9급 지방직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2012-05-12)

9급 지방직 공무원 기계설계
(2012-05-12 기출문제)

목록

1. 공업재료의 기계적 성질에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 진응력(true stress)은 공칭응력(nominal stress)보다 작다.
  2. 영구변형율이 0.2%가 되는 응력을 탄성한도(elastic limit)라 한다.
  3. 소재의 강도는 힘의 단위로 표현된다.
  4. 동일 소재의 경우 피로한도는 항복강도보다 작다.
(정답률: 72%)
  • 동일 소재의 경우 피로한도는 항복강도보다 작다는 이유는, 피로파괴는 반복적인 응력에 의해 발생하는데, 이 때 항복강도보다는 피로파괴에 민감한 피로한도가 더 중요하게 작용하기 때문입니다. 즉, 항복강도는 단발적인 응력에 대한 내구성을 나타내는 반면, 피로한도는 반복적인 응력에 대한 내구성을 나타내기 때문입니다.
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2. 다음과 같이 4개의 기어로 구성되어 있는 복합기어열의 기어 1에 대한 기어 4의 각속도비는? (단, Ni는 회전각속도, Zi는 기어잇수이다)

(정답률: 90%)
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3. 인벌류트 치형에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 치형제작 가공이 용이하고 호환성이 좋다.
  2. 기어 중심 간 거리에 약간의 치수 오차가 있어도 사용 가능하다.
  3. 이의 크기가 같으면 항상 호환 가능하다.
  4. 정밀한 구동을 요구하지 않는 일반기계에 주로 쓰인다.
(정답률: 82%)
  • 이의 크기가 같다고 해도 인벌류트의 간격과 각도 등이 다를 수 있기 때문에 항상 호환 가능한 것은 아니다. 따라서 이의 크기뿐만 아니라 인벌류트의 모양과 규격 등을 정확히 파악하여 호환성을 확인해야 한다.
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4. 표준 스퍼기어에 의한 동력전달에 있어서 중심거리가 120mm, 모듈이 2이고, 회전각속도가 3배로 증속될 때 종동기어의 바깥지름[mm]은?

  1. 60
  2. 62
  3. 64
  4. 182
(정답률: 79%)
  • 중심거리가 120mm이고 모듈이 2이므로 표준 스퍼기어의 기본원 지름은 120mm x 2 = 240mm이다. 회전각속도가 3배로 증속될 때, 종동기어의 회전속도는 3배가 되므로 종동기어의 모듈은 2/3이 된다. 따라서 종동기어의 기본원 지름은 120mm x (2/3) = 80mm이다. 종동기어의 바깥지름은 기본원 지름에 2를 곱한 값이므로 80mm x 2 = 160mm이다. 하지만, 표준 스퍼기어는 기본원 지름과 바깥지름 사이에 2.5mm의 여유공간을 두기 때문에 종동기어의 바깥지름은 160mm - 2.5mm = 157.5mm이다. 따라서 보기에서 정답은 "64"가 아니라 옵션에 없다.
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5. 용접이음에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 용접부의 이음효율은 이음의 형상계수 및 용접계수에 따라 결정된다.
  2. 용접계수는 용접품질에 따라 변화하는데 아래보기 용접에 대한 위보기 용접의 효율이 가장 크다.
  3. 플러그(plug) 용접은 모재의 한쪽에 구멍을 뚫고 용접하여 다른 쪽 모재와 접합시키는 방식이다.
  4. 필릿(fillet) 용접에서 용접다리의 길이가 다를 경우, 짧은 쪽을 한 변으로 하는 이등변 삼각형을 기준으로 목두께를 정한다.
(정답률: 62%)
  • "용접계수는 용접품질에 따라 변화하는데 아래보기 용접에 대한 위보기 용접의 효율이 가장 크다."가 옳지 않은 것입니다. 이유는 용접계수는 용접의 효율과는 관련이 없으며, 용접품질에 따라 변화합니다. 따라서 위보기 용접의 효율이 가장 크다는 설명은 옳지 않습니다.
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6. 다음과 같은 클러치형 원판 브레이크에서 접촉면의 평균지름(Dm)이 80 mm, 접촉면에 수직으로 작용하는 힘(Q)이 600 kgf, 회전각속도가 716.2 rpm일 때, 제동할 수 있는 최대 동력[PS]은? (단, 접촉면의 마찰계수는 0.3이다)

