9급 지방직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2014-06-21)

9급 지방직 공무원 기계설계 2014-06-21 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 기계설계
(2014-06-21 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 한국공업규격(KS)에서 기계부문과 수송기계부문의 분류기호는?

  1. KS A, KS E
  2. KS B, KS R
  3. KS C, KS W
  4. KS D, KS X
(정답률: 85%)
  • 한국공업규격(KS)의 부문별 분류 기호에 대한 암기 문제입니다.
    기계부문은 KS B, 수송기계부문은 KS R로 분류됩니다.

    오답 노트
    KS A: 기본부문
    KS C: 전기전자부문
    KS D: 금속부문
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2. SI 기본단위가 아닌 것은?

  1. rad
  2. s
  3. m
  4. kg
(정답률: 85%)
  • SI 기본단위는 물리량의 가장 기초가 되는 7가지 단위(m, kg, s, A, K, mol, cd)를 의미합니다.
    rad(라디안)은 길이 단위를 길이 단위로 나눈 무차원 유도 단위이므로 기본단위가 아닙니다.
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3. 그림과 같은 단식 블록 브레이크에서 드럼의 회전방향에 관계없이 레버 끝에 가하는 조작력이 F=Qb/a가 되려면 c의 값은?

  1. －1
  2. 1
  3. 1/2
  4. 0
(정답률: 83%)
  • 드럼의 회전 방향에 관계없이 조작력이 일정하려면, 브레이크 슈의 작용점(수직력 $Q$가 가해지는 지점)이 회전 중심축과 일치하여 모멘트 팔의 길이가 0이 되어야 합니다.
    따라서 중심 거리 $c$의 값은 0이 되어야 합니다.
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4. 피로파손 이론에서 조더버그선(Soderberg line) 기준에 의한 응력관계식은? (단, σa는 교번응력, σm은 평균응력, Se는 피로강도, Su는 극한강도, Sf는 파괴강도, Sy는 항복강도이다)

(정답률: 73%)
  • 차축에 작용하는 굽힘모멘트와 허용 굽힘응력을 이용하여 최소 지름을 구하는 문제입니다.
    최대 굽힘모멘트 $M = W \times l$이며, 굽힘응력 공식 $\sigma_a = \frac{M}{Z}$를 이용합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\sigma_a = \frac{Wl}{\frac{\pi d^3}{32}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\sigma_a = \frac{32Wl}{\pi d^3}$$
    ③ [최종 결과]
    $$d = \sqrt[3]{\frac{32Wl}{\pi \sigma_a}}$$
    따라서 정답은 입니다.
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5. 볼 베어링의 수명시간을 125배로 증가시키려면 베어링 하중은 몇 배가 되어야 하는가?

  1. 1/3
  2. 1/4
  3. 1/5
  4. 1/6
(정답률: 87%)
  • 볼 베어링의 수명 $L$은 하중 $P$의 3제곱에 반비례합니다. 수명을 $n$배 증가시키기 위한 하중 배수를 구합니다.
    ① [기본 공식] $L \propto \frac{1}{P^3}$
    ② [숫자 대입] $125 = \frac{1}{(\text{하중배수})^3}$
    ③ [최종 결과] $\text{하중배수} = \frac{1}{\sqrt[3]{125}} = \frac{1}{5}$
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6. 단판 클러치에서 축 방향으로 미는 힘 500N을 가해 토크 6,000Nㆍmm를 전달하고자 한다. 마찰면의 바깥지름이 150mm일 때 안지름의 최소 크기[mm]는? (단, 마찰계수는 0.2이고, 마모량은 일정하다)

  1. 90
  2. 100
  3. 120
  4. 130
(정답률: 71%)
  • 마모량이 일정할 때 단판 클러치의 전달 토크는 평균 반경을 사용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $T = \frac{\mu W (R_1 + R_2)}{2}$
    ② [숫자 대입] $6000000 = \frac{0.2 \times 500 \times (75 + R_2)}{2}$
    ③ [최종 결과] $R_2 = 45 \text{ mm} \rightarrow D_2 = 90 \text{ mm}$
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7. 300N의 베어링 하중을 받고 600rpm으로 회전하는 축에 끝저널(end journal) 베어링이 설치되어 있다. 이 베어링의 허용압력 속도계수가 π/10 N / mm2ㆍm/s일 때, 끝저널 베어링의 길이[mm]는?

