9급 지방직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2009-05-23)

9급 지방직 공무원 기계설계 2009-05-23 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 기계설계
(2009-05-23 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 다음 중 기계재료 특성에 관련된 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 양진 형태로 반복되는 응력의 진폭이 극한강도 이하인 경우 이 응력이 무한히 반복되어도 파괴에 이르지 않는다.
  2. 취성재료는 비교적 작은 변형률 상태에서 파괴되는 경향이 있으며 고강도 및 저인성의 특성을 가진다.
  3. 최대전단 응력설, 전단변형 에너지설 등은 복합적 응력상태에서 재료의 손상을 예측하게 해주는 식들이다.
  4. 단면이 급격히 변화하는 노치(notch) 부위에서 힘의 흐름이 급격히 변화하고 국부적인 큰 응력이 발생하는 현상을 응력집중이라고 한다.
(정답률: 83%)
  • 재료에 반복 응력이 가해질 때, 응력 진폭이 극한강도보다 낮더라도 무한히 반복되면 피로 파괴가 발생할 수 있습니다. 따라서 무한히 반복되어도 파괴에 이르지 않는다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    취성재료: 변형률이 작고 강도는 높으나 인성이 낮음
    손상 예측 식: 최대전단 응력설, 전단변형 에너지설 등이 사용됨
    응력집중: 노치 등 단면 급변부에서 국부적으로 응력이 크게 발생하는 현상
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2. 한줄 겹치기 리벳이음에서 판의 압축에 의해 판이 압축파괴 되는 경우 리벳이음 강도 P는? (단, 리벳의 지름은 d , 리벳의 피치는 p , 강판의 두께는 t , 강판의 압축응력은 σc이다)

  1. P＝2 dtσc
  2. P＝dtσc
  3. P＝(p－d)tσc
  4. P＝2(p－d)tσc
(정답률: 79%)
  • 리벳이음에서 판의 압축파괴(압괴)에 의한 강도는 압축응력과 리벳의 투영 면적(지름 $\times$ 두께)의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P = \sigma_{c} \times d \times t$
    ② [숫자 대입] $P = \sigma_{c} \times d \times t$
    ③ [최종 결과] $P = dt\sigma_{c}$
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3. 다음과 같이 4줄 리벳이음이 하중(P)을 받을 때 리벳에 작용하는 하중에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 각각의 리벳에 P/4의 하중이 작용한다.
  2. 리벳 ㉡에 가장 큰 하중이 작용한다.
  3. 리벳 ㉣에 가장 큰 하중이 작용한다.
  4. 리벳 ㉠에 가장 큰 하중이 작용한다.
(정답률: 80%)
  • 리벳이음에서 하중 $P$가 작용할 때, 하중이 가해지는 방향의 가장 끝단에 위치한 리벳이 가장 먼저, 그리고 가장 큰 하중을 부담하게 됩니다. 따라서 이미지에서 하중 방향의 선단에 있는 리벳 ㉠에 가장 큰 하중이 작용합니다.
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4. 기계장치를 볼트로 고정시킬 경우 풀림방지의 방법으로 적절하지 않은 것은?

  1. 스프링와셔를 이용한다.
  2. 나사의 피치를 크게한다.
  3. lock nut를 이용한다.
  4. 톱니붙이 와셔를 이용한다.
(정답률: 93%)
  • 나사의 피치가 커지면 나사산의 경사가 급해져 진동이나 외부 충격에 의해 더 쉽게 풀리게 됩니다. 따라서 풀림을 방지하려면 피치를 작게 설계해야 합니다.

    오답 노트
    스프링와셔, lock nut, 톱니붙이 와셔: 모두 마찰력을 높이거나 물리적으로 고정하여 풀림을 방지하는 적절한 방법입니다.
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5. 두 물체의 체결용으로 사용되고 있는 볼트가 받고 있는 하중으로 옳은 것은?

  1. 인장하중, 굽힘하중
  2. 인장하중, 비틀림하중
  3. 비틀림하중, 압축하중
  4. 압축하중, 굽힘하중
(정답률: 77%)
  • 볼트를 체결할 때, 볼트 자체는 축 방향으로 당겨지는 인장하중과 너트를 조일 때 발생하는 회전력인 비틀림하중을 동시에 받게 됩니다.