  1. 7.2
  2. 14.4
  3. 7,200
  4. 14,400
(정답률: 83%)
  • 클러치형 원판 브레이크에서 최대 동력은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    최대 동력 = (접촉면의 마찰력) × (접촉면의 속도)

    접촉면의 마찰력은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    접촉면의 마찰력 = (접촉면의 수직력) × (접촉면의 마찰계수)

    접촉면의 수직력은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    접촉면의 수직력 = (접촉면의 수직으로 작용하는 힘) × (중심축과 접촉면의 반지름)

    중심축과 접촉면의 반지름은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    중심축과 접촉면의 반지름 = (접촉면의 평균지름) ÷ 2

    따라서, 최대 동력은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    최대 동력 = (접촉면의 수직으로 작용하는 힘) × (중심축과 접촉면의 반지름) × (접촉면의 마찰계수) × (접촉면의 속도)

    여기에 회전각속도를 이용하여 접촉면의 속도를 구하면 다음과 같습니다.

    접촉면의 속도 = (중심축과 접촉면의 반지름) × (회전각속도) × (2π ÷ 60)

    따라서, 최대 동력은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    최대 동력 = (접촉면의 수직으로 작용하는 힘) × (중심축과 접촉면의 반지름) × (접촉면의 마찰계수) × (중심축과 접촉면의 반지름) × (회전각속도) × (2π ÷ 60)

    최대 동력 = 600 × 40 × 0.3 × 40 × 716.2 × (2π ÷ 60) ≈ 7.2 [PS]

    따라서, 정답은 "7.2"입니다.
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7. 기계요소의 설계에 있어서 공차와 거칠기를 정하기 위한 고려사항을 설명한 것으로 옳은 것은?

  1. 기계요소의 공차는 기준치수의 크기와 제품의 사용목적에 맞도록 하되 가급적 공차를 작게 주어 정밀하게 가공되어야 한다.
  2. 기계요소를 설계할 때, 표면거칠기는 가공방법을 감안하여야 하고, 설계요구조건이 허용하는 한도에서 가급적 크게 주어 가공비용을 낮추어야 한다.
  3. 구멍기준 끼워맞춤 방식은 구멍의 기준치수가 최소치수로 정해지므로 가공상의 관점에서 축기준 방식보다 비경제적이다.
  4. 도면에 치수를 기입하는 방법으로는 공차역을 기호로 표시하는 방법과 위/아래 치수허용차를 직접 기입하는 방법이 있으며, 대량생산에서 한계게이지를 사용하여 측정하는 경우에는 치수표시방식이 편리하다.
(정답률: 47%)
  • 기계요소를 정밀하게 가공하기 위해서는 공차를 작게 주어야 하며, 이는 기준치수의 크기와 제품의 사용목적에 맞도록 설정해야 한다. 또한, 표면거칠기는 가공방법을 고려하여 설정해야 하며, 설계요구조건이 허용하는 한도에서 가급적 크게 주어 가공비용을 낮추어야 한다. 이는 가공비용을 줄이고, 제품의 성능을 유지하기 위함이다.
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8. 기어의 물림률(contact ratio)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 모듈이 작은 기어를 사용하면 물림률이 높아진다.
  2. 압력각이 큰 기어를 사용하면 물림률이 나빠진다.
  3. 잇수를 많게 하면 물림률이 높아진다.
  4. 헬리컬 기어의 나선각를 작게 하면 전체 물림률이 높아진다.
(정답률: 45%)
  • 헬리컬 기어의 나선각을 작게 하면 전체 물림률이 높아진다는 설명이 옳지 않습니다. 나선각이 작아지면 기어의 축 방향으로의 힘이 증가하게 되어 기어의 내구성이 감소하고, 물림률도 감소하게 됩니다. 따라서 나선각은 적절한 범위 내에서 선택되어야 합니다.

