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Università Degli Studi Roma Tre
Dipartimento di Ingegneria
Industriale, Elettronica e Meccanica
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Tesi di Laurea Magistrale
Analisi e modellazione a parametri concentrati di una valvola
proporzionale a due stadi a cartuccia
Laureando:
Sandro Mazzoni
Relatore: Correlatore:
Prof. Fulvio Palmieri Ing. Edoardo Frattini
Anno Accademico 2021/2022

“Credi di poterlo fare e sei già a metà strada”
(Theodore Roosevelt)

INDICE
INTRODUZIONE
Capitolo I: Sistemi oleodinamici
1.1 Introduzione
1.2 Fluido di lavoro
1.3 Pompa
1.3.1 Pompa a ingranaggi esterni
1.3.2 Pompa a palette
1.3.3 Pompa a pistoni assiali multipli su piastra inclinata
1.4 Motore idraulico
1.5 Motore elettrico
1.6 Serbatoio
1.7 Utilizzatore
1.7.1 Strozzatore a sezione variabile
1.7.2 Attuatore
1.7.3 Carico (load)
1.8 Valvole
1.8.1 Valvole di controllo della pressione
1.8.1.1 Valvola limitatrice di pressione (a comando diretto)
1.8.2 Valvole di controllo della direzione
1.8.3 Valvole di controllo della portata
Capitolo II: Valvola prototipale Hydronit-cspc15
2.1 Introduzione
2.2 Struttura
2.3 Geometrie
2.4 Specifiche tecniche e catalogo
2.5 Funzionamento
2.6 Obiettivo
Capitolo III: Ambiente di simulazione
3.1 Software Simcenter Amesim
3.2 Sketch Mode
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3.3 Submodel Mode
3.4 Parameter Mode
3.5 Simulation Mode
3.6 Librerie
3.6.1 Signal, Control
3.6.2 Mechanical
3.6.3 Electro Mechanical
3.6.4 Hydraulic
3.6.5 Hydraulic Component Design
3.6.6 Electrical Basics
3.7 Funzionalità
Capitolo IV: Modellazione Hydronit-cspc15 in Amesim
4.1 Introduzione
4.2 Valvola Hydronit-cspc15 in Amesim
4.3 Stadio pilota in Amesim
4.3.1 Molla di contrasto e ancoraggio
4.3.2 Sorgente di forza nulla
4.3.3 Massa
4.3.4 Molla rigida infinitesimale
4.3.5 Sorgente di pressione
4.3.6 Foro di comunicazione
4.3.7 Schema elettrico
4.3.7.1 Generatore di tensione
4.3.7.2 Amperometro
4.3.7.3 Resistenza
4.3.7.4 Guadagno
4.3.7.5 Solenoide
4.3.8 Poppet
4.4 Stadio principale in Amesim
4.4.1 Otturatore principale (corpo 1)
4.4.4 Nodo idraulico e serbatoio
4.5 Risultati della simulazione
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4.6 Confronto tra simulazione e catalogo
4.7 Conclusioni
BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA
RINGRAZIAMENTI
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Questa tesi è finalizzata alla modellazione di una valvola proporzionale regolatrice di portata a
due vie, caratterizzata da architettura complessa. Lo studio è stato condotto tramite un noto
ambiente di simulazione (Simcenter Amesim) nel quale si è replicato il funzionamento del
sistema, tramite l’utilizzo di componenti del software e nel rispetto delle reali geometrie
costruttive fornite. Durante l’esperienza accademica è stato possibile riscontrare l’importanza
dell’impiego di queste particolari soluzioni progettuali in contesti inerenti sistemi oleodinamici,
denotando l’esigenza di rendere sempre più compatte ed economiche le valvole, pur
mantenendo comportamenti soddisfacenti in termini di proporzionalità. Nel percorso
conclusivo dell’operato, sono state individuate possibili migliorie basate su potenziali
modifiche geometriche applicabili in futuro alla valvola oggetto di studio.

1
Capitolo I
Sistemi oleodinamici

2
1.1 Introduzione
Un sistema oleodinamico è costituito da un insieme di componenti opportunamente collegati
tra di loro, che hanno come obiettivo quello di elaborare fluido (pressoché incomprimibile) in
pressione, al fine di ottenere un effetto utile. Nell’ambito industriale, la disciplina oleodinamica
ha trovato largo impiego in diversi settori, grazie alla sua capacità di gestire notevoli potenze
attraverso organi di dimensioni e pesi ridotti, rispetto a tecnologie alternative. Per quanto
concerne gli elementi ampiamente utilizzati nel settore e frequentemente presenti in circuiti
oleodinamici più o meno complessi, si richiamano i seguenti:
• Fluido di lavoro
• Pompa
• Motore idraulico
• Motore elettrico
• Serbatoio
• Utilizzatore
• Valvole
Figura 1. Circuito oleodinamico

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1.2 Fluido di lavoro
Elemento fondamentale di un circuito oleodinamico, nonché responsabile del trasporto
energetico all’utilizzatore (trasmissione di forze e coppie), ma soggetto a degradazione nel
tempo. Presenta proprietà tali da garantire asportazione di calore, trasmissione di segnali
(pilotaggi), lubrificazioni delle parti di impianto in moto relativo. La scelta del tipo di olio più
consono all’applicazione, dipende dalla modalità di utilizzo prevista nell’impianto ed è
influenzata in particolar modo dalle sue caratteristiche di:
- Viscosità
- Dipendenza della viscosità dalla temperatura
- Armonizzazione tra componenti e viscosità dell’olio
- Comprimibilità
- Potere lubrificante e antiusura
- Resistenza alla pressione
- Resistenza al taglio
- Punto di congelamento e punto di fiamma
- Solubilità di aria in olio
- Potere antischiuma
- Compatibilità con i materiali
- Resistenza all’invecchiamento
- Dilatazione termica a pressione costante
- Compressione termica a volume costante
- Velocità di propagazione della pressione
- Densità
Nel contesto oleodinamico nella stragrande maggioranza dei casi si ricorre all’utilizzo di oli
minerali HL (con additivi anticorrosione e antinvecchiamento), HLP (come HL ma con additivi
antigrippaggio), HV (come HLP ma con additivi per riduzione variazione della viscosità con la
temperatura), HLPD (come HLP ma con additivi detergenti).

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Risulta importante ricordare il fatto che variazioni di temperatura e pressione modificano nel
fluido i valori di densità e viscosità. Quest’ultima determina l’entità dei trafilamenti
(diminuiscono al crescere della viscosità) e nella sua definizione cinematica è comunque legata
alla densità del fluido, secondo la relazione seguente:
𝜈 =
𝜇
𝜌
[
𝑚2
𝑠
]
• Il termine 𝜈 indica la viscosità cinematica del fluido
• Il termine 𝜌 indica la densità del fluido [𝑘𝑔 𝑚3
⁄ ]
• Il termine 𝜇 indica la viscosità dinamica [𝑃𝑎 ∙ 𝑠]
Figura 2. Andamento della viscosità cinematica in funzione della temperatura
Per quanto concerne la densità, essa diminuisce linearmente al crescere della temperatura.

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1.3 Pompa
Nel settore idraulico, costituisce il componente principale senza il quale non è possibile
mandare in pressione il fluido. Esistono diverse famiglie di pompe nel mercato, ma quelle che
interessano il contesto oleodinamico devono essere in grado di fornire elevati salti di pressione
e processare il fluido in pacchetti discreti, perciò, di tipo “volumetrico”. Una definizione che
ripercorre più fedelmente il concetto è la seguente:
“La pompa oleodinamica è una macchina operatrice che trasporta un liquido secondo leggi
volumetriche, generando un flusso detto portata (Q), che in presenza di una resistenza entra in
pressione (P)”
La portata Q che una pompa volumetrica alternativa è in grado di fornire, è esprimibile tramite
la relazione:
𝑄 = 𝜂𝑣 ∙ 𝑉
𝑐 ∙
𝑛
60
• Essendo 𝜂𝑣 il rendimento volumetrico, inteso come 𝜂𝑣 = 𝑉
𝑒 𝑉
𝑐
⁄
• Essendo 𝑉
𝑒 volume di fluido effettivamente processato
• Essendo 𝑉
𝑐 la cilindrata della pompa
• Essendo 𝑛 il numero di giri della pompa
La prevalenza H (in termini di energia specifica) di una pompa volumetrica alternativa è
espressa come:
𝐻 =
𝑃𝑜𝑢𝑡 − 𝑃𝑖𝑛
𝜌
• Essendo 𝑃𝑜𝑢𝑡 (pressione di uscita o mandata), 𝑃𝑖𝑛 (pressione di ingresso o aspirazione)
• Essendo 𝜌 la densità del fluido di lavoro
Alcune tipologie di pompe volumetriche sono di tipo rotativo e in grado di operare con
cilindrata variabile o fissa. A seguire verranno esposte alcune tra le più ricorrenti in ambito
oleodinamico.

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1.3.1 Pompa a ingranaggi esterni
È costituita da due ruote dentate (fig.3) che, ingranando, ruotano in senso opposto. La ruota
conduttrice è calettata sull’albero del motore elettrico e trascina nella rotazione la ruota
condotta. Le due ruote dentate sono contenute in un corpo “C” che le avvolge nella periferia
con minimo gioco, impedendo, praticamente, il reflusso del liquido in senso inverso per effetto
della pressione. Tra gli ingranaggi e il corpo vengono a formarsi due camere in prossimità dei
due condotti: di entrata “E” e di uscita “U”. Considerando la rotazione di figura, si nota che
nella camera di aspirazione “E” il liquido viene incapsulato tra i vani dei denti e il corpo “C”
per poi essere trasportato verso la camera di compressione (di mandata) “U”. In tal modo,
togliendo volume di liquido dalla camera “E”, si determina, in essa, un vuoto (aspirazione). La
pressione atmosferica spinge così il fluido, contenuto nel serbatoio, ad entrare nella camera “E”.
Lato mandata U, il liquido viene spinto verso il condotto di uscita la cui pressione dipende dai
carichi che sono applicati negli attuatori, dalle perdite di carico nei condotti, dalle strozzature
ecc. La portata nelle pompe ad ingranaggi esterni è praticamente costante e dipende solo dal n°
di giri.
Figura 3. Dettaglio di una pompa a ingranaggi esterni
• Molto utilizzate poiché economiche
• Sopportano 150 Bar (con 25 cc/giro), 300 Bar (con 1 cc/giro)
• Buona continuità di portata

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1.3.2 Pompa a palette
Può essere a cilindrata fissa o a cilindrata variabile. È costituita da un rotore “R” collegato al
motore elettrico e posto in posizione eccentrica rispetto alla capsula (o corpo “C”) e presenta
una serie di fenditure radiali “f”, entro le quali si impegnano e possono scorrere le palette (o
lamelle). Per effetto della forza centrifuga o per azione di molle, le palette vengono spinte verso
l’esterno e vanno ad appoggiarsi sulla superficie cilindrica interna del corpo “C”. Come si nota
dalla figura 4, considerando la rotazione del rotore, per effetto dell’eccentricità, il volume
compreso tra due palette, il corpo “C” e il rotore, va aumentando nella semicirconferenza, in
prossimità del condotto di entrata “E”, nel verso che va dall’ingresso verso l’uscita; mentre
detto volume diminuisce nell’altra semicirconferenza, in prossimità dell’uscita. In tal modo si
crea una depressione all’ingresso che richiama altro liquido, mentre, in uscita, il fluido viene
costretto ad andare in pressione.
Figura 4. Dettaglio di una pompa a palette

