9급 지방직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2015-06-27)

9급 지방직 공무원 기계설계 2015-06-27 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 기계설계
(2015-06-27 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 기계부품 설계 시에 재료 파괴의 기준강도로 사용되는 것이 아닌 것은?

  1. 항복강도
  2. 종탄성계수
  3. 피로한도
  4. 크리프한도
(정답률: 88%)
  • 재료의 파괴 기준강도는 재료가 영구 변형되거나 파괴되는 시점의 응력을 의미하며 항복강도, 피로한도, 크리프한도 등이 사용됩니다.

    오답 노트
    종탄성계수: 응력과 변형률의 비를 나타내는 재료의 강성(stiffness) 지표이며 파괴 기준강도가 아닙니다.
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2. 일반적으로 사용되는 공차역 기호 h를 기준으로, 기호 h에서 기호 a에 가까워질 때의 치수변화에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 축의 최대 허용치수가 기준치수(호칭치수)보다 작아진다.
  2. 축의 최대 허용치수가 기준치수(호칭치수)보다 커진다.
  3. 구멍의 최대 허용치수가 기준치수(호칭치수)보다 작아진다.
  4. 구멍의 최대 허용치수가 기준치수(호칭치수)보다 커진다.
(정답률: 67%)
  • 축의 공차역 기호에서 h는 기준치수를 최대 허용치수로 하는 기본 공차이며, 알파벳 순서가 a에 가까워질수록(h $\rightarrow$ g $\rightarrow$ f $\rightarrow$ a) 허용 치수 범위가 기준치수보다 더 작은 쪽으로 이동하게 됩니다. 따라서 축의 최대 허용치수가 기준치수보다 작아집니다.

    오답 노트
    구멍의 공차 기호는 대문자(H, A 등)를 사용하므로 구멍에 대한 설명은 틀린 것입니다.
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3. 두께가 10 [mm]인 판 두 장을 2줄 겹치기 리벳이음을 하고자 한다. 리벳 지름이 20 [mm]이고 피치(리벳의 중심간 거리)가 80 [mm]일 때, 리벳이음의 효율 중 리벳 효율[%]은? (단, 리벳의 허용 전단응력은 판의 허용 인장응력의 80%이고, π는 3으로 한다)

  1. 30
  2. 40
  3. 50
  4. 60
(정답률: 53%)
  • 리벳 효율은 판의 인장 강도에 대한 리벳의 전단 강도의 비율로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\eta = \frac{n \cdot \frac{\pi d^{2}}{4} \cdot \tau}{p \cdot t \cdot \sigma}$
    ② [숫자 대입] $\eta = \frac{2 \cdot \frac{3 \cdot 20^{2}}{4} \cdot 0.8\sigma}{80 \cdot 10 \cdot \sigma}$
    ③ [최종 결과] $\eta = 60$
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4. 그림과 같이 정지해 있는 균일한 원형단면의 중실축인 철도차량용 차축에서, 차륜으로부터 l[mm]만큼 떨어진 지점에 작용하는 굽힘하중 W[kgf]를 이용하여 구한 차축의 최소 지름[mm]은? (단, 차축의 허용 굽힘응력은 σa[kgf/mm2]이고, 차축의 강성과 자중은 고려하지 않는다)

(정답률: 71%)
  • 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. 축 방향으로 인장하중 Q[kgf]만 작용하는 아이볼트(eye bolt)에서, 기준강도 σs[kgf/mm2]와 안전율 S를 적용하여 구한 아이볼트의 최소 골지름[mm]은?

(정답률: 72%)
  • 아이볼트에 작용하는 인장하중에 대해 허용응력을 적용하여 최소 골지름을 산출하는 문제입니다.
    허용응력 $\sigma_a = \frac{\sigma_s}{S}$이며, 응력 공식 $\sigma = \frac{Q}{A}$를 이용합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\sigma_a = \frac{Q}{\frac{\pi d^2}{4}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{\sigma_s}{S} = \frac{4Q}{\pi d^2}$$
    ③ [최종 결과]
    $$d = \sqrt{\frac{4QS}{\pi \sigma_s}}$$
    따라서 정답은 입니다.
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6. 지름이 d인 중실축과 바깥지름이 do, 안지름이 di인 중공축이 있다. 동일한 굽힘모멘트를 두 축에 각각 가했을 때, 동일한 굽힘응력이 발생되기 위한 d/do의 값을 A라 하고, 동일한 비틀림 모멘트를 두 축에 각각 가했을 때, 동일한 비틀림응력이 발생되기 위한 d/do의 값을 B라 할 때, A와 B의 곱으로 옳은 것은? (단, di/do=x이고, 두 축의 재료와 길이는 같다)

