向離合器彈簧剛度較小或較大時(shí),離合器均處在結(jié)合、分離交替的狀態(tài),系統(tǒng)的非線(xiàn)性振動(dòng)較明顯;單向離合器彈簧剛度較小時(shí),彈簧扭矩幅值較大,說(shuō)明單向離合器彈簧的轉(zhuǎn)角幅值也較大,這容易引起單向離合器彈簧的疲勞失效;而單向離合器彈簧剛度較大時(shí),從動(dòng)輪與附件軸間通過(guò)離合器近似剛性連接,單向離合器沒(méi)有起到解耦SBAD系統(tǒng)與大慣量轉(zhuǎn)子的作用。因此,合理設(shè)計(jì)單向離合器彈簧剛度的大小,是單向離合器裝置與SBAD系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
2.3.2 單向離合器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比的影響
單向離合器具有不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比時(shí),SBAD系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算值見(jiàn)圖5。
由圖5可見(jiàn),隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比的增加,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)先減小后增大。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比太大時(shí),系統(tǒng)的非線(xiàn)性振動(dòng)特性非常明顯,且圖5(a)中張緊臂的角度波動(dòng)幅值、圖5(b)中帶段B1的動(dòng)態(tài)張力波動(dòng)幅值、圖5(c)中單向離合器彈簧扭矩幅值都很大。因此,合理設(shè)計(jì)附件軸慣量的大小,對(duì)SBAD系統(tǒng)振動(dòng)控制和節(jié)能方面均有較大實(shí)際意義。
在圖4(b)和圖4(c)、圖5(b)和圖5(c)中,帶段B1的動(dòng)態(tài)張力和單向離合器彈簧扭矩隨單向離合器彈簧剛度、慣量比的變化趨勢(shì)均相同。因此,為簡(jiǎn)化優(yōu)化過(guò)程,本文只選擇張緊臂角度波動(dòng)幅值、單向離合器彈簧扭矩波動(dòng)幅值、帶-從動(dòng)輪間的滑移率幅值最小為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)單向離合器彈簧剛度和附件軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)蓚€(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。單向離合器參數(shù)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為:
優(yōu)化模型(11)屬于多目標(biāo)下的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題,可用Matlab中的fminimax函數(shù)求解。優(yōu)化前后的單向離合器參數(shù)見(jiàn)表4。
表4 優(yōu)化前后系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比Tab.4 Comparison of the initial and optimized parameters
SBAD系統(tǒng)優(yōu)化前后張緊臂的角度波動(dòng)、單向離合器的彈簧扭矩、帶-從動(dòng)輪間的滑移率隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖6。
由圖6(a)可見(jiàn),采用優(yōu)化的單向離合器參數(shù)后,張緊臂的角度波動(dòng)幅值由0.185deg降為0.155deg,降低了16.2%;圖6(b)中,單向離合器彈簧扭矩波動(dòng)幅值由1.40 降為 1.17,降低了 16.4%;圖 6(c)中,帶 - 從動(dòng)輪間的滑移率幅值由0.035降為0.029,降低了17.1%。因此,采用優(yōu)化后的單向離合器參數(shù),SBAD系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到了較大的改善,從而有利于控制SBAD系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲。
圖6 優(yōu)化前后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)比Fig.6 Comparison of the dynamic characteristics with the initial and optimized parameters
(1)建立了有單向離合器裝置的三輪-多楔帶SBAD系統(tǒng)非線(xiàn)性旋轉(zhuǎn)振動(dòng)模型,采用 Matlab中的Gear數(shù)值微分算法計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。SBAD系統(tǒng)中增加單向離合器裝置后,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性均明顯改善;單向離合器彈簧剛度和慣量比過(guò)小或過(guò)大時(shí),SBAD系統(tǒng)中各元件均表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線(xiàn)性振動(dòng)特性,且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較大。
(2)建立了單向離合器彈簧剛度和附件軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化結(jié)果表明,參數(shù)優(yōu)化后的SBAD系統(tǒng)中,張緊臂的角度波動(dòng)幅值降低了16.2%;單向離合器彈簧扭矩波動(dòng)幅值降低了16.4%;帶-從動(dòng)輪間的滑移率幅值降低了17.1%。
由于目前國(guó)內(nèi)單向離合器在附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用較少,實(shí)驗(yàn)力量較薄弱,本文中的理論計(jì)算結(jié)果尚待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,需深入研究以完善理論模型。文中單向離合器裝置三輪-多楔帶傳動(dòng)系統(tǒng)的建模、動(dòng)態(tài)特性求解及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,為發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)控制提供了參考。
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