    오답 노트
    압축하중: 볼트가 아닌 체결되는 판이 받는 힘입니다.
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6. 치수 공차가 50h6과 50h5로 주어졌을 때 이에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 구멍기준 치수 50mm에서 h6공차가 h5공차보다 더 크다.
  2. 구멍기준 치수 50mm에서 h5공차가 h6공차보다 더 크다.
  3. 축기준 치수 50 mm에서 h5공차가 h6공차보다 더 크다.
  4. 축기준 치수 50 mm에서 h6공차가 h5공차보다 더 크다.
(정답률: 79%)
  • 치수 공차에서 알파벳 대문자는 구멍 기준, 소문자는 축 기준을 의미합니다. 또한 IT 공차 등급 숫자가 클수록 공차 범위가 더 넓어집니다.
    따라서 소문자 h는 축 기준이며, 숫자 6이 5보다 크므로 h6 공차가 h5 공차보다 더 큽니다.
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7. 다음 중 공칭응력-공칭변형률 곡선으로부터 알 수 있는 사항들로 옳지 않은 것은?

  1. 이 재료가 파단에 이르기까지 소요되는 변형에너지를 알 수 있다.
  2. 비례한도 구간에서의 기울기로부터 탄성계수와 푸와송비(Poisson's ratio)를 알 수 있다.
  3. 네킹(necking)이 일어나기 시작하는 변형률, 즉, 불안정시작점을 알 수 있다.
  4. 이 재료의 극한인장강도(UTS)를 알 수 있다.
(정답률: 78%)
  • 공칭응력-공칭변형률 곡선은 응력과 변형률의 관계를 보여주므로 탄성계수(기울기)는 알 수 있지만, 가로 방향 변형률을 나타내는 푸와송비는 이 곡선만으로는 알 수 없습니다.

    오답 노트
    파단까지 소요되는 변형에너지: 곡선 아래의 면적으로 구할 수 있습니다.
    네킹 시작점: 응력이 감소하기 시작하는 최대점 이후의 거동으로 알 수 있습니다.
    극한인장강도(UTS): 곡선의 최고점 값으로 알 수 있습니다.
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8. 안전계수(factor of safety)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 재료의 기준강도와 허용응력의 비를 나타낸다.
  2. 가해지는 하중과 응력의 종류 및 성질을 고려한다.
  3. 정확한 응력 계산이 요구된다.
  4. 수명은 고려하지 않는다.
(정답률: 88%)
  • 안전계수는 재료의 극한강도를 허용응력으로 나눈 값으로, 설계 시 하중의 불확실성과 재료의 성질뿐만 아니라 제품의 기대 수명까지 충분히 고려하여 결정해야 합니다.

    오답 노트
    재료의 기준강도와 허용응력의 비를 나타낸다: 안전계수의 정의입니다.
    가해지는 하중과 응력의 종류 및 성질을 고려한다: 설계 시 필수 고려 사항입니다.
    정확한 응력 계산이 요구된다: 안전계수 산정을 위한 전제 조건입니다.
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9. 지름이 100 cm인 원통관 내부에 p＝10 kgf/cm2의 압력이 작용할 때, 강판의 최소 두께[cm]는? (단, 강판의 허용인장응력＝5,000 kgf/cm2 , 안전율＝5, 이음효율＝100%, 부식여유＝2 mm이다)

  1. 0.5
  2. 0.6
  3. 0.7
  4. 0.8
(정답률: 63%)
  • 원통관의 최소 두께는 내부 압력과 지름, 허용응력을 고려하여 계산하며, 부식여유를 더해 최종 두께를 결정합니다. 주어진 문제에서는 허용인장응력에 안전율을 적용하여 계산해야 정답이 도출됩니다.
    ① [기본 공식] $t = \frac{P \times D}{2 \times \sigma} + C$
    ② [숫자 대입] $t = \frac{10 \times 100}{2 \times (5000 / 5)} + 0.2$
    ③ [최종 결과] $t = 0.7$
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10. 벨트 전동에서 풀리의 접촉면 중앙을 곡면으로 하는 이유로 옳은 것은?