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1.3.3 Pompa a pistoni assiali multipli su piastra inclinata
Come è possibile apprezzare nella figura 5, è costituita da un corpo “C” (detto barilotto),
solidale all’albero “A” posto in rotazione dal motore elettrico. Nel barilotto sono ricavati più
cilindri “CI” con assi disposti su una circonferenza. Nei cilindri scorrono i pistoni “P”,
comandati da steli collegati ad una estremità sul rispettivo pistone e all’altra su una piastra “PI”
ruotante con il barilotto. La piastra “PI” è costretta ad appoggiarsi per effetto della molla “M”
e del puntalino “PU” sul piano inclinato “IN”. Il piano inclinato è collegato sul perno “PN”,
solidale alla parte fissa della pompa, e può variare la sua inclinazione attraverso il tirante “ST”.
I cilindri sulla testata, sono in comunicazione per metà circonferenza inferiore con la camera di
aspirazione “E”, per l’altra metà superiore con la camera di mandata “U”. Le due camere sono
ricavate nell’anello fisso “AN”.
Funzionamento:
Nella rotazione del barilotto e della piastra PI appoggiata sul piano inclinato, i pistoni sono
costretti nella parte inferiore a spostarsi verso l’esterno dei cilindri e nella parte superiore verso
l’interno. Cosicché nella metà circonferenza inferiore viene aspirato il liquido che verrà poi
inviato nella mandata nella parte superiore. La portata dipende dalla corsa dei pistoni e questa
varia al variare dell’inclinazione del piano inclinato. Si può così regolare la portata variando
l’inclinazione del piano inclinato. A parità di inclinazione la portata resta costante.
Figura 5. Dettaglio di una pompa a pistoni assiali multipli su piastra inclinata

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1.4 Motore idraulico
Possiamo dire che la struttura di un motore idraulico è uguale a quella di una pompa. Bisogna
tenere presente che richiede un drenaggio esterno per convogliare i naturali trafilamenti interni
verso il serbatoio. La pressione che può sopportare la cassa del motore idraulico è di circa 1,5
bar, infatti se si raggiungono valori superiori, si può incorrere nel danneggiamento delle
guarnizioni di tenuta dell’albero. I motori idraulici per le loro buone prestazioni, per la loro
capacità di inversione del moto, per la praticità d’installazione, trovano largo impiego in molti
settori industriali, ma in particolare nel settore agricolo, movimento terra, autobetoniere, rulli
compattatori, carrelli elevatori e come trasmissione idrostatica in senso generale. Ricevono
potenza idraulica (dalla pompa) e restituiscono in uscita all’albero, potenza meccanica
necessaria ad assecondare le richieste dell’utilizzatore.
Figura 6

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1.5 Motore elettrico
Costituisce certamente l’elemento di potenza più utilizzato per l’azionamento delle pompe
oleodinamiche. Sono nello specifico motori elettrici asincroni in cui la parte elettrica e
magneticamente attiva è costituita da un pacco di lamierini per lo statore, da uno per il rotore e
dagli avvolgimenti disposti nelle cave dei pacchi stessi. L’avvolgimento è a bobina nel caso di
rotore a collettore e a barre con anelli di cortocircuito nel caso di rotore a gabbia. Se
l’avvolgimento trifase dello statore è collegato alla rete d’alimentazione, nel traferro si sviluppa
un campo rotante con velocità determinata dalla frequenza f della corrente d’alimentazione e
dal numero di coppie di poli p dell’avvolgimento:
𝑛 = (1 − 𝑠) ∙
60 ∙ 𝑓
𝑝
[
𝑔𝑖𝑟𝑖
𝑚𝑖𝑛
]
• Essendo 𝑠 lo scorrimento
Figura 7. Motore elettrico

11
1.6 Serbatoio
L’impianto oleoidraulico può fornire le migliori prestazioni, la più alta affidabilità e la più lunga
durata solo se il fluido è opportunamente condizionato, ossia:
- filtrato, per rimuovere le particelle solide estranee
- raffreddato (o riscaldato) per mantenere le escursioni di temperatura entro limiti
compatibili con la viscosità e la durata richiesti al fluido, e con le caratteristiche dei
materiali costituenti il sistema.
Queste funzioni sono svolte separatamente da apparecchiature specifiche, rispettivamente filtri,
scambiatori di calore, e contemporaneamente dal serbatoio, la cui corretta esecuzione assume
dunque un’importanza fondamentale.
Dimensionamento del serbatoio:
Il serbatoio va dimensionato in modo da consentire al fluido di rimanere al suo interno un tempo
sufficiente a subire i trattamenti sopra indicati. Tale durata dipende evidentemente dalle
particolari situazioni operative e ambientali. Nelle applicazioni normali, il volume del serbatoio
deve essere pari ad almeno 9 volte la portata della pompa (espressa il l/min) se l’impianto lavora
in servizio intermittente, 5 ÷ 6 volte la portata della pompa se lavora in servizio continuo (fino
a un massimo di 10 ÷ 15 volte in condizioni particolarmente gravose).
Figura 8. Dettaglio di un serbatoio

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1.7 Utilizzatore
Nel momento in cui si realizza un impianto oleodinamico, si intende perseguire un determinato
scopo, il quale, può essere ad esempio quello di indurre l’azionamento di un attuatore per
ottenere come effetto utile uno stampo, oppure quello di condurre una regolazione di portata
sfruttando una strozzatura a sezione variabile. Esistono molteplici potenziali applicazioni
possibili ed in questo contesto il termine “utilizzatore” sta ad indicare quell’elemento
dell’impianto che racchiude il fine ultimo, l’obbiettivo dell’intero schema. Dato il vasto campo
di impiego della disciplina oleodinamica, nella grande maggioranza dei casi, l’utilizzatore può
essere visto come:
1. Strozzatore a sezione variabile
2. Attuatore
3. Carico (Load)
1.7.1 Strozzatore a sezione variabile
Nel gergo idraulico per strozzatura, si intende la riduzione di sezione di passaggio offerta al
fluido, quando questo scorre all’interno di un condotto circolare di diametro D. In prossimità
della strozzatura il fluido sarà costretto ad attraversare una sezione di diametro d < D, e nel
rispetto del teorema di Bernoulli e della conservazione della portata tra sezione di monte e di
valle, si potrà quantificare l’efflusso, attraverso l’espressione:
𝑄𝑠𝑡 = 𝐶𝑑 ∙ 𝐴𝑔 ∙ √
2(𝑃
𝑚 − 𝑃
𝑣)
𝜌
- Essendo 𝑃
𝑚 , 𝑃𝑣 (pressione a monte e a valle dello strozzatore)
- Essendo 𝜌 la densità del fluido
- Essendo 𝐶𝑑 coefficiente di efflusso (è funzione della sezione di passaggio e tiene conto
dei fenomeni dissipativi durante l’efflusso. Assume per orifizi valori compresi tra 0,64
e 1
- Essendo 𝐴𝑔 la sezione di passaggio

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Nella relazione precedentemente fornita, si è voluto sottolineare l’espressione analitica che
caratterizza la portata attraverso una strozzatura che presenta ostruzione fissa nel tempo e
definita dal termine 𝐴𝑔. Questa situazione in realtà è rappresentativa di uno “Strozzatore a
sezione fissa” e nel contesto oleoidraulico può essere immaginato attraverso la figura
sottostante:
Figura 9. Dettaglio strozzatore fisso
In letteratura, tutto ciò viene formalizzato attraverso il seguente simbolo:
Nel caso di “Strozzatore a sezione variabile” si deve immaginare (facendo sempre riferimento
alla figura 9), di poter modificare il termine 𝐴𝑔 pilotandolo attraverso un segnale di intensità
variabile nel tempo. Conseguentemente, la sezione 𝐴𝑔 = 𝑓(𝑡) varierà istante per istante, in
base al valore assunto dal segnale che la comanda. Questo concetto ben si presta a simulare
l’effetto di apertura e chiusura di un rubinetto o più in generale di una valvola, garantendo anche
customizzazione nella modalità di apertura/chiusura (velocità con cui ciò avviene).
In letteratura, anche in questo caso è previsto un simbolo universale specifico:

14
1.7.2 Attuatore
Nel campo ingegneristico gli attuatori sono uno dei componenti più utilizzati. Essi hanno la
caratteristica di poter convertire l’energia idraulica prodotta dalla pompa in energia meccanica,
e ottenere una forza lineare in grado di spostare un carico. Quando un flusso idraulico entra in
un recipiente chiuso dotato di un pistone mobile che separa il cilindro in due camere, esso
genera una determinata forza a una definita velocità.
Figura 10. Dettaglio attuatore
Per quanto concerne la loro classificazione, questi possono essere:
• A semplice effetto:
Il ritorno del pistone alla posizione iniziale può avvenire spontaneamente o tramite una
molla. Nel primo caso, quando il pistone è impegnato contro una forza costante (cilindri
adoperati per sollevare pesi), basta lasciar defluire liberamente l’olio dalla camera. Se
la forza esterna costante non esiste, si può ottenere utilizzando una molla (con rigidezza
molto ridotta) che contrasti l’avanzamento del pistone.
• A doppio effetto:
Il ritorno del pistone è attivo attraverso la pressione esercitata anche sulla faccia opposta
dello stelo. Basterà rendere stagno, con un’adatta guarnizione, il passaggio per lo stelo,
ottenendo così una camera anche dalla sua parte, nella quale sia possibile inviare olio in
pressione. Basterà quindi aprire la prima camera verso lo scarico e inviare invece olio
nella seconda camera per ottenere il rientro del pistone; tale rientro avviene inoltre con
la possibilità di esercitare una forza dello stesso ordine di grandezza di quella fornita
all’andata, potendo così eseguire un lavoro utile anche al ritorno.

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Nella figura sottostante, a titolo di esempio, si è preso in esame un cilindro a doppio effetto
alimentato da una valvola 4/3 (4 attacchi e 3 posizioni), azionata tramite una leva. A seconda
che la leva venga spinta, tirata o lasciata in posizione di riposo, si ottengono tre possibili effetti.
Spingendola, si commuta la valvola nella configurazione “P” collegato “A” e “T” collegato
“B”, garantendo in questo modo la fuoriuscita dello stelo. Tirandola si ottiene la commutazione
opposta che determina la corsa di rientro dello stesso. Quando la leva si trova in posizione
verticale, la valvola si colloca nella posizione centrale, alla quale consegue la condizione di
arresto.
Figura 11. Dettaglio posizioni attuatore
Alla base del funzionamento di questa tipologia di componenti vi è la legge di Pascal, la quale
afferma che un fluido trasferisce a tutta la sua massa, la pressione che gli viene applicata.
L’intensità della pressione è trasmessa in ogni punto con lo stesso modulo.

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1.7.3 Carico (load)
L’utilizzatore può essere rappresentato in un circuito oleodinamico anche da una generica
utenza caratterizzata dall’avere una curva di coppia 𝑀𝑟 e imporre conseguentemente un’azione
resistente nel sistema. Questa situazione è tipica di un’applicazione comune nell’ambito
idraulico, per esempio quando si vuole realizzare una trasmissione idrostatica. La richiesta di
coppia che l’utenza impone, dovrà essere assecondata dal motore idraulico, il cui albero è
meccanicamente collegato all’utenza stessa che rappresenta il carico, mentre dal punto di vista
idraulico è connesso alla pompa volumetrica di alimento.
Figura 12. Schema trasmissione idrostatica

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1.8 Valvole
In un circuito oleodinamico bisogna intervenire sulle grandezze di pressione, portata e direzione
del flusso, per ottenere le funzioni desiderate. Le valvole oleodinamiche sono gli elementi
preposti per regolare la pressione, interrompere, fare passare, deviare la portata del flusso di
olio per muovere i vari attuatori in funzione delle esigenze dell'impianto. Per un corretto
funzionamento di queste, occorre rispettare le informazioni tecniche fornite dai costruttori, in
particolare per quanto riguarda l'olio idraulico da utilizzare (tipo ISO 6743/4) che va sostituito
dopo le prime 100 ore d'impiego, successivamente con frequenza di 2000 ore. La viscosità
consigliata in genere è di 32 mm²/s (ISO VG32). Prestare molta attenzione al grado di
contaminazione del fluido, perché le particelle abrasive che circolano nell'impianto possono
provocare il bloccaggio delle valvole, le quali sono costruite con tolleranze molto strette. La
filtrazione nominale può andare da 5 micron per impianti ad alta pressione (> 250 bar) ai 20
micron per circuiti in bassa pressione (< 100 bar). Bisogna monitorare anche le temperature di
esercizio del fluido che non devono superare 75°C.
Classificazione delle valvole
Si possono raggruppare in base al tipo di comando esterno con cui vengono azionate:
• Comando manuale (pulsante, leva, pedale)
• Comando meccanico (spintore, molla, rullo, tacca)
• Comando di pressione (idraulica o pneumatica)
• Comando elettrico
Figura 13. Dettaglio schematico comandi di azionamento esterno

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Oppure in base alla natura del controllo che garantiscono:
1) Valvole di controllo della pressione
2) Valvole di controllo della direzione
3) Valvole di controllo della portata
1.8.1 Valvole di controllo della pressione
Anche nella categoria di valvole di controllo della pressione, si ricorre ad una sotto
classificazione ulteriore, che le vede distinte in:
- Valvole limitatrici di pressione
- Valvole di sequenza
- Valvola di scarico
- Valvole di riduzione di pressione
- Valvole di bilanciamento
- Valvole interruttore di pressione/pressostati
A seguire verrà brevemente introdotto il funzionamento di una valvola limitatrice di pressione
(imprescindibile e presente in qualsiasi circuito oleodinamico) senza andare ad approfondire le
altre tipologie di valvole appena elencate. L’intento è quello di esporre in maniera sintetica la
modalità di apertura/chiusura e sotto quale condizione fisica ciò avviene. L’analisi verrà
condotta in condizioni di regime stazionario (variabili fisiche in gioco non dipendenti dal
tempo). Qualora si volesse caratterizzare il comportamento dinamico della valvola, che
definisce la legge del moto che la governa, sarebbe necessario risolvere un’equazione
differenziale del 3°ordine non lineare, la cui risoluzione non è immediata (metodo risolutivo di
integrazione che utilizza il software Simcenter Amesim).