(정답률: 66%)
  • 중실축과 중공축의 굽힘응력 및 비틀림응력 공식을 이용하여 지름비를 구하는 문제입니다.
    굽힘응력 $\sigma = \frac{M}{Z}$에서 단면계수 $Z$를 비교하여 $A = \frac{d}{d_o} = \sqrt[3]{1-x^4}$를 얻고, 비틀림응력 $\tau = \frac{T}{Z_p}$에서 극단면계수 $Z_p$를 비교하여 $B = \frac{d}{d_o} = \sqrt[4]{1-x^4}$를 얻습니다.
    따라서 두 값의 곱 $A \times B$는 다음과 같습니다.
    $$A \times B = (1-x^4)^{1/3} \times (1-x^4)^{1/4} = (1-x^4)^{7/12}$$
    제시된 정답 이미지 의 수식 $\sqrt[3]{(1-x^4)^2}$은 일반적인 유도 결과와 차이가 있으나, 지정된 정답을 따릅니다.
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7. 축과 보스의 결합을 위해 사용된 보통형 평행키(묻힘키)에서, 회전토크에 의해 키가 전단되는 경우, 키의 길이 l이 축 지름 d의 2배라면 키의 폭 b와 축 지름 d의 관계로 옳은 것은? (단, 축과 키의 재료는 같고, 축과 키에 전달되는 회전토크도 같다)

  1. b = (π/16)d
  2. b = (π/12)d
  3. b = (π/4)d
  4. b = πd
(정답률: 68%)
  • 축의 전단응력과 키의 전단응력이 같다는 조건에서, 축의 비틀림 전단응력 공식과 키의 전단응력 공식을 이용하여 관계식을 도출합니다.
    ① [기본 공식] $\tau_{shaft} = \frac{16T}{\pi d^{3}}, \tau_{key} = \frac{2T}{bd \cdot l}$
    ② [숫자 대입] $\frac{16T}{\pi d^{3}} = \frac{2T}{b \cdot d \cdot 2d}$
    ③ [최종 결과] $b = \frac{\pi}{16}d$
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8. 회전하는 축(shaft)을 설계할 때, 고려하는 요소 중 위험속도(critical speed)에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?

  1. 회전 가능한 축의 최고 회전속도
  2. 축 이음부분에 파괴가 시작되는 회전속도
  3. 축을 지지하는 베어링의 마모가 시작되는 회전속도
  4. 축의 고유진동수와 일치하여 공진현상이 발생하는 회전속도
(정답률: 69%)
  • 위험속도란 회전하는 축의 회전속도가 축의 고유진동수와 일치하게 되어 공진현상이 발생하는 속도를 의미하며, 이때 진폭이 급격히 커져 축에 심각한 손상을 줄 수 있습니다.
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9. 회전하고 있는 평행걸기(바로걸기) 평벨트 전동장치의 장력비는 k이다. 긴장측 장력을 Tt, 이완측 장력을 Ts, 유효장력을 Te라 할 때, (Tt+Ts)/Te를 나타낸 것으로 옳은 것은? (단, 벨트속도로 인한 원심력은 무시한다)

  1. (k-1) / (k+1)
  2. (k+1) / (k-1)
  3. (1+k) / (1-k)
  4. (1-k) / (1+k)
(정답률: 76%)
  • 장력비 $k = \frac{T_t}{T_s}$와 유효장력 $T_e = T_t - T_s$의 관계를 이용하여 식을 정리합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\frac{T_t + T_s}{T_e} = \frac{T_t + T_s}{T_t - T_s}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{k \cdot T_s + T_s}{k \cdot T_s - T_s}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\frac{k + 1}{k - 1}$$
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10. 한국산업표준(KS 규격)에서 기하 공차의 종류 중 모양공차(형상공차)가 아닌 것은?

  1. 진직도
  2. 진원도
  3. 직각도
  4. 평면도
(정답률: 65%)
  • 모양공차(형상공차)는 단독 형체만으로 정의되는 공차로 진직도, 진원도, 평면도, 원통도가 해당합니다.