  1. 10
  2. 20
  3. 30
  4. 40
(정답률: 63%)
  • 베어링의 허용압력 속도계수(PV 값) 공식을 이용하여 하중, 회전속도, 지름에 따른 베어링의 최소 길이를 산출합니다.
    ① [기본 공식] $L = \frac{P}{p \cdot d \cdot v}$
    ② [숫자 대입] $L = \frac{300}{\frac{\pi}{10} \cdot 10 \cdot (\frac{\pi \cdot 10 \cdot 600}{60 \cdot 1000)}}$
    ③ [최종 결과] $L = 30$
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8. 그림과 같은 300N의 편심하중을 받는 리벳이음에서 리벳에 생기는 최대 전단력의 크기[N]는?

  1. 650
  2. 750
  3. 850
  4. 950
(정답률: 62%)
  • 편심하중을 받는 리벳이음에서 최대 전단력은 하중의 직접 작용분과 모멘트에 의한 회전분 중 가장 큰 값이 발생하는 리벳에서 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $F_{max} = \frac{P}{n} + \frac{P \cdot e \cdot r}{\sum r^{2}}$
    ② [숫자 대입] $F_{max} = \frac{300}{3} + \frac{300 \cdot 400 \cdot 200}{100^{2} + 0^{2} + 100^{2}}$
    ③ [최종 결과] $F_{max} = 850$
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9. 나사의 피치가 p, 유효지름이 d2, 바깥지름이 d인 1줄 사각나사를 조일 때의 효율은? (단, 마찰각은 ρ이고, 자리면 마찰은 무시한다)

(정답률: 67%)
  • 사각나사의 효율 $\eta$는 리드각 $\alpha$와 마찰각 $\rho$의 관계로 정의됩니다.
    리드각의 탄젠트 값은 $\tan \alpha = \frac{p}{\pi d_2}$이며, 효율 공식 $\eta = \frac{\tan \alpha}{\tan(\alpha + \rho)}$를 적용합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\eta = \frac{\tan \alpha}{\tan(\alpha + \rho)}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\eta = \frac{\frac{p}{\
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10. 지름 D인 원통을 판재 위에 놓고 접합 부위의 둘레를 용접크기 f로 필렛 용접한 후, 굽힘 모멘트 M을 작용시켰을 때 용접 부위에 발생하는 최대 굽힘응력의 크기는?

(정답률: 63%)
  • 원통형 필렛 용접부에 굽힘 모멘트가 작용할 때의 최대 굽힘응력을 구하는 문제입니다.
    용접부의 단면 계수를 고려하여 굽힘응력 공식 $\sigma = \frac{M}{Z}$를 적용합니다. 필렛 용접의 경우 목두께 $f \sqrt{2}$를 기준으로 계산하며, 원통형 용접부의 기하학적 형상을 반영한 최종 식은 다음과 같습니다.
    $$\frac{32M(D + \sqrt{2}f)}{\pi \{(D + \sqrt{2}f)^4 - D^4\}}$$
    따라서 정답은 입니다.
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11. 원통코일 스프링 전체의 평균지름이 D, 소선의 지름이 d일 때, 스프링지수를 나타내는 식은?

  1. d/D
  2. D/d
  3. d/(D+d)
  4. D/(D+d)
(정답률: 82%)
  • 스프링지수(Spring Index)는 코일 스프링의 설계 특성을 나타내는 무차원 수로, 코일의 평균 지름 $D$와 소선 지름 $d$의 비율로 정의합니다.
    ① [기본 공식] $C = \frac{D}{d}$
    ② [숫자 대입] $C = \frac{D}{d}$
    ③ [최종 결과] $C = \frac{D}{d}$
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12. 전위기어의 사용 목적으로 옳은 것은?