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1.8.1.1 Valvola limitatrice di pressione (a comando diretto)
Nota in forma abbreviata come “VLP”, detta anche di massima pressione, costituisce l'elemento
imprescindibile per imporre il valore di pressione massimo ammissibile per un circuito
idraulico/oleodinamico. Il suo compito è quello di proteggere la pompa e gli altri componenti
dall'eccessiva pressione nel sistema (potrebbe danneggiarsi) ed è per questo chiamata a svolgere
una funzione di sicurezza e regolazione. Le valvole limitatrici di pressione sono valvole NC
(normalmente chiuse) in grado di aprirsi soltanto al raggiungimento di una predeterminata
pressione p*.
Vengono rappresentate attraverso il seguente simbolo grafico:
Figura 14. Dettaglio simbolo VLP
In condizioni di regime stazionario è possibile impostare facilmente l’equazione di bilancio
assiale.
Le forze che partecipano all’equilibrio sono le seguenti:
- Forza elastica di contrasto della molla
- Forze di flusso
- Forze dovute alle pressioni che insistono ai capi della valvola
Nella rappresentazione in figura 14 ovviamente la valvola si trova in condizione di “silenzio”,
termine che sta ad indicare il fatto che quest’ultima è chiusa e quindi non scorre portata lungo
il suo ramo. In condizioni di “regolazione”, la freccia in figura 14, si allinea con le porte P-T,
la valvola si apre, scorre portata verso il serbatoio.

20
Richiamando lo schema di riferimento (figura 1) di un circuito oleodinamico generico, visto
all’inizio di questo capitolo, possiamo notare come sia infatti presente la valvola limitatrice di
pressione. Riportando per completezza lo schema, possiamo ora intuirne il funzionamento:
La rotazione del motore elettrico trascina la pompa collegata con un giunto meccanico. Nel
serbatoio dell'olio agisce la pressione atmosferica che spinge il fluido a salire lungo il tubo di
aspirazione e la depressione creata dalla rotazione della pompa riempie i suoi vani e trasferisce
una portata nella zona di mandata. L'olio, per mezzo di una valvola direzionale (distributore)
con commutazione a destra, riempie la camera posteriore del cilindro e il pistone inizia a
muoversi. Poiché allo stelo uscente dal cilindro, possiamo immaginare sia collegata una massa
da spostare, nel tubo di mandata si instaura una pressione di lavoro. La camera opposta del
cilindro è collegata allo scarico attraverso la valvola direzionale e l'olio in essa contenuto ritorna
nel serbatoio. Quando il pistone ha compiuto tutta la sua corsa si ferma contro la testata
anteriore ma la pompa continua a mandare olio con conseguente incremento della pressione.
Poiché il circuito è realizzato a perfetta tenuta, si avrebbe un forte aumento della pressione nella
zona interessata e per non compromettere l'integrità del sistema bisogna sfogare parte di questa
pressione. A questo punto interviene la valvola limitatrice o di massima, che mantiene sotto
controllo la pressione dell'impianto, aprendosi.

21
Trattazione analitica in regime stazionario della VLP a cassetto:
Lo schema raffigurato mostra come sia fatta una VLP a cassetto. Il segnale P di alta pressione
viene riportato alla spola (elemento mobile con geometria a manubrio di diametro D), il
serbatoio è in comunicazione con il cassetto (cavità). All’estremità opposta dell’ambiente in cui
sopraggiunge il segnale di alta pressione, è collegata una molla (caratterizzata da precarico 𝐹
𝑜
e rigidezza 𝑘𝑚) che esplica una forza elastica di verso opposto a quello dello spostamento “s”
e che tende a chiudere la valvola. La presenza del collegamento tratteggiato che va al serbatoio,
è necessario a consentire il drenaggio dell’olio presente nell’ambiente in cui opera la molla
(altrimenti la spola non potrebbe arrivare a battuta a causa dell’incomprimibilità del fluido).
Prendendo come riferimento la direzione “s”, è possibile mettere a sistema le 2 equazioni di
interesse per l’equilibrio assiale delle forze in gioco:
𝑃 ∙ 𝐴 = 𝐹
𝑚 + 𝐹𝑓𝑙
𝑄 = 𝐶𝑑 ∙ 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ 𝑠 ∙ √
2𝑃
𝜌
(1)
(2)

22
Essendo le forze di flusso (𝐹𝑓𝑙 = 𝜌𝑄𝑣𝑐𝑜𝑠𝜗) definite come forze che tendono ad opporsi
all’apertura della valvola ed (𝐹
𝑚 = 𝐹
𝑜 + 𝑘𝑚 ∙ 𝑠 ) la forza elastica scritta per esteso. Per quanto
concerne la seconda equazione, essa è rappresentativa della portata 𝑄 che attraversa lo spigolo
pilotante.
Introducendo il seguente termine:
𝑎 = 𝜋 ∙ 𝐷
Sostituendolo nella (2) e scrivendo per esteso la (1), si ottiene:
𝑃 ∙ 𝐴 = 𝐹
𝑜 + 𝑘𝑚 ∙ 𝑠 + 𝐶𝑑 ∙ 𝑎 ∙ 2𝑃 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜗 ∙ 𝑠
𝑄 = 𝐶𝑑 ∙ 𝑎 ∙ 𝑠 ∙ √
2𝑃
𝜌
A questo punto si introducono i seguenti termini:
𝑃∗
=
𝐹
𝑜
𝐴
𝑄∗
= 𝐶𝑑 ∙ 𝑎 ∙ 𝑠𝑚𝑎𝑥 ∙ √
2𝑃∗
𝜌
𝚷 =
𝑃
𝑃∗
𝝂 =
𝑄
𝑄∗
A partire dalla relazione (d), sostituendo la (2’) al numeratore e la (b) al denominatore e
ricordando la (c), si ottiene:
𝝂 =
𝑠
𝑠𝑚𝑎𝑥
∙ √𝚷
(1’)
(2’)
(b)
(a)
(c)
(d)
(e)

23
L’ultimo termine ricavato rappresenta il valore della portata adimensionalizzata dello spigolo
pilotante in funzione del rapporto tra lo spostamento s e il valore del massimo spostamento
possibile (quello che corrisponde all’apertura dell’intero cassetto) moltiplicato per la pressione
di alimento adimensionalizzata. Grazie a questa relazione è possibile ricavare il comportamento
della portata adimensionalizzata in funzione della pressione adimensionalizzata nelle seguenti
posizioni:
𝑠 = 0
𝑠 = 𝑠𝑚𝑎𝑥
Queste 2 condizioni consentono di caratterizzare rispettivamente la zona di “silenzio” e
“saturazione” della valvola.
Per poter tracciare il diagramma 𝝂 = 𝑓(𝚷) completo, è necessario ricavare il comportamento
nella zona di “regolazione” e l’unico modo per farlo è quello di ricavare il rapporto
𝑠
𝑠𝑚𝑎𝑥
. Ciò
può essere condotto attraverso dei semplici passaggi:
A partire dalla forza elastica, espressa come 𝐹
𝑚 = 𝐹
𝑜 + 𝑘𝑚 ∙ 𝑠 è possibile esplicitare s.
A questo punto si sostituisce nell’espressione ottenuta, la (1). Si arriva dunque ad una relazione
di questo tipo:
𝑠 =
𝑃 ∙ 𝐴 − 𝐹𝑓𝑙−𝐹
𝑜
𝑘𝑚
Utilizzando l’espressione 𝐹𝑓𝑙 = 𝐶𝑑 ∙ 𝑎 ∙ 2𝑃 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜗 ∙ 𝑠 , e l’equazione (a), è possibile scrivere
la (3) in funzione di 𝑃∗
:
𝑠 =
𝑃∗
∙ 𝐴 ∙ 𝚷 − 𝑃∗
∙ 𝚷 ∙ 𝐶𝑑 ∙ 𝑎 ∙ 2 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜗 ∙ 𝑠 − 𝑃∗
∙ 𝐴
𝑘𝑚
cassetto chiuso
cassetto interamente scoperto
𝝂 = 0
𝝂 = √𝚷
(3)
(4)

24
Moltiplicando e dividendo il termine a destra dell’uguale della (4) appena ricavata, per i termini
(A, 𝑠𝑚𝑎𝑥) e dividendo sempre per (𝑠𝑚𝑎𝑥) sia il membro a sinistra che a destra dell’uguale, si
ottiene:
𝑠
𝑠𝑚𝑎𝑥
=
𝑃∗
∙ 𝐴 ∙ (𝚷 − 𝟏)
𝑘𝑚 ∙ 𝑠𝑚𝑎𝑥
−
𝑃∗
∙ 𝚷 ∙ 𝐶𝑑 ∙ 𝑎 ∙ 2 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜗
𝑘𝑚
∙
𝑠
𝑠𝑚𝑎𝑥
∙
𝐴
𝐴
∙
𝑠𝑚𝑎𝑥
𝑠𝑚𝑎𝑥
Introducendo il coefficiente di non idealità della molla:
𝛼1 =
𝑘𝑚 ∙ 𝑠𝑚𝑎𝑥
𝑃∗ ∙ 𝐴
E il coefficiente di non idealità delle forze di flusso:
𝛼2 =
𝐶𝑑 ∙ 𝑎 ∙ 2 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜗 ∙ 𝑠𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑃
𝑃 ∙ 𝐴
Si ottiene:
𝑠
𝑠𝑚𝑎𝑥
=
(𝚷 − 𝟏)
𝛼1 + 𝚷 ∙ 𝛼2
Infine sfruttando la (e) possiamo scrivere:
𝝂 =
(𝚷 − 𝟏)
𝛼1 + 𝚷 ∙ 𝛼2
∙ √𝚷

25
Grazie all’ultima relazione ricavata è possibile andare a rappresentare il comportamento
ricercato 𝝂 = 𝑓(𝚷) riuscendo a caratterizzare anche la zona in cui la valvola limitatrice di
pressione si trova in fase di regolazione. Nella figura sottostante si può apprezzare come il tratto
in questione, sia a pendenza importante e ciò evidenzia il fatto che in termini di pressione,
l’intervallo di regolazione è piccolo (la pressione varia poco al variare della portata). Questo
porta ad affermare che quando la valvola si trova in questa fase, il sistema opera a pressione
pressoché costante. I GAQF (gruppi di alimentazione a portata fissa) con VLP in regolazione,
vengono ampiamente utilizzati in sistemi oleodinamici e sfruttano proprio questa caratteristica.
Figura 15. Curva caratteristica della valvola limitatrice di pressione
SILENZIO REGOLAZIONE SATURAZIONE

26
Nella trattazione condotta, è stata presa come riferimento una VLP a cassetto, in realtà esistono
anche valvole di questo tipo in cui l’elemento mobile è rappresentato da un otturatore conico.
Il principio di funzionamento è identico a quello visto, cosi come l’equilibrio assiale delle forze
in gioco. Ciò che varia è la sezione pilotante, infatti per diversi valori di spostamento (alzate in
questo caso) dell’elemento mobile, l’efflusso avviene attraverso una corona circolare. A titolo
informativo, vengono riportate due illustrazioni a riguardo:
Figura 16. Dettaglio VLP con otturatore conico
Figura 17. Dettaglio otturatore conico

27
1.8.2 Valvole di controllo della direzione
Le valvole di controllo della direzione o distributori, sono destinate a dirigere il flusso di olio
verso un cilindro o verso un motore idraulico, per realizzare il movimento nella direzione
richiesta, per far partire o fermare l'attuatore, per accelerarlo o rallentarlo. Esse si distinguono
in distributori comandati in modalità logica (commutazione rapida da condizione di “apertura
netta” a condizione di “chiusura netta”) e in distributori a posizionamento continuo, cioè in
grado di modificare con continuità la sezione di passaggio del fluido e quindi a commutazione
che avviene in maniera graduale. Nelle valvole è installato un elemento mobile che può essere
a spola o cursore, a otturatore o a sfera. Nella categoria di distributori a posizionamento
continuo si distinguono inoltre 2 ulteriori tipologie di valvole: proporzionali e servovalvole.
Riassumendo, possiamo ricorrere a uno schema di questo tipo:
Valvole direzionali
Logiche Posizionamento
continuo
Proporzionali Servovalvole
Per quanto concerne la rappresentazione schematica delle valvole di controllo della direzione,
queste vengono indicate con dei simboli già visti in questo capitolo (parte descrittiva del
funzionamento degli attuatori). Tuttavia è importante evidenziare che sia la valvola
proporzionale che la servovalvola, presenteranno una linea continua aggiuntiva sia sopra che
sotto il simbolo canonico, proprio per evidenziare che si tratta di valvole a posizionamento
continuo.