  1. 제작시 변형을 방지하기 위하여
  2. 응력의 분포를 고르게 하기 위하여
  3. 벨트가 잘 벗겨지지 않게 하기 위하여
  4. 벨트의 접촉면을 늘리기 위하여
(정답률: 83%)
  • 벨트 풀리의 접촉면 중앙을 곡면(크라운 풀리)으로 만드는 이유는 원심력 등에 의해 벨트가 중심에서 벗어나려는 성질을 막아 벨트가 잘 벗겨지지 않게 하기 위함입니다.
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11. 동력이 HKW로 주어지고 N [rpm]으로 회전하는 축의 전달 토오크식으로 옳은 것은?

  1. T＝974,000 × (HKW/N) [kgfㆍmm]
  2. T＝97,400 × (HKW/N) [kgfㆍmm]
  3. T＝7,162,000 × (HKW/N) [kgfㆍmm]
  4. T＝716,000 × (HKW/N) [kgfㆍmm]
(정답률: 82%)
  • 축의 동력 $H$와 회전수 $N$이 주어졌을 때, 전달 토크 $T$를 구하는 공식입니다.
    ① [기본 공식] $T = 974,000 \times \frac{H}{N}$
    ② [숫자 대입] $T = 974,000 \times \frac{H_{KW}}{N}$
    ③ [최종 결과] $T = 974,000 \times (H_{KW}/N) \text{ [kgf\cdot mm]}$
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12. 절단기의 전동모터를 설계할 때 모터의 동력 용량을 최소화하기 위해 요구되는 기계 요소는?

  1. 플라이 휠
  2. 체인
  3. 기어
  4. 클러치
(정답률: 77%)
  • 플라이 휠은 회전 에너지를 저장했다가 필요할 때 방출하는 장치입니다. 절단기와 같이 부하 변동이 심한 기계에서 플라이 휠을 사용하면 에너지 피크치를 조절하여 모터의 동력 용량을 최소화할 수 있습니다.
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13. 회전축의 진동을 고려한 설계의 특징으로 옳지 않은 것은?

  1. 축의 강성을 증가시키기 위해서는 처짐진동과 비틀림진동을 주로 고려하여야 한다.
  2. 축의 변형에 의한 진동의 고유진동수와 축의 회전속도가 일치하지 않도록 하여야 한다.
  3. 회전축의 회전속도는 위험속도에서 25%이상 벗어나야 한다.
  4. 신축에 의한 세로진동(longitudinal vibration)을 주로 고려하여 설계한다.
(정답률: 71%)
  • 회전축 설계 시에는 축의 회전속도가 고유진동수와 일치하여 발생하는 공진 현상(위험속도)을 방지하는 것이 핵심입니다. 따라서 세로진동보다는 횡진동과 비틀림진동을 주로 고려해야 합니다.

    오답 노트
    신축에 의한 세로진동을 주로 고려하여 설계한다: 세로진동보다 공진 현상 및 횡진동 방지를 우선 고려합니다.
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14. 평 벨트와 비교할 때 V벨트의 특징으로 옳지 않은 것은?

  1. 고속운전이 가능하다.
  2. 운전이 정숙하다.
  3. 속도비가 작다.
  4. 전동효율이 크다.
(정답률: 92%)
  • V벨트는 평벨트에 비해 마찰력이 커서 미끄럼이 적고 전동 효율이 높으며, 정숙한 운전과 고속 운전이 가능합니다. 다만, 속도비는 체인이나 V벨트가 평벨트보다 큽니다.

    오답 노트
    속도비가 작다: V벨트는 평벨트보다 속도비가 큽니다.
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15. 리벳이음과 비교할 때 용접이음의 장점으로 옳은 것은?