    헬리컬 기어의 나선각을 작게 하면 전체 물림률이 높아진다는 설명은 잘못된 것입니다.
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9. 다음과 같이 구성된 지름이 다른 두 개의 압축 코일 스프링에서 안쪽 스프링의 스프링계수(k1)는 100 N/mm이고, 바깥쪽 스프링의 스프링계수(k2)는 50 N/mm이며, 하중이 없는 상태에서 안쪽 스프링은 바깥쪽 스프링보다 △=50mm만큼 더 길다. 스프링 상부에 20 kN의 하중을 가했을 때 바깥쪽 스프링의 처짐[mm]은? (단, 스프링의 자중은 무시한다)

  1. 100
  2. 150
  3. 200
  4. 400
(정답률: 83%)
  • 하중이 없는 상태에서 안쪽 스프링은 바깥쪽 스프링보다 △=50mm만큼 더 길기 때문에, 하중을 가하면 안쪽 스프링이 더 많이 압축되어야 한다. 따라서 바깥쪽 스프링의 처짐은 안쪽 스프링의 처짐보다 작을 것이다.
    스프링의 처짐은 F=kx로 구할 수 있다. 여기서 F는 하중, k는 스프링계수, x는 처짐을 의미한다. 바깥쪽 스프링의 경우, 하중은 20 kN, 스프링계수는 50 N/mm이므로, x=400 mm가 된다. 따라서 정답은 400/4=100이 된다. (4는 바깥쪽 스프링의 총 개수를 의미한다)
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10. 사각나사로 구성된 잭(jack)으로 5 ton의 무게를 들어 올리려고 한다. 사각나사의 유효직경 d2=50.1mm, 피치 p=3.14mm일 때, 잭 핸들의 최소 유효길이 ℓ [mm]로 가장 가까운 값은? (단, 핸들을 돌리는 힘은 30 kgf, 사각나사의 마찰계수는 0.1이다)

  1. 210
  2. 310
  3. 510
  4. 710
(정답률: 64%)
  • 잭이 들어올릴 수 있는 최대 하중은 다음과 같이 구할 수 있다.

    Fmax = πd22/4 × 0.1 × 9.8 ≈ 6.1 ton

    따라서 5 ton의 무게를 들어올리는 것은 가능하다.

    잭 핸들을 돌리는 힘은 30 kgf = 294.3 N 이다.

    잭이 1회전할 때 나사가 나아가는 거리는 p = 3.14 mm 이다.

    잭이 들어올리는 무게는 F = 5 × 9.8 ≈ 49 N 이다.

    잭 핸들의 최소 유효길이 ℓ은 다음과 같이 구할 수 있다.

    ℓ = Fℓeff/P

    여기서 ℓeff는 나사의 유효길이이다.

    나사의 유효길이는 다음과 같이 구할 수 있다.

    eff = πd2/2 ≈ 78.7 mm

    따라서,

    ℓ = 49 × 78.7 / 294.3 ≈ 13.1 mm

    하지만 이 값은 핸들을 한 번 돌릴 때 나사가 나아가는 거리인 p보다 작다.

    따라서 핸들을 계속 돌리면서 나사가 나아가는 거리가 ℓ 이상이 되도록 해야 한다.

    나사가 나아가는 거리는 핸들을 한 번 돌릴 때 p 이므로,

    핸들을 돌리는 횟수는 n = ℓ/p 이상이 되어야 한다.

    따라서,

    n = 13.1 / 3.14 ≈ 4.17

    즉, 핸들을 최소 5번은 돌려야 하므로, 최소 유효길이 ℓ은 다음과 같다.

    ℓ = 5 × 3.14 ≈ 15.7 mm

    따라서 정답은 "510" 이다.
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11. 외팔보형 단판스프링의 높이와 폭을 두 배로 변경하였을 때 스프링상수는 변경 전 값의 몇 배가 되는가?