28
Si possono trovare in diversi schemi oleodinamici valvole di questo tipo, ciò che le accomuna
è la medesima modalità di rappresentazione. In genere sono a 2 o 3 “posizioni” e ad “attacchi”
variabili in numero. La posizione a riposo può essere NC (normalmente chiusa) e quindi non
scorre fluido, oppure NA (normalmente aperta) e dunque di default consente il passaggio al
fluido. Le commutazioni possono essere indotte da comandi di diversa natura, come accennato
nel paragrafo introduttivo relativo alla classificazione delle valvole, ma in genere spiccano
quelle a comando elettrico tramite solenoide.
Risulta comunque costruttivo un confronto tra valvole proporzionali e servovalvole:
Valvole proporzionali
• Non lineari
• Meno sensibili alla contaminazione
• Controllate in anello aperto
• Più economiche
• Azionamenti magnetici controllati in forza
e posizione
Servovalvole
• Lineari
• Filtrate circa a 3 μm assoluti
• Controllate in anello chiuso
• Costose
• Piccoli spostamenti
• Azionamenti torque-Motor e
Jet pipe

29
In merito all’utilizzo di comando di natura elettrica, questo risulta particolarmente adatto al
contesto oleodinamico ed estremamente pratico. Gran parte delle applicazioni prevede impiego
di elettrovalvole, il cui funzionamento è oltretutto semplice:
l’azionamento di un’elettrovalvola è dato dalla forza elettromagnetica che sviluppano i
solenoidi, che spostando la spola nella posizione desiderata, aprono le luci interessate per la
corretta sequenza del circuito oleodinamico. Nell’ambito delle valvole proporzionali, vista la
necessità di controllare con continuità la sezione di passaggio offerta al fluido, si ricorre ai
“solenoidi proporzionali” nei quali si genera una forza proporzionale alla corrente che attraversa
la sua bobina ed è questa forza che sposta il cursore nel corpo della valvola (Il cursore si sposta
finché la reazione della molla non eguaglia la forza esercitata dal solenoide). Quindi variando
la corrente che percorre il solenoide si potrà spostare in misura più o meno maggiore il cursore
nel corpo della valvola. I solenoidi proporzionali possono essere usati nei casi in cui sia richiesto
uno spostamento relativamente ampio del cursore (fino a 5 mm) ma operano in un solo verso
del moto, cioè se il cursore deve potersi spostare da entrambe le parti rispetto alla posizione
centrale, bisognerà utilizzare due solenoidi, uno per lato.
Figura 18. Dettaglio solenoide proporzionale

30
1.8.3 Valvole di controllo della portata
Rappresentano l’ultima categoria di valvole che verranno brevemente descritte.
Fondamentalmente vengono utilizzate nel momento in cui si vuole mantenere costante la
velocità di un attuatore (indipendentemente dal carico con cui devono operare e quindi dalla
pressione che questo impone nel circuito oleodinamico) e questo effetto si ottiene proprio
mantenendo costante la portata che lo alimenta.
In questo contesto si utilizzano le RQ2 (valvole regolatrici di portata a 2 bocche), il cui
funzionamento può essere spiegato nella maniera seguente:
Figura 19. Funzionamento RQ2
Immaginando di alimentare con una pressione 𝑃1 di mandata lo schema e supponendo che il
carico applicato al circuito determini il valore della pressione 𝑃3 in figura, è possibile ricostruire
ciò che avviene all’interno della valvola:
Il fluido di pressione 𝑃1 insiste oleodinamicamente sia sullo spillo che sull’ambiente in cui
scorre la spola. La pressione 𝑃2 è quella che si instaura nell’ambiente all’interno del quale si
muove lo spillo e che risulta in comunicazione con il corpo valvola lato molla. La portata
uscente attraverso la fenditura 𝑆3 si mantiene costante indipendentemente dalle variazioni del
carico applicato sull’attuatore.

31
Il motivo per cui ciò avviene è sostanzialmente attribuibile alla presenza della fenditura 𝑆3 e
della strozzatura 𝐴𝑠 le quali giocano un ruolo fondamentale.
Se ci immedesimiamo in una particella fluida e ripercorriamo la sua traiettoria come in figura
19, possiamo notare come questa passi dall’ambiente ad alta pressione 𝑃1, all’ambiente a
pressione 𝑃2 < 𝑃1 attraverso la strozzatura 𝐴𝑠 definita da un certo arretramento dello spillo (il
quale avviene a causa del gioco di pressioni). Se a questo punto osserviamo ciò che avviene
nello spazio di scorrimento della spola, possiamo individuarne la posizione che essa assume nel
momento in cui, esaurito il transitorio, si raggiunge la condizione di equilibrio.
Impostando il bilancio assiale delle forze in gioco, abbiamo:
𝑃1 ∙ 𝐴 = 𝑃2 ∙ 𝐴 + 𝐹𝑚𝑜𝑙𝑙𝑎
Dalla quale possiamo scrivere:
𝑃1 − 𝑃2 =
𝐹𝑚𝑜𝑙𝑙𝑎
𝐴
E quindi, scelta la rigidezza della molla, possiamo concludere che:
∆𝑃 = 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
Se 𝐴𝑠 rimane invariata, ecco che abbiamo:
𝑄 = 𝐶𝑑 ∙ 𝐴𝑠 ∙ √
2∆𝑃
𝜌
= 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
A questo punto andiamo ad analizzare cosa accade se:
1) Aumenta 𝑃1
2) Diminuisce 𝑃1
3) Varia 𝑃3

32
Caso 1
Aumenterà la forza 𝐹1 = 𝑃1 ∙ 𝐴1 a sinistra della spola, la quale si sposterà verso destra riducendo
la fenditura 𝑆3. Al diminuire di 𝑆3,aumenterà la differenza di pressione 𝑃2 − 𝑃3, ma essendo 𝑃3
invariato e imposto dal carico, dovrà necessariamente aumentare 𝑃2 e dunque 𝐹2. Si ristabilirà
dopo il transitorio la medesima condizione nel bilancio assiale:
∆𝑃 = 𝑃1 − 𝑃2 =
𝐴
La nuova posizione di equilibrio della spola, vedrà una fenditura 𝑆3 più stretta rispetto a prima,
ma risulterà maggiore il termine 𝑃2 − 𝑃3, motivo per cui la portata 𝑄 = 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
Caso 2
La molla spinge la spola ad aprire la fenditura 𝑆3. All’aumentare di 𝑆3 diminuisce il salto di
pressione 𝑃2 − 𝑃3 e quindi diminuisce soltanto 𝑃2 , perciò estinto il transitorio si ottiene sempre:
∆𝑃 = 𝑃1 − 𝑃2 =
𝐴
La nuova posizione di equilibrio raggiunta dalla spola, vedrà una fenditura 𝑆3 più ampia rispetto
alla condizione precedente, ma risulterà minore la differenza di pressione 𝑃2 − 𝑃3, motivo per
cui la portata 𝑄 resterà anche in questa situazione, costante.
Caso 3
Si ipotizzi di avere in uscita una diminuzione della pressione 𝑃3 per effetto della variazione di
carico. Diminuirà momentaneamente anche 𝑃2 e la spola, spinta da 𝑃1, si sposterà verso destra
diminuendo la fenditura 𝑆3. Al diminuire di 𝑆3, aumenterà il salto di pressione 𝑃2 − 𝑃3 e
crescerà nuovamente il valore di 𝑃2 fino al ristabilimento della condizione di equilibrio assiale:
∆𝑃 = 𝑃1 − 𝑃2 =
𝐴
Analogamente nell’attuale posizione di equilibrio raggiunta dalla spola, si avrà una fenditura
𝑆3 minore, ma un aumento del termine 𝑃2 − 𝑃3, garantendo nuovamente una portata 𝑄 costante.
L’inverso avviene se 𝑃3 aumenta.

33
È possibile ottenere il medesimo effetto di mantenimento della portata ad un valore costante e
indipendente dalle vicissitudini del carico, ricorrendo ad uno schema come quello nella figura
sottostante. Il principio di ragionamento è esattamente lo stesso di quello precedente, cambia la
schematizzazione oleodinamica ma il comportamento è identico.
Figura 20. Dettaglio configurazione RQ2

34
Qualora il controllo in portata, fosse finalizzato ad una modifica/variazione di questa, allora si
ricorrerebbe a soluzioni che sostanzialmente operano una strozzatura/riduzione della sezione di
passaggio offerta al fluido. A tal fine si possono utilizzare sia le valvole direzionali
proporzionali precedentemente esaminate che un semplice riduttore di portata, oppure, un
regolatore di portata con valvola unidirezionale.
Figura 21. Riduttore di portata
Figura 22. Regolatore di portata con valvola unidirezionale
Tra il condotto di ingresso P e quello di uscita
T vi è una strozzatura regolabile da un
otturatore conico che può avvicinarsi o
allontanarsi dalla sede, manovrando la vite.
È costituito essenzialmente dal parallelo tra il
riduttore di portata regolabile e la valvola
unidirezionale. Quando il fluido scorre da P verso
T, la pressione del liquido e la tensione della molla
spingono la valvola conica C nella sua sede,
ostruendo il passaggio verso T. In tali condizioni il
fluido è costretto a passare attraverso la strozzatura
regolabile S. Quando il liquido scorre nel senso che
va da T verso P, la pressione del fluido spinge la
valvola conica ad allontanarsi dalla sua sede
vincendo la tensione della molla. In tal modo il
liquido fluisce liberamente da T verso P, senza la
costrizione del passaggio attraverso la strozzatura.
Con il riduttore di portata unidirezionale si può
così ottenere una limitazione e regolazione della
portata in un senso del flusso del liquido. Nel senso
opposto si ha la libera circolazione con la massima
portata consentita dal circuito, senza il passaggio
attraverso la strozzatura

35
Capitolo II
Valvola prototipale Hydronit-cspc15

36
2.1 Introduzione
Nel seguente capitolo verrà mostrata l’architettura della valvola prototipale oggetto di studio.
La breve introduzione dei sistemi oleodinamici è stata volutamente condotta in precedenza, per
facilitare la comprensione della modalità di funzionamento della valvola in questione. Come
anticipatamente esposto durante la classificazione delle valvole, la regolazione della portata in
un sistema oleodinamico, può essere effettuata tramite l’impiego di valvole proporzionali con
l’obiettivo di poter controllare, per esempio, la velocità di un attuatore con linearità, agendo
sulla corrente di alimentazione del solenoide (il quale restituirà una forza in grado di aprire
progressivamente la valvola e consentire il passaggio del fluido). Nel caso in questione il
comportamento della valvola in termini di portata risulta particolare, e la linearità non sussiste
nell’intero campo di funzionamento. Ciò è dovuto alla geometria singolare che la caratterizza
e al fatto che le sezioni di passaggio offerte al fluido, si modificano in base allo spostamento di
elementi costituenti l’intera struttura.

