Progettazione di un'elettrovalvola 2/2 monitorabile ottimizzata mediante simulazione dinamica

This thesis documents the work carried out during the curricular internship at the Technical Department of Bosch Rexroth Oil Control, headquartered in Nonantola (MO). The project concerns the development of a new design for a two-way, two-position pilot-operated, bidirectional, normally open solenoid valve with monitoring capability. The initiative originated from the need to replace the position sensor currently employed in catalog products with a sensor used by HydraForce, a U.S.-based company specialized in compact hydraulics, recently acquired by the Bosch Group. The new magnetic Hall-effect sensor offers significant advantages in terms of maintenance simplicity and lower cost. The proposed design introduces the possibility of integrating a mechanical emergency system, capable of ensuring valve functionality even in the event of an electrical failure, thereby improving the overall reliability of the product. From a dimensional standpoint, the developed solution achieves a 19% reduction in axial footprint compared to the catalog version, while maintaining comparable performance, as highlighted by the conducted dynamic simulations. These results will subsequently require validation through experimental testing. In compliance with the required functionality and performance, the project pursued the objective of minimizing the design of new components by reusing as many existing parts as possible. This strategy, aimed at standardization and economies of scale, has led to an estimated 5% reduction in production costs, with tangible benefits in terms of logistical simplification and industrialization. The work was structured into three main phases. In the first phase, a preliminary layout of the valve was developed, defining functional requirements and identifying the target performance. In the second phase, dynamic simulations were conducted to analyze system behavior under representative operating conditions and to guide design choices toward an optimized configuration. The third phase concerned the detailed development of the project, including the drafting of technical drawings necessary for prototype manufacturing, with particular attention to tolerance optimization to ensure compatibility with machining processes and to contain production costs. This work has demonstrated how the integration of advanced dynamic simulation tools during the design phase can substantially contribute to the development of innovative, efficient, and production-oriented solutions. Simulation enabled the early identification and resolution of critical issues that, if only discovered during physical prototyping, would have resulted in costly and time-consuming iterations. By adopting this approach, it was possible to optimize both components and performance during the design stage, thereby significantly reducing the need for modifications during physical prototyping and, consequently, lowering overall development time and costs.

La presente tesi documenta l’attività svolta durante il tirocinio curriculare presso l’ufficio tecnico di Bosch Rexroth Oil Control, con sede a Nonantola (MO). Il progetto riguarda lo sviluppo di un nuovo design per un’elettrovalvola 2 vie 2 posizioni, ad azionamento pilotato, bi-direzionale, normalmente aperta e monitorabile. L’iniziativa nasce dall’esigenza di sostituire il sensore di posizione attualmente impiegato nei prodotti a catalogo con un sensore utilizzato da HydraForce, azienda statunitense specializzata in oleodinamica compatta recentemente acquisita dal Gruppo Bosch. Tale sensore, di tipo magnetico ad effetto Hall, offre vantaggi significativi in termini di facilità di manutenzione e costo ridotto del sensore stesso. Il nuovo design proposto introduce la possibilità di integrare un sistema meccanico di emergenza, in grado di garantire la funzionalità della valvola anche in caso di guasto elettrico, migliorando così l’affidabilità complessiva del prodotto. Dal punto di vista dimensionale, la soluzione sviluppata consente una riduzione dell’ingombro assiale pari al 19% rispetto alla versione attualmente presente a catalogo, pur mantenendo prestazioni comparabili, come evidenziato dalle simulazioni dinamiche condotte. Questi risultati dovranno essere successivamente validati attraverso test sperimentali. Nel rispetto dei requisiti funzionali e delle prestazioni attese, il progetto ha perseguito l’obiettivo di minimizzare la progettazione di nuovi componenti, riutilizzando quanto più possibile componenti esistenti. Questa strategia, orientata alla standardizzazione e all’economia di scala, ha permesso di stimare una riduzione dei costi di produzione pari al 5%, con benefici concreti anche in termini di semplificazione logistica e industrializzazione. L’attività si è articolata in tre fasi principali. Nella prima fase è stato sviluppato il layout preliminare della valvola, definendo i requisiti funzionali e identificando le performance da raggiungere. In una seconda fase, sono state condotte simulazioni dinamiche con l’obiettivo di analizzare il comportamento del sistema in condizioni operative rappresentative e di guidare le scelte progettuali verso una configurazione ottimizzata. La terza fase ha riguardato lo sviluppo del progetto nei dettagli, con la stesura dei disegni tecnici necessari alla realizzazione dei primi prototipi, ponendo particolare attenzione all’ottimizzazione delle tolleranze per garantire la compatibilità con i processi di lavorazione meccanica e contenere i costi di produzione. Il lavoro ha evidenziato come l’integrazione di strumenti di simulazione dinamica avanzata durante la fase di progettazione possa contribuire in modo sostanziale allo sviluppo di soluzioni innovative, efficienti ed orientate alla produzione industriale. La simulazione ha permesso di individuare e risolvere in anticipo criticità che, se fossero emerse solo durante la prototipazione fisica, avrebbero comportato iterazioni costose e prolungate, aumentando i tempi e i costi di sviluppo. Grazie a questo approccio, è stato possibile ottimizzare i componenti e le performance in fase di progettazione, riducendo significativamente la necessità di modifiche durante la prototipazione fisica e, di conseguenza, abbattendo i tempi e i costi complessivi.