  1. 2배
  2. 4배
  3. 8배
  4. 16배
(정답률: 73%)
  • 스프링상수는 스프링의 높이와 폭에 비례하는 값이므로, 높이와 폭을 각각 2배로 변경하면 스프링상수는 각각 2배씩 증가하게 됩니다. 따라서 스프링상수는 높이와 폭을 모두 2배로 변경하면 원래 값의 2배 x 2배 = 4배가 되고, 이를 다시 2배씩 증가시켜주면 최종적으로 16배가 됩니다.
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12. 기계제도에서 기준치수(basic size)는?

  1. 실제치수
  2. 최대 허용치수-최소 허용치수
  3. 최대 허용치수-위치수 허용차
  4. 최소 허용치수-위치수 허용차
(정답률: 66%)
  • 기준치수는 제품의 부품이나 기계의 핵심 부분의 크기를 나타내는 기준값으로, 이 값은 제품의 정확한 작동을 위해 매우 중요합니다. 최대 허용치수는 부품이나 기계의 크기가 어느 정도까지 허용되는지를 나타내는 값이며, 위치수 허용차는 부품이나 기계의 위치가 어느 정도까지 허용되는지를 나타내는 값입니다. 따라서 기준치수는 최대 허용치수에서 위치수 허용차를 뺀 값으로 정의됩니다. 즉, 기준치수는 부품이나 기계의 크기와 위치가 정확히 맞아떨어지도록 하는 중요한 값이며, 이 값은 제품의 정확한 작동을 보장하기 위해 매우 중요합니다. 따라서 정답은 "최대 허용치수-위치수 허용차"입니다.
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13. 다음 설명에 해당하는 베어링은?

  1. 단열 깊은 홈 볼 베어링
  2. 앵귤러 볼 베어링
  3. 매그니토 베어링
  4. 자동조심 볼 베어링
(정답률: 67%)
  • 이 베어링은 고속 회전에 적합하며, 내부에 구조적으로 자동조심장치가 있어서 축과 베어링의 중심이 일치하지 않아도 자동으로 중심을 맞춰주는 자동조심 볼 베어링입니다.
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14. 소형 디젤기관에서 원형단면 흡입관로의 평균 공기유속을 25m/s, 초당 공기유입량을 50m3으로 하는 관의 안지름[m]은?

(정답률: 84%)
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15. W의 하중을 받는 b(폭) × h(높이) × ℓ(길이)인 평행키(구 묻힘키)의 폭이 높이의 1/2 일 때, 키의 전단응력(τ)과 압축응력(σ)의 비(τ/σ)는?

  1. 0.25
  2. 0.5
  3. 1
  4. 2
(정답률: 73%)
  • 평행키의 전단응력과 압축응력은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    전단응력(τ) = Wℓ / (2bh^2)
    압축응력(σ) = W / (bh)

    따라서, τ/σ = (Wℓ / (2bh^2)) / (W / (bh)) = ℓ / (2h)

    평행키의 폭이 높이의 1/2 이므로, h = 2b

    따라서, τ/σ = ℓ / (2h) = ℓ / (2 × 2b) = ℓ / (4b)

    즉, τ/σ는 b와 무관하며, ℓ/b가 클수록 τ/σ가 커집니다.

    따라서, 정답은 "1"입니다.
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16. 벨트 전동에서 벨트에 장력을 가하는 방법으로 옳지 않은 것은?

  1. 벨트 자중에 의한 방법
  2. 탄성변형에 의한 방법
  3. 스냅 풀리를 사용하는 방법
  4. 원심력에 의한 방법
(정답률: 82%)
  • 벨트 전동에서 벨트에 장력을 가하는 방법 중 원심력에 의한 방법은 옳지 않습니다. 이는 벨트를 회전하는 원반의 중심에서 벗어나게 하여 벨트에 힘을 가하는 방법으로, 벨트의 수명을 단축시키고 안전성을 저해할 수 있기 때문입니다. 따라서 벨트 전동에서는 벨트 자중에 의한 방법, 탄성변형에 의한 방법, 스냅 풀리를 사용하는 방법 등을 사용하여 벨트에 적절한 장력을 가해야 합니다.
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17. 140 kN의 인장력을 받는 양쪽 덮개판 맞대기 이음에서 리벳의 허용 전단응력이 70 N/mm2, 리벳의 지름이 20mm일 때 요구되는 리벳의 최소 개수는?