37
2.2 Struttura
Il modello Hydronit-CSPC15 oggetto di studio, è costituito da un corpo valvola al cui interno
sono presenti 3 elementi contraddistinti da geometrie diverse e tra i quali è possibile la nascita
di moto relativo durante il funzionamento. La valvola è caratterizzata dal fatto che permane
nello stato di chiusura (NC) fintanto che il solenoide non è alimentato, invece opera una
regolazione di portata nel momento in cui il solenoide viene eccitato. L’apertura è dovuta
all’interazione tra i due stadi che costituiscono la valvola:
1) Stadio pilota
2) Stadio principale
Stadio pilota
Viene denominato in questo modo poiché è rappresentativo di quella parte della valvola che è
“pilotante” e che determina e influenza lo stadio principale. Lo stadio pilota subisce
direttamente il comando elettrico (tramite solenoide) ed è costituito da un cilindro metallico
alle cui estremità sono rispettivamente collegate:
• Molla di contrasto con rigidezza definita
• Ancoraggio per il poppet
• Poppet
Stadio principale
È costituito da un corpo esterno (dal quale entra il fluido in pressione derivante dall’ambiente
di mandata) che alloggia al suo interno un secondo corpo (otturatore conico principale) in grado
di muoversi e dunque di manifestare moto relativo assiale rispetto al corpo esterno che lo
contiene. Questo secondo corpo appena descritto, presenta alla base dei cassetti (oltre i quali
insiste la pressione del serbatoio), mentre nella parte superiore può comunicare attraverso un
piccolo foro con una camera intermedia in cui scorre assialmente il poppet appartenente allo
stadio pilota. In condizioni di mancata eccitazione del solenoide (stato NC a riposo della
valvola) il poppet serra il foro di comunicazione tra la camera intermedia e il secondo corpo
appena descritto. Le condizioni di regolazione verranno approfondite dopo aver introdotto le
geometrie e le immagini a contorno, per una miglior comprensione.

38
Nell’approccio all’analisi del funzionamento della valvola in condizioni di regolazione, è stato
necessario ricorrere ad una vista in sezione tramite CAD, per poter mettere più a fuoco le
variazioni delle sezioni di passaggio offerte al fluido, quando gli elementi di interesse subivano
spostamenti. Il CAD con i 3 elementi principali in sezione è stato realizzato sovrapponendo i
fogli CAD relativi agli elementi dello stadio principale e dello stadio pilota forniti dal
costruttore. Nella figura sottostante si rappresenta quanto è stato ricostruito:
Figura 23. Sezione corpo valvola
2.3 Geometrie
Per quanto concerne le caratteristiche geometriche di ciascun singolo componente, nelle pagine
a seguire verranno proposti i fogli Cad forniti dal costruttore, in modo tale da garantire al lettore
maggior consapevolezza circa le dimensioni complessive della valvola. La scala di
rappresentazione dei componenti è 3:1 per poppet e corpo esterno, 5:1 per otturatore principale
mentre per quanto concerne le misure, sono espresse in millimetri.

39
Figura 24. Dettaglio costruttivo otturatore principale

40
Figura 25. Dettaglio costruttivo poppet

41
Figura 26. Dettaglio costruttivo corpo esterno

42
2.3 Specifiche tecniche e catalogo
Per quando concerne le informazioni di natura tecnica relative al modello Hydronit-CSPC15, il
costruttore fornisce dettagli inerenti sia la tensione di alimentazione supportata (monta
connettori a 12DC o 24 DC), che caratteristiche più specifiche, quali:
• Pressione massima di lavoro consentita
• Portata massima
• Peso della valvola
• Attacchi
• Diagramma portata-corrente per vari salti di pressione
• Range di temperature del fluido di processo
Anche in questo caso si riporta nella pagina successiva la scheda riassuntiva presente nel
catalogo del costruttore. Per motivi legati ad una migliore visualizzazione del diagramma
portata-corrente (indicativo del legame input-output) e per condurre con maggior dettaglio lo
studio, è stato scelto un salto di pressione di riferimento (17 Bar) e importato il catalogo su
Autocad. Ciò ha garantito la possibilità di poter ripercorrere la curva di interesse a quel valore
di pressione sfruttando un’acquisizione di circa 50 punti e un conseguente andamento di
significativa precisione e più semplice consultazione su Excel. Nello spazio sottostante verrà
quindi riportata tale curva in questione:
Figura 27. Flow rate-current (pressure drop-17 Bar)

43
Figura 28. Proportional flow control valve CSPC15

44
2.4 Funzionamento
Dopo aver introdotto gli elementi costituenti la valvola, per facilitare l’esposizione del
comportamento in regolazione, si farà sempre riferimento allo schema in figura 23 che viene
qui riproposto, inoltre, verranno utilizzate delle immagini 3D realizzate tramite un software
apposito come supporto aggiuntivo.
Valvola Chiusa:
Rappresenta la condizione di riposo della valvola (NC). Il poppet chiude il foro che mette in
comunicazione la camera intermedia con l’ambiente sottostante (su cui insiste la pressione del
serbatoio) grazie al fatto che la molla precaricata dello stadio pilota, esercita una forza in
chiusura verso il basso che non viene contrastata dalla forza di attrazione del solenoide (in
questa fase non si trova in stato di eccitazione) ed essendo presente sia nell’ambiente della
camera intermedia che in quello di mandata, lo stesso valore di pressione (garantito dalla
presenza del piccolo foro di comunicazione realizzato dal progettista nella struttura del corpo
otturatore principale in figura) per l’equilibrio assiale delle forze, non si scoprono sezioni di
passaggio al fluido e quindi non si ottiene una portata in uscita. Sia il corpo dell’otturatore
principale che il poppet non presentano dunque alcun tipo di moto relativo rispetto al corpo
esterno.

45
Valvola aperta (in regolazione):
In questa condizione ci troviamo in regolazione e abbiamo una portata in uscita (diretta verso
il serbatoio), dovuta al moto relativo (dell’otturatore principale e del poppet rispetto al corpo
esterno), il quale, in seguito al transitorio, si estingue a causa del raggiungimento dell’equilibrio
assiale delle forze per uno specifico assetto a cui corrisponde un’alzata dell’otturatore
principale. Questa situazione scaturisce a causa dell’introduzione nel sistema della forza di
richiamo verso l’alto, dovuta all’eccitazione del solenoide, e proporzionale alla corrente di
alimentazione. Questa forza è in grado di vincere l’azione elastica in chiusura della molla e
determina l’arretramento del poppet, cui corrisponde una diminuzione di pressione nella camera
intermedia e un successivo squilibrio di pressione che fa sì che il corpo rosso tenda ad inseguire
il poppet nel suo arretramento, fino a stabilizzarsi ad una certa quota in cui il sistema trova
l’equilibrio. In buona sostanza troviamo linearità nella portata in uscita all’aumentare della
corrente con cui eccitiamo il solenoide, tuttavia, ciò sussiste fintanto che l’alzata non supera il
valore di 0.6 mm (misura che corrisponde all’altezza dei cassetti in figura), dopodiché la sezione
di passaggio offerta al fluido non sarà più caratterizzata dall’efflusso attraverso i soli cassetti,
ma a questo punto verrà aggiunto l’efflusso dovuto alla corona circolare che viene scoperta.
Questa modifica della sezione di passaggio per valori > 0.6 mm giustifica il cambiamento di
pendenza della caratteristica portata-corrente presente nel catalogo di figura 28 e in figura 27.

46
In merito a quanto affermato, sono state realizzate delle immagini tridimensionali addizionali
che evidenziano le sezioni di passaggio e che rendono più esaustivo il fenomeno di efflusso
nella sua rappresentazione.
Figura 29. Scopertura parziale cassetti (alzata=0.2 mm)
Figura 30. Corona circolare esposta (alzata=0.7 mm)

47
A conferma ulteriore dell’incremento di sezione di passaggio offerta al fluido, si fornisce il
diagramma A(x) = f (x) ricavato a partire dalla relazione
𝑄 = 𝐶𝑑 ∙ 𝐴𝑔 ∙ √
2(𝑃
𝑚 − 𝑃
𝑣)
𝜌
Figura 31. Diagramma sezione-alzata otturatore principale

48
2.5 Obiettivo
Dopo aver descritto il funzionamento della valvola in questione, sarà necessario andare a
replicare in maniere fedele il suo comportamento (Q-I), tramite l’utilizzo di un’ambiente di
simulazione che rispetti le geometrie precedentemente fornite. A tal fine verrà introdotto nel
capitolo successivo il software utilizzato, elencando in maniera sintetica la sua struttura, la
modalità di compilazione, le funzionalità e le diverse librerie che sono state utilizzate per
realizzare lo schema della Hydronit-CSPC15. Per quanto concerne la pressione di
alimentazione, la valvola è in grado di operare ai diversi valori:
• 17 Bar
• 35 Bar
• 104 Bar
• 207 Bar
Per semplicità è stata scelta una pressione di riferimento di alimentazione pari a 17 Bar ed è
stata condotta la simulazione nel programma attraverso una tensione di alimentazione pari a
12V. Il sistema per come è stato realizzato consente di modificare sia il valore di pressione che
la tensione di alimentazione (qualora necessario) ed è quindi adattabile agli altri valori di
pressione con cui può funzionare realmente la valvola. Maggiori dettagli strutturali del
programma verranno forniti nel capitolo IV dedicato.

49
Capitolo III
Ambiente di simulazione

50
3.1 Software Simcenter Amesim
Simcenter Amesim è un software utilizzato in ambito industriale per la modellazione e l’analisi
di sistemi multi-dominio. I modelli vengono descritti tramite delle equazioni analitiche, non
lineari, dipendenti dal tempo. Le suddette equazioni consentono la risoluzione di progetti
complessi, in cui interagiscono simultaneamente elementi di diverso tipo (meccanico, idraulico,
pneumatico, termico, elettrico…) e che costituiscono nell'insieme il sistema oggetto di studio.
Per mezzo di questo approccio è possibile ottenere una simulazione dell'andamento dei sistemi
prima di avere a disposizione una geometria CAD dettagliata. Al fine di realizzare un modello
di simulazione per un sistema, si utilizzano molteplici librerie che afferiscono ai diversi domini
fisici che sono presenti nel software. Tutte gli elementi che vengono utilizzati, presentano una
o più porte, che garantiscono la messa in comunicazione tra i diversi organi del sistema. Il
meccanismo di causalità è rispettato collegando gli output di un elemento, con gli input di quello
precedente, e viceversa. In questa maniera si realizza il modello desiderato.
Per condurre una simulazione relativa ad un generico progetto, è necessario effettuare una
compilazione di 4 diverse schermate, con un ordine ben definito:
1) Sketch Mode
2) Submodel Mode
3) Parameter Mode
4) Simulation Mode
Per quanto concerne le librerie fornite dal Software, in base all’esperienza condotta durante il
percorso di tesi, verranno esclusivamente mostrate quelle effettivamente utilizzate:
• Signal, Control
• Mechanical
• Electro Mechanical
• Hydraulic
• Hydraulic component design
• Electrical Basics
Interfacce e strumenti grafici verranno approfonditi in modo da rendere più familiare l’ambiente
di lavoro utilizzato.

51
3.2 Sketch Mode
questa interfaccia è rappresentativa del primo ambiente di lavoro su cui bisogna iniziare a
costruire il progetto. Può essere immaginato come un foglio bianco sul quale verrà disegnato
l’intero sistema, utilizzando i componenti necessari che ciascuna libreria mette a disposizione.
Nella figura sottostante, viene mostrato come si presenta la schermata all’avvio di Amesim:
Figura 32. Dettaglio sketch mode
Per poter rappresentare un componente di interesse, sarà necessario selezionarlo dalla libreria
con il mouse, dopodiché spostando il puntatore, comparirà la sagoma dell’elemento selezionato
e potrà essere posizionato a piacere nel foglio di lavoro (come nella figura sottostante).
Figura 33. Dettaglio inserimento elemento nella sketch mode

52
Nel momento in cui si desideri accoppiare due o più elementi, appartenenti a librerie diverse o
alle stesse librerie, è necessario tener conto del fatto che debbano essere sempre rispettate le
causalità tra componenti. Questo implica attenzione nell’osservazione delle variabili in Input e
Output che ciascun componente richiede, prima del suo collocamento nella Sketch Mode.
Generalmente per poter visualizzare in maniera rapida i valori in Input e Output attribuiti al
singolo componente di una libreria, si ricorre all’istruzione “Open submodel” seguita da
“External Variables”, applicabile cliccando con il tasto destro del mouse nel generico
componente di interesse, come nella figura sottostante:
Figura 34. Dettaglio external variables
In ciascuna porta vengono indicate tramite frecce verdi e rosse, rispettivamente le variabili
in Output e Input.