    오답 노트
    직각도: 데이터럼이 필요한 자세공차에 해당합니다.
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11. 균일 단면봉에 축 방향 인장하중이 작용하여 횡 방향 수축(작용하중 방향에 수직인 수축)이 일어날 때, 푸아송 비(Poisson’s ratio) ν의 크기는?

  1. 축 방향 변형길이 / 횡 방향 변형길이
  2. 축 방향 변형률 / 횡 방향 변형률
  3. 횡 방향 변형길이 / 축 방향 변형길이
  4. 횡 방향 변형률 / 축 방향 변형률
(정답률: 64%)
  • 푸아송 비는 재료가 축 방향으로 인장될 때 이에 수직인 횡 방향으로 수축하는 비율을 나타내는 상수로, 횡 방향 변형률과 축 방향 변형률의 비로 정의합니다.
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12. 호칭번호가 6308C2P6인 구름 베어링에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 깊은 홈 볼 베어링이다.
  2. 정밀도는 2급으로 정밀급이다.
  3. 전동체 배열이 1열인 단열 베어링이다.
  4. 베어링 안지름은 40 [mm]이다.
(정답률: 72%)
  • 구름 베어링 호칭번호 6308C2P6에서 'C2'는 내부 틈새의 등급을 나타내며, 정밀도 등급은 끝의 'P6'가 담당합니다. P6는 ISO 정밀도 등급으로 6급에 해당하며, 2급이 아닙니다.

    오답 노트
    6: 깊은 홈 볼 베어링
    08: 안지름 $08 \times 5 = 40 mm$
    P6: 정밀도 6급
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13. 밸브대를 축으로 원판형의 밸브 디스크가 회전함으로써 관로의 열림 각도가 변화하여 유량을 조절할 수 있는 밸브는?

  1. 체크 밸브(check valve)
  2. 안전 밸브(safety valve)
  3. 버터플라이 밸브(butterfly valve)
  4. 글로브 밸브(glove valve)
(정답률: 77%)
  • 버터플라이 밸브는 밸브대(축)를 중심으로 원판 모양의 디스크가 회전하며 개구 면적을 조절하여 유량을 제어하는 구조의 밸브입니다.
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14. 내압을 받는 얇은 두께의 원통형 관(pipe)에서, 관내의 내압(P)이 두 배가 되어 2P로 변경되었다. 변경 후에 관의 길이 방향(축 방향) 응력(σ1)에 대한 원주 방향 응력(σ2)의 비(σ2/σ1)는?

  1. 4
  2. 2
  3. 0.5
  4. 0.25
(정답률: 64%)
  • 얇은 원통형 관에서 축 방향 응력과 원주 방향 응력의 관계는 내압의 크기와 상관없이 항상 일정한 비율을 유지합니다.
    축 방향 응력 $\sigma_{1} = \frac{Pd}{4t}$, 원주 방향 응력 $\sigma_{2} = \frac{Pd}{2t}$이므로, 두 응력의 비는 다음과 같습니다.
    $$\frac{\sigma_{2}}{\sigma_{1}} = \frac{\frac{Pd}{2t}}{\frac{Pd}{4t}} = 2$$
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15. 평행걸기(바로걸기) 평벨트 전동장치에서 원동 풀리 지름이 195 [mm], 종동 풀리 지름이 95 [mm]이고, 벨트 두께는 5 [mm]이다. 원동 풀리가 1,000 [rpm]으로 회전할 때, 벨트 두께를 고려하여 구한 종동 풀리의 회전수[rpm]는? (단, 풀리와 벨트 사이의 미끄럼은 고려하지 않는다)

  1. 1,000
  2. 1,027
  3. 2,000
  4. 2,053
(정답률: 65%)
  • 벨트 두께 $t$를 고려할 때, 유효 지름은 실제 지름에 $2t$를 더해 계산합니다. 두 풀리의 회전수와 지름의 곱은 일정하다는 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $N_2 = N_1 \times \frac{d_1 + 2t}{d_2 + 2t}$
    ② [숫자 대입] $N_2 = 1000 \times \frac{195 + 10}{95 + 10}$
    ③ [최종 결과] $N_2 = 2000$
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16. 판재 전단용 전단기(shearing machine)에 강철제 원판형 관성차(플라이 휠, fly wheel)가 설치되어 있다. 관성차의 극관성모멘트가 J [kgfㆍmㆍs2]이고, 최고 회전수가 N [rpm]일 때, 이 관성차의 최대 운동에너지[kgfㆍm]는? (단, π는 3으로 한다)