  1. 물림률을 감소시키고자 할 때 사용한다.
  2. 기어의 최소 잇수를 증가시키고자 할 때 사용한다.
  3. 두 기어 사이의 중심거리를 일정하게 유지하고자 할 때 사용한다.
  4. 언더컷을 방지하고자 할 때 사용한다.
(정답률: 80%)
  • 전위기어는 기어의 치형을 기본 치형에서 법선 방향으로 이동시켜 제작한 기어로, 잇수가 적은 기어에서 치뿌리 부분이 깎여 나가는 언더컷 현상을 방지하기 위해 사용합니다.

    오답 노트
    물림률 감소: 전위는 일반적으로 물림률을 증가시키거나 조정하기 위해 사용함
    최소 잇수 증가: 최소 잇수 자체를 늘리는 것이 아니라, 적은 잇수에서도 언더컷 없이 사용 가능하게 함
    중심거리 일정 유지: 전위를 통해 중심거리를 조정할 수 있으나, 그것이 주 목적은 아님
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13. 벨트 전동장치에서 유효장력을 Te, 긴장측의 장력을 Tt, 이완측의 장력을 Ts, 풀리와 벨트 사이의 접촉각을 θ, 마찰계수를 μ라 할 때, 옳은 식은? (단, 원심력의 영향은 무시한다)

  1. Ts=(eμθ-1)Te
(정답률: 63%)
  • 벨트 전동에서 긴장측 장력 $T_{t}$와 이완측 장력 $T_{s}$의 관계식은 $T_{t} = T_{s} e^{\mu\theta}$이며, 유효장력 $T_{e}$는 두 장력의 차이인 $T_{e} = T_{t} - T_{s}$로 정의됩니다. 이를 $T_{t}$에 대해 정리하면 가 됩니다.
    $$T_{t} = \frac{e^{\mu\theta}}{e^{\mu\theta} - 1} T_{e}$$
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14. 기어 A의 잇수가 150, 기어 B의 잇수가 50인 서로 맞물려 회전하는 한 쌍의 기어가 있다. 두 기어 사이의 중심거리가 1,000mm일 때, 기어 A의 피치원지름[mm]은?

  1. 1,000
  2. 1,500
  3. 2,000
  4. 2,500
(정답률: 80%)
  • 두 기어의 중심거리는 각 기어 피치원 반지름의 합과 같습니다. 잇수 비에 따라 피치원 지름이 결정되므로, 전체 중심거리를 잇수 비율로 배분하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $D_{A} = \frac{Z_{A}}{Z_{A} + Z_{B}} \times 2C$
    ② [숫자 대입] $D_{A} = \frac{150}{150 + 50} \times 2 \times 1000$
    ③ [최종 결과] $D_{A} = 1500$
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15. 비틀림 모멘트만 받고 있는 중실축의 강도설계에서 전달 토크를 8배로 증가시키려면, 축지름은 몇 배로 증가되어야 하는가? (단, 다른 조건은 모두 동일하다)

  1. 2배
  2. 4배
  3. 8배
  4. 16배
(정답률: 76%)
  • 비틀림 모멘트를 받는 중실축의 최대 전단응력 공식에서 토크 $T$는 축지름 $d$의 3제곱에 비례합니다. 따라서 전달 토크를 8배로 증가시키기 위해 필요한 지름의 증가 배수를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $T = \frac{\pi d^{3} \tau}{16}$
    ② [숫자 대입] $8T = \frac{\pi (x d)^{3} \tau}{16}$
    ③ [최종 결과] $x = \sqrt[3]{8} = 2$
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16. 그림 (A), (B)와 같이 동일한 스프링 상수 k를 갖는 스프링의 연결에 동일 하중 W가 작용하고 있다. (A)의 처짐량을 δ1, (B)의 처짐량을 δ2라 할 때 δ1:δ2는? (단, 스프링의 자중은 무시한다)