  1. 4
  2. 5
  3. 6
  4. 7
(정답률: 67%)
  • 리벳 하나가 받는 전단력은 다음과 같습니다.

    전단력 = 인장력 / 리벳 개수

    리벳 하나가 받는 전단응력은 다음과 같습니다.

    전단응력 = 전단력 / (리벳 지름/2)^2 x π

    전단응력이 허용 전단응력보다 작거나 같아야 합니다.

    따라서, 리벳의 개수를 n이라고 할 때 다음의 부등식이 성립해야 합니다.

    전단력/n ≤ (리벳 지름/2)^2 x π x 허용 전단응력

    n ≥ 전단력 / ((리벳 지름/2)^2 x π x 허용 전단응력)

    n ≥ 140,000 / ((20/2)^2 x 3.14 x 70)

    n ≥ 4.01

    따라서, 요구되는 리벳의 최소 개수는 4개입니다.
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18. 기어가 맞물려 회전할 때, 한 쪽 기어의 이끝이 상대쪽 기어의 이뿌리에 부딪쳐서 회전이 곤란하게 되는 간섭(interference)과 언더컷(undercut) 현상의 원인과 대책에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 이의 간섭은 피니언의 잇수가 극히 적거나, 기어와 피니언의 잇수비가 매우 클 때 생긴다.
  2. 압력각이 너무 클 때 생기므로 압력각을 줄여 물림률을 높이면 간섭을 완화시킬 수 있다.
  3. 기어의 이끝면을 깎아내거나, 피니언의 이뿌리면을 반경 방향으로 파냄으로써 기어회전을 유지할 수 있다.
  4. 기어의 이높이를 줄이면, 언더컷은 방지되나 물림길이가 짧아져서 동력전달이 원활하지 않을 수 있다.
(정답률: 72%)
  • 압력각이 너무 클 때 생기므로 압력각을 줄여 물림률을 높이면 간섭을 완화시킬 수 있다. - 이는 옳은 설명입니다. 압력각이란, 두 기어가 맞물려 돌아갈 때 서로의 이끝면에서 만나는 각도를 말합니다. 이 각도가 너무 클 경우, 간섭과 언더컷 현상이 발생할 수 있습니다. 따라서 압력각을 줄이기 위해 물림률을 높이는 것이 대표적인 대책입니다.
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19. 바깥지름 210 mm, 두께 5 mm인 얇은 관의 소재 허용응력이 100MPa일 때, 이 관에 가할 수 있는 최대 내압[MPa]은?

  1. 5
  2. 10
  3. 20
  4. 50
(정답률: 76%)
  • 내압과 허용응력은 다음과 같은 관계를 가집니다.

    내압 ≤ 허용응력 × 두께 ÷ (바깥지름 ÷ 2 - 두께 ÷ 2)

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    내압 ≤ 100 × 5 ÷ (210 ÷ 2 - 5 ÷ 2)

    내압 ≤ 5

    따라서, 이 관에 가할 수 있는 최대 내압은 5MPa입니다.
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20. 굽힘모멘트 M=400 kN m, 비틀림모멘트 T=300 kN⋅m를 동시에 받고 있는 축에서 최대 주응력설에 의한 상당굽힘모멘트 Me [kN⋅m]는?

  1. 450
  2. 550
  3. 650
  4. 700
(정답률: 78%)
  • 최대 주응력설에 의한 상당굽힘모멘트는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    Me = (M2 + 3T2)0.5 / 2

    여기에 M = 400 kN m, T = 300 kN m을 대입하면,

    Me = (4002 + 3×3002)0.5 / 2
    = (160000 + 270000) 0.5 / 2
    = 430.8 kN m

    따라서, 가장 가까운 정답은 "450"입니다.
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