  1. 진동을 쉽게 감쇠시킨다.
  2. 용접부의 비파괴 검사가 용이하다.
  3. 이음효율이 높다.
  4. 변형하기 쉽고 잔류응력을 남기지 않는다.
(정답률: 83%)
  • 용접이음은 리벳이음과 달리 구멍을 뚫지 않고 재료를 직접 일체화시키므로, 재료의 손실이 적고 이음효율이 매우 높다는 장점이 있습니다.
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16. 베어링에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 구름베어링의 기본부하 용량은 33.3 rpm으로서 500시간의 수명을 유지할 수 있는 하중을 말한다.
  2. 구름베어링의 정격수명은 동일조건에서 베어링 그룹의 90%가 피로박리현상을 일으키지 않고 회전하는 총회전수를 말한다.
  3. 미끄럼 베어링은 소음 및 진동 발생의 면에서 구름베어링보다 우수하다.
  4. 구름베어링은 하중, 속도 등에 의한 영향이 적고 미끄럼베어링보다 충격면에서 우수하다.
(정답률: 72%)
  • 구름베어링은 내륜과 외륜 사이의 전동체가 점접촉 또는 선접촉을 하기 때문에, 면접촉을 하는 미끄럼베어링에 비해 충격 하중에 취약합니다.

    오답 노트
    구름베어링의 정격수명: 90%가 아니라 90%의 베어링이 피로박리를 일으키지 않고 회전하는 수명을 의미함
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17. 묻힘키에서 전달 토크를 T, 키의 높이를 h, 키의 폭을 b, 키의 길이를 l, 축의 직경을 d라고 할 때, 키에 발생하는 전단응력 τ는?

(정답률: 85%)
  • 키의 전단응력은 전달되는 힘을 키의 전단 면적(폭 $\times$ 길이)으로 나눈 값입니다. 전달 힘은 토크를 축 반지름으로 나눈 값($F = \frac{T}{d/2} = \frac{2T}{d}$)이므로 이를 대입합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\tau = \frac{F}{A} = \frac{2T/d}{bl}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\tau = \frac{2T}{bld}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\tau = \frac{2T}{bld}$$
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18. 축에 비틀림 모멘트 3 [kNㆍm]과 굽힘 모멘트 4 [kNㆍm]가 동시에 작용할 때 상당(equivalent) 비틀림 모멘트와 상당 굽힘모멘트의 합[kNㆍm]은?

  1. 8
  2. 9.5
  3. 12
  4. 13.5
(정답률: 79%)
  • 상당 비틀림 모멘트($T_e$)와 상당 굽힘 모멘트($M_e$)의 공식을 사용하여 각각의 값을 구한 뒤 합산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$T_e = \sqrt{M^2 + T^2}$$
    $$M_e = \frac{1}{2}(M + \sqrt{M^2 + T^2})$$
    ② [숫자 대입]
    $$T_e = \sqrt{4^2 + 3^2} = 5$$
    $$M_e = \frac{1}{2}(4 + 5) = 4.5$$
    ③ [최종 결과]
    $$T_e + M_e = 5 + 4.5 = 9.5$$
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19. 축방향과 축에 직각인 하중을 동시에 지지하는 베어링은?

  1. 레이디얼 베어링
  2. 테이퍼 베어링
  3. 피봇 베어링
  4. 트러스트 베어링
(정답률: 71%)
  • 테이퍼 베어링은 구조적 특성상 축에 직각인 하중(레이디얼 하중)과 축 방향의 하중(스러스트 하중)을 동시에 지지할 수 있는 베어링입니다.

    오답 노트
    레이디얼 베어링: 축 직각 방향 하중만 지지
    트러스트 베어링: 축 방향 하중만 지지
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20. 베어링메탈의 구비조건으로 옳지 않은 것은?

  1. 마찰 및 마멸이 작아야 한다.
  2. 축재질 보다 면압강도가 작고 연성이 낮아야 한다.
  3. 열전도율이 높아야 한다.
  4. 하중에 견딜 수 있도록 충분한 강도와 강성을 가져야 한다.
(정답률: 73%)
  • 베어링메탈은 축을 보호해야 하므로, 축 재질보다 면압강도가 낮고 연성이 높아야 축의 마모를 방지하고 충격을 흡수할 수 있습니다.
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