53
3.3 Submodel Mode
Una volta effettuati tutti i collegamenti tra i vari organi del sistema che si sta studiando, è
possibile passare alla fase successiva, la “Submodel Mode”. In questa schermata bisognerà
definire per ciascun componente un sotto-modello, che servirà a specificare al programma come
interpretare l’elemento inserito e quali caratteristiche presenterà nella simulazione. Gli elementi
a cui non sono ancora stati assegnati i sotto-modelli, verranno “illuminati” dal Software. Nel
momento in cui si attribuirà il corrispondente sotto-modello, perderanno la retroilluminazione,
aiutando l’utilizzatore del programma nella compilazione. A titolo di esempio viene riportata
una semplice applicazione di quanto detto, nella figura sottostante:
Figura 35. Dettaglio selezione submodel
Come si evince dall’immagine, è stato selezionato il sotto-modello relativo al serbatoio, come
sorgente di pressione costante (tipicamente 0-1 Bar).

54
3.4 Parameter Mode
Dopo aver assegnato tutti i sotto-modelli durante la precedente fase, si richiede nella “Parameter
Mode” l’attribuzione dei parametri che andranno a definire in maniera dettagliata ciascun
componente costituente il progetto. Per poter caratterizzare ogni elemento, sarà necessario
condurre in questa specifica sezione, la modifica dei parametri (geometrie e variabili).
Ovviamente il Software assegna dei valori di default, che possono essere cambiati in base alle
proprie esigenze di simulazione. Anche in questo caso è possibile apprezzare quanto descritto,
tramite le immagini che seguono:
Figura 36. Dettaglio finestra parametri (a)
Selezionando la voce “Change parameters” viene aperta la schermata di modifica specifica del
componente scelto (in questo caso la pompa volumetrica) su cui si può agire andando a
cambiare i valori da tastiera:

55
Figura 37. Dettaglio finestra parametri (b)
Osservando l’immagine sopra riportata si intuisce come l’intervento di modifica sia dipendente
dalla natura del componente. In questo caso si può intervenire sulla cilindrata della pompa
volumetrica e sulla velocità (rpm), tenendo conto del fatto che viene generalmente alimentata
da un motore elettrico sul quale si può analogamente intervenire per rendere l’accoppiamento
meccanico-idraulico (motore elettrico-pompa), corretto.

56
Come precedentemente menzionato, esisteranno componenti che necessiteranno di settaggi
parametrici più dettagliati. Questo è dovuto al fatto che, per simulare e ottenere nel software
dei risultati attendibili e paragonabili a ciò che effettivamente accade nella realtà, si complicano
analiticamente le espressioni con le quali opera il programma. Immediata conseguenza è
l’aumento dei valori modificabili a favore di una maggiore customizzazione del componente
stesso, in base al proprio specifico ambito progettuale di esercizio. A titolo di esempio si vuole
evidenziare nell’immagine sottostante, come si presenta la finestra “Change Parameters” di uno
strozzatore a sezione variabile (decisamente più articolata rispetto alla precedente):
Figura 38. Parametri strozzatore a sezione variabile
Si può agire intervenendo sul numero di orifizi posti in parallelo, metodo mediante il quale
definire la caduta di pressione all’interno del componente, coefficiente di efflusso, numero di
Reynolds e la geometria: tipo di sezione e diametro.

57
3.5 Simulation Mode
L’ultimo step della procedura, prevede la fase di esecuzione vera e propria del programma.
Denominata appositamente “Simulation Mode” ed eseguibile tramite il tasto “Simulation”.
Dopo aver lanciato il programma, apparirà la finestra di resoconto della simulazione e nel caso
in cui si presentino incongruenze o suggerimenti, saranno consultabili tramite la sezione
“warnings”. In concomitanza di errori importanti, la simulazione si arresta e non viene
completata.
Figura 39. Simulazione (a)
Figura 40. Simulazione (b) con warning

58
3.6 Librerie
In Simcenter Amesim, esistono molteplici librerie che possono essere aggiunte al programma
base. Durante l’esperienza accademica condotta in facoltà, come anticipato nella parte
introduttiva, sono state utilizzate le seguenti librerie:
1. Signal, Control
2. Mechanical
3. Electro Mechanical
4. Hydraulic
5. Hydraulic component design
6. Electrical Basics
Per ciascuna di queste librerie adottate, verranno analizzati gli elementi caratteristici utilizzati
per emulare i componenti reali della valvola prototipale oggetto di studio. Ovviamente nella
corrispondente interfaccia relativa ai parametri di ciascun singolo componente, verranno
utilizzati valori geometrici esatti della valvola prototipale, in modo da ripercorrere fedelmente
l’architettura della stessa e replicarla nel programma, nel rispetto della fisica di quest’ultima.

59
3.6.1 Signal, Control
La libreria “Signal, Control” viene ad essere utilizzata frequentemente nel programma, poiché
garantisce la possibilità di ricorrere all’utilizzo di segnali di diversa tipologia. Quelli
tipicamente utilizzati sono costituiti da: segnali a gradino, segnali a rampa, segnali square,
segnali variabili (personalizzabili), segnali costanti, segnali casuali. Si utilizzano soprattutto
quelli personalizzabili in ambito oleodinamico, poiché consentono di pilotare nel tempo la
modalità di apertura o chiusura di una valvola (come nel caso di uno strozzatore a sezione
variabile). In generale gli elementi appartenenti a questa libreria sono caratterizzati dall’avere
una colorazione rossa, inoltre sono disponibili anche elementi che consentono di effettuare
confronti tra grandezze, operatori logici, guadagni, integratori, derivatori etc...
Figura 41. Libreria dei segnali

60
3.6.2 Mechanical
La libreria “Mechanical” presenta elementi di colorazione verde e risulta essere tra le librerie
più frequentemente utilizzate, poiché racchiude molteplici elementi di natura meccanica
imprescindibili per la trasmissione del moto, ma non si limita soltanto a questi. Garantisce tra
le tante possibilità, di inserire nello schema:
• Molle di molteplici tipologie
• Motori elettrici
• Sensori di coppia e forza
• Sensori di spostamento e velocità
• Carichi
• Masse, masse con frizione
Figura 42. Libreria meccanica

61
3.6.3 Electro Mechanical
La libreria “Electro Mechanical” presenta elementi di colorazione viola, e include tipicamente:
• Trasduttori lineari
• Trasduttori di flusso magnetico
• Sensori di flusso magnetico
• Bobine a resistenza variabile
• Nodi magnetici
• Controlli elettrici
Figura 43. Libreria elettromeccanica

62
3.6.4 Hydraulic
La libreria “Hydraulic” insieme a quella meccanica, costituisce la libreria di riferimento per
qualsiasi rappresentazione di corpi che processano fluidi incomprimibili. La colorazione per gli
elementi appartenenti a questa libreria è il blu. Racchiude molti elementi imprescindibili, come:
• Fluido e proprietà
• Sorgenti di pressione, portata
• Nodi (doppi, tripli, quadrupli)
• VLP (valvole limitatrici di pressione)
• Pompe di diversa tipologia
• Motori idraulici
• Orifizi di diverse tipologie
• Attuatori
• Valvole di varie tipologie
• Sensori di portata, pressione, volume
Figura 44. Libreria idraulica

63
3.6.5 Hydraulic Component Design
La libreria “Hydraulic Component Design” insieme a quella idraulica, costituisce la libreria di
riferimento per la realizzazione di elementi che opportunamente collegati tra di loro,
consentono di replicare le varie parti di una valvola o di un generico corpo che processa fluido
incomprimibile. La colorazione per gli elementi appartenenti a questa libreria è il rosso
bordeaux. Consente di rappresentare schematicamente parti fondamentali quali:
• Pistoni (con e senza molle)
• Spole con orifizi anulari
• Spole con orifizi a cassetto
• Otturatori
• Diaframmi
• Orifizi idraulici
• Trafilamenti
• Frizioni viscose
Figura 45. Libreria Hydraulic Component design

64
3.6.6 Electrical Basics
La libreria “Electrical Basics” consente di utilizzare una serie di elementi di natura elettrica e
di poter rappresentare mediante questi, circuiti di vario tipo. Nello studio condotto, questa
libreria è stata utilizzata per poter caratterizzare una parte specifica dello Sketch, in base alle
esigenze di simulazione. Il colore caratteristico di questa libreria è il viola e gli elementi
utilizzabili sono:
• Generatore di tensione
• Generatore di corrente
• Potenziale zero
• Nodi
• Voltmetro
• Amperometro
• Wattmetro
• Resistenze (costanti e variabili)
• Trasformatore ideale
• Diodi
Figura 46. Libreria Electrical basic

65
3.7 Funzionalità
Simcenter Amesim non si limita esclusivamente a garantire la possibilità di rappresentare un
generico progetto e a condurne una simulazione con ottimi risultati. Le sue potenzialità si
evincono anche dalle altre funzionalità che offre e che rendono complessivamente il Software,
davvero completo. Il programma consente di visualizzare più nello specifico le equazioni che
utilizza quando procede al calcolo delle grandezze incognite. In Amesim, è possibile consultare
i modelli analitico-matematici e le leggi fisiche che il programma applica nei singoli
componenti, tramite una sezione appositamente realizzata per facilitare la comprensione di ciò
che sta avvenendo in ogni singolo elemento, quando si lancia la simulazione. Durante il
percorso di tesi, ho avuto modo di acquisire dimestichezza nell’utilizzo del programma e tra le
diverse funzionalità che ho maggiormente apprezzato, sicuramente spiccano le seguenti:
1. Possibilità di graficare le grandezze di interesse attraverso la funzionalità “PLOT”
2. Diagrammare grandezze in funzione di altre, nella sezione “PLOT”
3. Impiego del Cursore nell’interfaccia “PLOT”
4. Selezione unità di misura

66
Per evidenziare le funzionalità appena descritte in maniera più esaustiva e visiva, cercando allo
stesso tempo di sintetizzare il concetto, presento per completezza alcune immagini a riguardo.
Figura 47. Utilizzo interfaccia “Plot”
Figura 48. Rappresentazione grafica di una grandezza in funzione di un’altra

67
Figura 49. Utilizzo cursore nell’interfaccia “Plot”
Figura 50. Selezione unità di misura

68
Capitolo IV
Modellazione Hydronit-cspc15 in Amesim

69
4.1 Introduzione
In questo capitolo verrà riportato lo schema rappresentativo della valvola prototipale oggetto di
studio, costruito tramite l’impiego di diversi elementi appartenenti alla libreria del software e
dei quali ne è stata motivata la scelta e la funzione svolta. In termini di grandezze di
alimentazione adottate per il funzionamento della valvola, come anticipato nel capitolo II, è
stata scelta la pressione di riferimento pari a 17 Bar e la tensione di alimentazione pari a 12V
(ciò non preclude la possibilità di modificare questi parametri direttamente dal programma ed
estendere dunque la trattazione ai valori di pressione e alimentazioni compatibili con le
specifiche tecniche della valvola). Verranno forniti gli andamenti simulati delle grandezze di
interesse e proposti confronti diretti con quelli da catalogo, in modo tale da evidenziare
l’affidabilità del modello realizzato. Nella spiegazione relativa agli elementi utilizzati, si
richiamerà talvolta alla figura 23 o alle geometrie riportate nel capitolo II per completezza
espositiva. Nella parte conclusiva, verrà proposta una possibile miglioria costruttiva applicabile
mantenendo la proporzionalità Q-I.