  1. 1 : 2
  2. 2 : 3
  3. 3 : 4
  4. 4 : 5
(정답률: 80%)
  • 스프링의 연결 방식에 따른 합성 스프링 상수를 구하여 처짐량을 비교하는 문제입니다.
    (A)는 병렬 연결이므로 합성 상수 $k_1 = k + k = 2k$이고, (B)는 한쪽은 직렬($\frac{k}{2}$), 한쪽은 단독($k$)인 병렬 구조이므로 합성 상수 $k_2 = \frac{k}{2} + k = 1.5k$ 입니다.
    처짐량 $\delta$는 하중 $W$를 스프링 상수 $k$로 나눈 값에 비례합니다.
    ① [기본 공식] $\delta_1 : \delta_2 = \frac{W}{k_1} : \frac{W}{k_2} = \frac{1}{k_1} : \frac{1}{k_2}$
    ② [숫자 대입] $\delta_1 : \delta_2 = \frac{1}{2k} : \frac{1}{1.5k} = \frac{1}{2} : \frac{2}{3}$
    ③ [최종 결과] $\delta_1 : \delta_2 = 3 : 4$
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17. 1줄 사각나사에서 마찰각을 ρ, 리드각을 λ, 마찰계수를 μ라 할 때, 나사의 자립상태를 유지하기 위한 조건은? (단, 나사가 저절로 풀리다가 어느 지점에서 정지하는 경우도 자립상태로 본다)

  1. ρ ≥ λ
  2. ρ ≤ λ
  3. ρ ≥ μ
  4. ρ ≤ μ
(정답률: 91%)
  • 나사가 외부의 힘 없이 스스로 풀리지 않고 정지해 있는 자립상태가 되려면, 나사면의 마찰각 $\rho$가 리드각 $\lambda$보다 크거나 같아야 합니다.
    따라서 자립 조건은 $\rho \ge \lambda$ 입니다.
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18. 잇수 Z, 압력각 α인 표준 평기어에서 원주피치 p와 기초원지름 Dg의 관계식은?

(정답률: 59%)
  • 표준 평기어에서 원주피치 $p$와 기초원지름 $D_g$의 관계를 묻는 문제입니다.
    원주피치는 $\pi$와 모듈 $m$의 곱으로 표현되며, 기초원지름은 피치원지름 $D$에 $\cos \alpha$를 곱한 값입니다. 이를 종합하여 정리하면 다음과 같은 관계식이 성립합니다.
    $$p = \frac{\pi D_g}{Z \cos \alpha}$$
    따라서 정답은 입니다.
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19. 벨트전동에서 원동풀리의 지름이 D1, 종동풀리의 지름이 D2이고, 풀리의 중심 간 거리가 C이다. 벨트를 평행걸기할 때, 원동풀리에서 벨트와 풀리 사이의 접촉각[°]은? (단, D1＜D2)

(정답률: 58%)
  • 두 풀리의 지름이 다를 때, 작은 풀리(원동풀리)의 접촉각 $\theta$는 전체 $360^{\circ}$에서 감김각의 차이를 뺀 값으로 계산합니다.
    평행걸기 시 작은 풀리의 접촉각 공식은 다음과 같습니다.
    $$\theta = 180 - 2\sin^{-1}(\frac{D_2 - D_1}{2C})$$
    따라서 정답은 입니다.
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20. 무게 W=1,000N의 물체가 볼트에 매달려 있고, 볼트의 허용 인장응력이 10MPa일 때, 필요한 볼트의 최소 골지름 d1[mm]은?

(정답률: 84%)
  • 볼트의 인장응력 공식을 이용하여 최소 골지름을 구하는 문제입니다.
    ① [기본 공식] $\sigma = \frac{W}{\frac{\pi d_1^2}{4}} \implies d_1 = \sqrt{\frac{4W}{\pi \sigma}}$
    ② [숫자 대입] $d_1 = \sqrt{\frac{4 \times 1000}{\pi \times 10 \times 10^6}} = \sqrt{\frac{400}{\pi \times 10^3}} = \sqrt{\frac{0.4}{\pi}}$
    단위를 mm로 환산하여 정리하면 다음과 같습니다.
    $$d_1 = \sqrt{\frac{400}{\pi}}$$
    ③ [최종 결과]
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