  1. 0.001 J N2
  2. 0.005 J N2
  3. 0.05 J N2
  4. 0.01 J N2
(정답률: 50%)
  • 회전하는 관성차의 운동에너지 공식 $E = \frac{1}{2} J \omega^2$을 사용합니다. 각속도 $\omega$를 $\text{rpm}$ 단위인 $N$으로 변환하여 대입합니다.
    ① [기본 공식] $E = \frac{1}{2} J (\frac{2 \pi N}{60})^2$
    ② [숫자 대입] $E = \frac{1}{2} J (\frac{2 \times 3 \times N}{60})^2 = \frac{1}{2} J (\frac{N}{10})^2$
    ③ [최종 결과] $E = 0.005 J N^2$
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17. 그림과 같이 두께가 t1 [mm]과 t2 [mm]로 서로 다른 두 판의 맞대기 용접이음에서, 용접길이 l [mm]의 수직 방향으로 판의 중앙에 인장하중 P[kgf]가 작용할 때, 용접부에 생기는 인장응력 [kgf/mm2]은? (단, t1＜t2이다)

(정답률: 63%)
  • 맞대기 용접이음에서 인장응력은 하중을 용접부의 최소 단면적으로 나눈 값입니다. 두 판의 두께가 다를 때, 응력은 더 얇은 판의 두께 $t_1$과 용접 길이 $l$의 곱으로 이루어진 단면적에 의해 결정됩니다.
    따라서 인장응력은 $\frac{P}{t_1 l}$가 되며, 이는 와 일치합니다.
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18. 150 [rpm]으로 회전하고 있는 볼 베어링의 수명이 3,000시간일 때, 이 베어링에 작용하는 최대 하중[kgf]은? (단, 기본 동정격하중은 1,350 [kgf]이다)

  1. 450
  2. 550
  3. 650
  4. 750
(정답률: 59%)
  • 볼 베어링의 정격 수명 공식 $L_{10} = (C/P)^3$을 이용하여 하중 $P$를 구합니다. 이때 수명 $L_{10}$은 총 회전수(백만 회전)로 환산해야 합니다.
    ① [기본 공식] $P = \frac{C}{\sqrt[3]{L_{10}}}$
    ② [숫자 대입] $P = \frac{1350}{\sqrt[3]{\frac{150 \times 60 \times 3000}{10^6}}}$
    ③ [최종 결과] $P = 450$
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19. 인벌류트 치형을 갖는 다음의 평기어 중 모듈이 가장 큰 것은?

  1. 잇수 60, 피치원 지름 240 [mm]
  2. 잇수 80, 이끝원 지름 246 [mm]
  3. 지름 피치 12.7 [1/inch]
  4. 원주 피치 4.712 [mm]
(정답률: 77%)
  • 각 보기의 조건을 통해 모듈 $m$을 계산하여 비교합니다.
    잇수 60, 피치원 지름 240 mm인 경우: $$m = \frac{d}{z} = \frac{240}{60} = 4$$
    잇수 80, 이끝원 지름 246 mm인 경우: $$d_a = m(z+2) \rightarrow m = \frac{246}{80+2} = 3$$
    지름 피치 12.7 1/inch인 경우: $$m = \frac{25.4}{DP} = \frac{25.4}{12.7} = 2$$
    원주 피치 4.712 mm인 경우: $$m = \frac{p}{\pi} = \frac{4.712}{3.14} = 1.5$$
    따라서 잇수 60, 피치원 지름 240 mm일 때 모듈이 4로 가장 큽니다.
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20. 축이음의 종류 중 일직선상에 놓여 있지 않은 두 개의 축을 연결하는 데 쓰이고, 축의 1회전 동안 회전각속도의 변동 없이 동력을 전달하며, 전륜 구동 자동차의 동력전달장치로 사용하기에 가장 적절한 것은?

  1. 클로 클러치(claw clutch)
  2. 올덤 커플링(oldham coupling)
  3. 등속 조인트(constant-velocity joint)
  4. 주름형 커플링(bellows coupling)
(정답률: 66%)
  • 등속 조인트(constant-velocity joint)는 두 축이 일직선상에 있지 않은 각도가 있는 상태에서도 회전각속도의 변동 없이 동력을 일정하게 전달할 수 있어 전륜 구동 자동차의 구동축에 필수적으로 사용됩니다.
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