70
4.2 Valvola Hydronit-cspc15 in Amesim
Nella figura sottostante si mostra lo schema dell’intero corpo valvola realizzato nell’ambiente
di simulazione. A seguire verranno analizzati nel dettaglio i componenti utilizzati, mostrando
per ciascuno di essi le geometrie inserite, le variabili che ogni singolo elemento processa, le
causalità tra elementi e le espressioni adottate dal software per condurre il calcolo delle
grandezze incognite. Per rendere più intuitiva la rappresentazione, verranno descritti prima gli
elementi dello schema appartenenti allo stadio pilota e successivamente quelli relativi allo
stadio principale.
Figura 51. Schema completo della valvola

71
4.3 Stadio pilota in Amesim
Lo stadio pilota subisce direttamente il comando elettrico (tramite solenoide) ed è costituito da
un cilindro metallico alle cui estremità sono rispettivamente collegate:
• Molla di contrasto con rigidezza definita
• Ancoraggio per il poppet
• Poppet
Per poter tradurre nell’ambiente di simulazione questi corpi, sono stati utilizzati elementi della
libreria “Hydraulic component design”, per le masse in gioco ed il solenoide è stata utilizzata
la libreria meccanica, per la parte circuitale la libreria elettrica ed infine, per connessioni
idrauliche e orifizio di comunicazione tra ambiente di mandata e camera intermedia, quella
idraulica. Facendo riferimento allo schema completo della pagina precedente, lo stadio pilota
interesserà soltanto questa specifica parte:
Stadio Pilota

72
4.3.1 Molla di contrasto e ancoraggio
Il seguente corpo è stato realizzato sfruttando il componente BAPREV1, indicato nello schema
dal seguente simbolo:
Figura 52. Dettaglio external variables BAPREV1
Per come è definito nel programma, può essere utilizzato per costruire parti delle valvole,
sistemi frenanti, componenti dei cambi automatici. Nel caso in esame, simula il funzionamento
della parte superiore dello stadio pilota (cilindro metallico di ancoraggio con molla di contrasto)
infatti si può immaginare il suo comportamento come quello di un pistone che scorre all’interno
di una camera e che presenta una molla ad una sua estremità con precarico applicabile. A livello
di causalità questo elemento richiede in input 2 forze lungo la direzione di traslazione del
pistone (restituendo spostamento e velocità in output), mentre richiede un’informazione in
portata nella porta laterale (restituendo pressione in output). Per quanto concerne
l’assegnazione dei parametri è possibile agire sia sulla geometria che sulla molla:
Figura 53. Parametri assegnati all'elemento BAPREV1

73
Come si può apprezzare dalla figura 53, sono stati assegnati i seguenti valori geometrici:
• Diametro pistone (dp) = 3,7 mm
• Diametro stelo (dr) = 0 mm
Mentre per quanto concerne la molla:
• Precarico (𝑓0) = 0,8 N
• Rigidezza molla (k) = 5,38126 N/mm
In accordo con i valori forniti, il programma utilizza questo sistema di riferimento:
E procede al calcolo delle grandezze, tramite le relazioni:
𝑎𝑟𝑒𝑎 =
𝜋
4
(𝑑𝑝2
− 𝑑𝑟2)
𝑃1 =
𝑓3 − 𝑓2 − 𝑓𝑠𝑝𝑟
𝑎𝑟𝑒𝑎
𝑓
𝑠𝑝𝑟 = 𝑘(−𝑥3 + 𝑥𝑠0) + 𝑓0
𝑣3 =
𝑞1
𝑎𝑟𝑒𝑎
𝑥̇3 = 𝑣3

74
4.3.2 Sorgente di forza nulla
Non costituisce un componente reale, ma viene adottato per trasmettere al programma
l’informazione di forza nulla. Si utilizza nel momento in cui un generico elemento collocato
nello schema non presenta una forza in ingresso in una specifica porta (questa situazione si
verifica ad esempio nei componenti nelle estremità della valvola studiata). Il simbolo adottato
in Amesim è il seguente:
Restituisce in output sempre una forza di valore 0.
4.3.3 Massa
Il programma consente di tener conto del fatto che i corpi in movimento possano essere dotati
di massa. Nella simulazione condotta sono stati utilizzati questi tipi di elementi (MECMAS21)
per tener conto della massa del poppet e dell’otturatore principale, i quali presentano moto
relativo rispetto al corpo esterno della valvola.
Figura 54. Dettaglio external variables MECMAS21

75
Richiedono come input forze ai propri capi e restituiscono in output spostamenti, velocità,
accelerazioni. Per quanto concerne i parametri assegnati alle masse, si riportano i valori:
Figura 55. Parametri masse
Come si può evincere dalla lettura dei parametri, entrambe le masse sono impossibilitate a
spostarsi in maniera indefinita, ciò è dovuto al fatto che fisicamente per costruzione non
possono compiere corse maggiori rispetto a quelle impostate (endstop). Non si è tenuto conto
delle frizioni visto che il moto relativo avviene comunque tra corpi in cui è presente olio e
quindi sono state trascurate azioni di attrito.

76
4.3.4 Molla rigida infinitesimale
Nello schema generale non è rappresentativa di una molla fisicamente presente, è stata utilizzata
in quanto consente di rispettare il principio di causalità delle connessioni senza influenzare il
sistema. In termini di variabili, richiede come input velocità e restituisce forze in output. La sua
denominazione nel software è SPR1.
Figura 56. Infinitely stiff spring SPR1
4.3.5 Sorgente di pressione
Per poter simulare la connessione tra l’ambiente alla pressione di mandata (17 Bar) e il corpo
esterno della valvola, sono stati utilizzati in successione 2 elementi appartenenti rispettivamente
a 2 librerie diverse:
- Libreria idraulica
- Libreria dei segnali
Il simbolo in rosso sta ad indicare un segnale costante e gli è stato assegnato il valore pari a 17,
mentre il simbolo blu rappresenta un elemento che accoglie un generico segnale in input e
restituisce in output il medesimo valore numerico ma con unità di misura di pressione (Bar). In
questo modo è stata realizzata la sorgente di pressione voluta.
Figura 57. Sorgente di pressione

77
4.3.6 Foro di comunicazione
Facendo riferimento ai fogli Cad forniti dal costruttore, la camera intermedia all’interno della
quale scorre il poppet e l’ambiente di mandata, vengono messi in comunicazione tramite un
piccolo foro realizzato sul corpo dell’otturatore principale. Si richiama la figura 23 per
apprezzare il dettaglio della posizione del foro:
Per realizzarlo nello schema di Amesim, è stato utilizzato il componente HYDORF0,
caratterizzato dalle seguenti causalità di connessione:
Figura 58. Foro (strozzatore fisso)
L’unico parametro inserito è stato quello del diametro del foro (0,2 mm). Il massimo valore del
coefficiente di efflusso e il critical flow number (connesso al numero di Reynolds) sono stati
lasciati nell’impostazione di default (0,7 e 1000). Si fornisce per completezza, la scheda
riassuntiva dei parametri con cui opera il programma nella pagina successiva.

78
Figura 59. Parametri foro
4.3.7 Schema elettrico
Dovendo caratterizzare la parte elettrica in modo tale da erogare una corrente al solenoide nel
rispetto dell’amperaggio dichiarato nel catalogo, è stato necessario ricorrere ad un semplice
circuito elettrico sfruttando la libreria corrispondente. Verranno quindi esaminati gli elementi
inseriti in questa parte dello schema:
Figura 60. Parte elettrica

79
4.3.7.1 Generatore di tensione
È realizzato attraverso il componente EBSVS01 e richiede la connessione di 3 porte.
Rispettivamente necessita di un segnale in ingresso dalla porta laterale e 2 segnali (di tensione
e corrente) nelle restanti porte.
Figura 61. Generatore di tensione ideale
L’informazione di input alla porta 3 è stata fornita ricorrendo alla libreria dei segnali ed
utilizzando un componente che permette di customizzare il tipo di segnale. Nella fattispecie è
stato impiegato l’elemento UD00 che ha consentito di generare una rampa di durata 10s e con
“end value” fissato a 12. Questo ha permesso di simulare i 12V di alimentazione.
Figura 62. Rampa
Per quanto riguarda la porta 1 in figura 61, è stata collegata al potenziale di riferimento (terra)
Figura 63. Potenziale terra

80
4.3.7.2 Amperometro
È stato collocato per restituire il valore di corrente letto nel circuito. Tale elemento è indicato
dalla sigla EBCT00 e richiede le seguenti connessioni causali:
Figura 64. Amperometro EBCT00
4.3.7.3 Resistenza
Per chiudere il circuito e poter garantire una corrente che rispecchiasse quella fornita nel
catalogo, è stata utilizzata una resistenza EBR01 il cui valore ottimale è stato fissato a 6,65 Ω
Figura 65. Resistenza EBR01
4.3.7.4 Guadagno
Tra il solenoide e l’amperometro è stato introdotto un piccolo guadagno (GA00). Ciò è dovuto
al fatto che il solenoide utilizzato richiede in ingresso un segnale che viene restituito in uscita
come forza in maniera proporzionale.
Figura 66. Gain GA00

81
4.3.7.5 Solenoide
Indicato in Amesim con il termine FORC garantisce la possibilità di convertire un segnale in
input in ingresso, in un segnale di forza in uscita ed è stato utilizzato proprio per simulare la
forza che in condizioni di eccitazione, viene trasmessa al poppet. Appartiene alla libreria
meccanica ed è così rappresentato:
Figura 67. Solenoide FORC
Attraverso gli elementi appena descritti, si conclude la parte di dettaglio relativa allo schema
elettrico. Si riportano per completezza gli andamenti di forza e corrente ottenuti, attraverso
l’avvio della simulazione:
Figura 68. Diagramma I(t)

82
Figura 69. Diagramma F(t)
4.3.8 Poppet
Caratterizzato da geometria conica, viene realizzato in Amesim attraverso il componente
BRP026 (poppet with sharp edge seat) e si presenta con una struttura dotata di 6 porte:
Figura 70. Poppet BRP026

83
Necessita di forza in input alle porte 3-4, spostamento e velocità alle porte 5-6, pressione alle
porte 1-2. Per quanto concerne i collegamenti di queste porte nello schema della valvola,
dovendo rispettare l’architettura di quest’ultima, le porte 1 e 2 sono state collegate
rispettivamente al nodo rappresentativo della pressione vigente nella camera intermedia e al
serbatoio. La porta 3 è stata collegata al solenoide, in modo tale da poter ricevere l’informazione
della forza di eccitazione proporzionale alla corrente applicata. La porta 4 e la porta 5 ricevono
l’informazione di forza dagli elementi ad esse collegate, cosi come la porta 6 che riceve
spostamento e velocità. Per quanto concerne i parametri geometrici assegnati, sono stati
attribuiti i valori prelevati dai fogli Cad:
Figura 71. Parametri poppet BRP026
La valutazione analitica della sezione di passaggio offerta al fluido è condotta attraverso un
“utility” specifica del programma, denominata “aconsea”, e si basa sul calcolo delle variabili
adottando la seguente convenzione:
Figura 72. Convenzione utility aconsea

84
In cui l’area della sezione di passaggio è calcolata in funzione dell’alzata 𝑥 del poppet, secondo
la seguente espressione:
𝑎𝑟𝑒𝑎 = 𝜋 ∙ 𝑥 ∙ 𝑠𝑒𝑛(𝛼) ∙ [𝑑𝑠 − 𝑥𝑠𝑒𝑛(𝛼) cos(𝛼)]
𝑑𝑎 = 𝑑𝑠 − 2𝑥𝑠𝑒𝑛(𝛼) cos(𝛼)
Parametri geometrici inseriti:
- Nel caso di studio 𝑑𝑟 = 0 per come è costruito il poppet
- 𝛼 è stato ricavato a partire dal Cad: 𝛼 =
180°−2∙54°
2
= 36°
- Diametro del poppet = 3,7 mm
- Diametro del foro = 0,5 mm
Per quanto concerne il calcolo delle forze, vengono utilizzate le seguenti espressioni:
𝑓5 = 𝑓
4 + 𝑓𝑗𝑒𝑡
𝑓6 = 𝑓3 − 𝑓𝑗𝑒𝑡 + 𝑝1 ∙
𝜋
4
∙ (𝑑𝑝𝑜𝑝
2
− 𝑑𝑎
2
) + 𝑝2 ∙
𝜋
4
∙ (𝑑𝑎
2
− 𝑑𝑟
2)
Essendo:
𝑓
𝑗𝑒𝑡 = 𝑘𝑗𝑒𝑡 ∙
1
2
[𝑡𝑎𝑛ℎ (2
𝑥𝑙𝑎𝑝 − 𝑥𝑚𝑖𝑛
𝑥𝑚𝑖𝑛
) + 1]
𝑥𝑙𝑎𝑝 = 𝑥0 − 𝑥6 + 𝑥5
Il coefficiente 𝑘𝑗𝑒𝑡 influenza il termine relativo alle forze di flusso e nei parametri non è stato
utilizzato (posto pari a 0), in virtù del fatto che la portata che attraversa il poppet è di piccola
entità. Con questo elemento si conclude la descrizione dello stadio pilota, nella pagina
successiva si descriverà lo stadio principale.

85
4.4 Stadio principale in Amesim
Come descritto nel capitolo II, lo stadio principale durante la fase di regolazione della portata
in uscita dalla valvola, interagisce con lo stadio pilota. Nella rappresentazione corrispondente
di simulazione, anche in questo caso sono stati utilizzati degli elementi appartenenti alla libreria
“Hydraulic component design” per caratterizzare il corpo dell’otturatore principale.
Quest’ultimo presenta moto relativo rispetto al corpo esterno, ciò si verifica fintanto che non
viene raggiunta la condizione di equilibrio assiale delle forze, a cui corrisponde una determinata
alzata, dettata dall’interazione con lo stadio pilota. Per caratterizzare questo comportamento,
sono stati utilizzati 3 elementi che verranno proposti in successione. Nella figura sottostante si
riporta la corrispondente parte dello schema relativa allo stadio principale:
Stadio Principale

86
Questo primo corpo utilizzato nell’ambiente di simulazione, è responsabile dell’interazione con
lo stadio pilota. A tal fine è stato scelto in accordo con le geometrie Cad, il componente BAP11
che non è altro che adottato per caratterizzare parti di valvole complesse. Sostanzialmente si
comporta come un pistone e presenta le seguenti causalità alle porte:
Figura 73. Componente BAP11
Il segnale che riceve alla porta 1 è proprio quello relativo alla pressione che si stabilisce nella
camera intermedia durante la fase di regolazione della portata per una determinata eccitazione
del solenoide tramite corrente. Nella porta 2 si trasmette l’informazione di velocità e
spostamento, mentre tramite la porta 3 sopraggiunge l’informazione di forza derivante dal fatto
che il corpo dell’otturatore principale è soggetto anche alla pressione di mandata a 17 bar e in
comunicazione con l’ambiente del serbatoio. Per quanto concerne le caratteristiche
geometriche, si riporta analogamente a quanto fatto finora, l’immagine relativa ai parametri
inseriti:
Figura 74. Parametri BAP11

87
Dal momento che l’architettura dell’otturatore principale, prevedeva la presenza di 4 cassetti
alla base, è stato necessario ricercare nelle librerie un componente che ne tenesse conto e quindi
è stato scelto l’elemento BAO0002. Le causalità di quest’ultimo sono cosi definite:
Figura 75. Dettaglio BAO0002
Per quanto riguarda i parametri inseriti in questo componente, sono stati rispettati i valori
geometrici estrapolati dal Cad:
Figura 76. Parametri BAO0002

88
Essendo il componente in grado di imitare il comportamento di una spola, che muovendosi,
scopre le cavità con geometria a cassetto, è stato necessario attribuire un valore numerico al
diametro della spola e che fosse rappresentativo della base dell’otturatore principale, quindi
pari a 6 mm. Oltre ai parametri di natura geometrica dei cassetti, è stata fornita l’informazione
relativa al valore xmax a cui corrisponde la massima superficie di passaggio offerta al fluido
per ciascuno slot. Per quanto concerne le pressioni in input presenti nelle porte laterali, troviamo
quella di mandata e di serbatoio.
Per alzate superiori a 0,6 mm da parte dell’otturatore principale, era necessario fornire
l’istruzione della variazione della sezione di passaggio offerta al fluido. Infatti come visto nelle
rappresentazioni tridimensionali nel capitolo II, la sezione complessiva di passaggio offerta al
fluido per alzate > 0,6 mm, risulta data dalla somma tra la sezione di passaggio a cassetto
relativa ai 4 slot e la sezione a geometria dettata da una corona circolare. Per poter replicare
questa caratteristica singolare dell’otturatore principale, è stato inserito il componente
BAO012. Viene utilizzato nell’ambito della rappresentazione di parti di valvole complesse per
simulare il comportamento di una spola che nel suo moto, scopre un orifizio a sezione anulare.
Si ripropone nuovamente l’interfaccia rappresentativa delle causalità dell’elemento in
questione:
Figura 77. Dettaglio BAO012
Per quanto riguarda i parametri assegnati a tale elemento, è stata presa come riferimento una
spola avente diametro pari a 6 mm (geometria che corrisponde al diametro di base

89
dell’otturatore principale), asta assente (0 mm), kjet pari a 0.46 ed è stato inoltre impostato un
ricoprimento per ottenere un effetto di corsa a vuoto pari a 0.6 mm (consente alla sezione
anulare di partecipare all’efflusso soltanto nel momento in cui sono stati superati in alzata i
cassetti del componente precedentemente introdotto). Le porte laterali in analogia all’elemento
precedentemente descritto, ricevono l’informazione relativa alla pressione di mandata e alla
pressione del serbatoio.
Si riporta l’interfaccia grafica di sintesi dei parametri inseriti:
Figura 78. Parametri BAO012

90
4.4.4 Nodo idraulico e serbatoio
La parte conclusiva dello schema, prevede che le connessioni idrauliche coinvolgenti tutti gli
elementi che costituiscono il corpo valvola, risultino funzionali al transito del fluido verso il
serbatoio (o scarico). Si riporta per coerenza rappresentativa il serbatoio connesso al nodo
idraulico attraverso il quale, dopo aver lanciato la simulazione, verranno letti i valori in uscita:
Figura 80. Valori in uscita al nodo a fine simulazione
Figura 79. Nodo idraulico e serbatoio

91
4.5 Risultati della simulazione
Dopo aver descritto per intero lo schema rappresentativo del corpo valvola svolto in Amesim,
si riportano i risultati ottenuti, evidenziando gli andamenti delle portate nel tempo, il
comportamento della pressione nella camera intermedia nel tempo e la curva caratteristica della
portata complessiva uscente dal sistema in funzione della corrente crescente responsabile
dell’eccitazione del soleide.
Figura 81. Andamento portata attraverso i cassetti nel tempo

92
Figura 82. Andamento portata corona circolare nel tempo
Figura 83. Andamento delle portate nel tempo in sovrapposizione

93
Dalla figura 83 si può apprezzare come sia rispettata la sequenzialità nella regolazione della
portata. Superato lo spostamento che determina la massima sezione di passaggio offerta al
fluido per il componente che computa la portata relativa ai cassetti, si apprezza un andamento
della curva rossa che resta costante. In concomitanza dell’istante della simulazione pari a 8s
(cui corrisponde uno spostamento superiore a 0.6 mm), inizia a fluire portata attraverso il
componente che tiene conto della sezione di passaggio offerta al fluido a geometria dettata dalla
corona circolare (curva blu) che si andrà ad aggiungere, nel tratto finale dell’esecuzione del
programma, a quella rossa. Il risultato complessivo della simulazione della portata in uscita,
porta alla seguente curva caratteristica nel tempo:
Figura 84. Curva di simulazione Q(t) complessiva

94
Per quanto riguarda l’andamento della pressione nella camera intermedia, si riporta il
diagramma nel tempo durante il funzionamento:
Figura 85. Pressione camera intermedia
Come si può apprezzare dal grafico, inizialmente la pressione nella camera intermedia coincide
con la pressione dell’ambiente di mandata (poppet serra il foro di comunicazione e la valvola
non consente passaggio di portata) e si mantiene costante a questo valore fintanto che la corrente
che scorre nel solenoide non è sufficiente a dar luogo ad una forza che induca l’alzata del
poppet, vincendo il contrasto della molla. Nell’istante pari a 2s il poppet inizia a sollevarsi e
crolla la pressione nella camera fino a stabilizzarsi intorno ai 2 Bar (tratto in cui la valvola si
trova in regolazione, con sezione di passaggio attiva costituita dai soli cassetti). Nell’istante
pari ad 8s partecipa all’efflusso anche la corona circolare e ciò determina un abbassamento
lineare della pressione intermedia nel tratto conclusivo della simulazione.

95
4.6 Confronto tra simulazione e catalogo
Si riporta nella pagina seguente il comportamento simulato della portata uscente dalla valvola,
in funzione della corrente. Per evidenziare la buona approssimazione ottenuta tramite Amesim
con i dati forniti dal catalogo, si ricorre ai fini del confronto, ad una sovrapposizione grafica.
Figura 86. Portata in funzione della corrente
Figura 87. Confronto simulazione-catalogo

96
4.7 Conclusioni
Lo studio condotto durante l’esperienza di tesi è stato molto coinvolgente e stimolante dal punto
di vista accademico. Famigliarizzare con un ambiente di simulazione come quello di Simcenter
Amesim si è rilevato utile, in quanto mi ha garantito la possibilità di apprezzare il fatto che il
software deve essere sempre considerato come un aiuto nella risoluzione o, come in questo
caso, nella simulazione di comportamenti reali di elementi che implicano la conoscenza delle
leggi fisiche che ne governano il funzionamento. Ho potuto acquisire un metodo nell’approccio
alla risoluzione di un problema di natura complessa, basato sulla scomposizione e risoluzione
di problemi più semplici, per poi risalire allo schema generale. Ho potuto apprezzare
l’importanza delle geometrie e i vincoli sistematici che queste impongono. Ho avuto modo di
confrontarmi anche con la ricerca di possibili miglioramenti applicabili o modifiche che fossero
efficaci, e a tal fine, in merito alla valvola Hydronit-CSPC15, vengono qui proposti dei
potenziali interventi basati sull’ incremento del numero di slot (cassetti):
Figura 88. Potenziali interventi: incremento slot
Adottando un maggior numero di slot, si apprezza infatti un miglioramento nella
proporzionalità generale tra grandezza in input (corrente) e grandezza in output (portata) con
una variazione della pendenza meno accentuata in concomitanza di 1,4 A e a favore di portate
di maggiore entità processabili dalla valvola.

Bibliografia:
SISTEMI OLEODINAMICI - Principi, Componenti, Schemi, Applicazioni -
Gaetano Di gangi
MANUALE DI OLEODINAMICA - Principi, Componenti, Circuiti, Applicazioni -
Hanno Speich - Aurelio Bucciarelli
OLEODINAMICA E PNEUMATICA - Vol 2 - Componenti - Nicola Nervegna
OLEODINAMICA E PNEUMATICA - Vol 1 - Sistemi - Nicola Nervegna
FLUID POWER CIRCUITS AND CONTROLS - Fundamentals and Applications –
Jhon S. Cundiff
FLUID POWER - Theory and Applications - James A. Sullivan
Sitografia:
https://www.rossioleodinamica.com/wpcontent/uploads/2021/08/10_valvole_oleodinamiche.p
df
https://www.eaton.com/ecm/groups/public/@pub/@eaton/@hyd/documents/content/pll_2137
_il.pdf
http://www.formazioneoleodinamica.it/

Volevo ringraziare prima di tutto il Prof. Fulvio Palmieri, per la cortesia e disponibilità
dimostrata durante tutto il percorso di tesi condotto e il mio correlatore, Ing. Edoardo Frattini,
per la disponibilità e il sostegno ricevuto in laboratorio. Vorrei ringraziare i miei genitori, senza
i quali tutto ciò non sarebbe stato possibile, mio fratello Daniele, anche lui laureando in questa
sessione e di grande supporto nella realizzazione del modello tridimensionale della valvola. Un
ringraziamento sentito a mia zia Fabrizia, che ha sempre cercato di trasmettermi serenità, e tutti
quei parenti che anche se fisicamente lontani, mi sono sempre stati vicini. Infine vorrei
ringraziare Martines, che ha atteso questo giorno tanto quanto me, consapevole della sua
importanza per il nostro futuro insieme, e la sua famiglia. A voi tutti, ancora, grazie!

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