9급 지방직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2016-06-18)

9급 지방직 공무원 기계설계 2016-06-18 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 기계설계
(2016-06-18 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. M18×2인 미터 가는 나사의 치수에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 수나사 바깥지름 18[mm], 산수 2
  2. 수나사 유효지름 18[mm], 피치 2[mm]
  3. 수나사 바깥지름 18[mm], 피치 2[mm]
  4. 수나사 골지름 18[mm], 2줄 나사
(정답률: 86%)
  • 미터 나사의 표기법 $M18 \times 2$에서 앞의 숫자 $18$은 수나사의 바깥지름(mm)을 의미하며, 뒤의 숫자 $2$는 나사산 사이의 거리인 피치(mm)를 의미합니다.
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2. 잇수가 30개, 모듈이 4인 보통이 표준기어에서 바깥지름[mm]과 이끝 높이[mm]는? (순서대로 바깥지름, 이끝 높이)

  1. 128, 4
  2. 120, 4
  3. 128, 8
  4. 120, 8
(정답률: 64%)
  • 표준기어에서 이끝 높이는 모듈과 같으며, 바깥지름은 기준원지름에 이끝 높이의 2배를 더한 값입니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{바깥지름} = m \times z + 2m$$
    $$\text{이끝 높이} = m$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{바깥지름} = 4 \times 30 + 2 \times 4$$
    $$\text{이끝 높이} = 4$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{바깥지름} = 128\text{ mm}, \text{이끝 높이} = 4\text{ mm}$$
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3. 유체의 흐름을 단절시키거나 유량, 압력 등을 조정하기 위하여 사용되는 배관 부품인 밸브에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 스톱 밸브－리프트 밸브의 일종으로 밸브 디스크가 밸브대에 의하여 밸브 시트에 직각 방향으로 작동함
  2. 게이트 밸브－용기 내의 유체 압력이 일정압을 초과하였을 때 자동적으로 밸브가 열려서 유체의 방출 및 압력 상승을 억제함
  3. 체크 밸브－역방향으로의 유체 흐름을 방지하는 기능을 가지고 있어 관 내부를 흐르는 유체를 한 방향으로만 흘러가게 함
  4. 버터플라이 밸브－밸브의 몸통 안에서 밸브대를 축으로 하여 원판 모양의 밸브 디스크가 회전하면서 관을 개폐함
(정답률: 68%)
  • 게이트 밸브는 유체의 흐름을 완전히 차단하거나 개방하는 데 사용되는 밸브입니다. 용기 내 압력이 일정 수준을 초과했을 때 자동으로 열려 압력을 방출하는 장치는 안전 밸브에 대한 설명입니다.

    오답 노트
    스톱 밸브: 리프트 밸브의 일종으로 직각 방향 작동
    체크 밸브: 한 방향 흐름만 허용하는 역류 방지
    버터플라이 밸브: 원판 디스크의 회전으로 개폐
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4. 시계의 태엽 기구, 기중기 등에 사용되며 축의 역전 방지 기구로 널리 사용되는 브레이크는?

  1. 폴 브레이크
  2. 내확 브레이크
  3. 밴드 브레이크
  4. 원추 브레이크
(정답률: 63%)
  • 폴 브레이크(Pawl Brake)는 톱니바퀴 모양의 휠에 폴(걸쇠)을 걸어 회전을 멈추게 하는 방식으로, 시계 태엽이나 기중기처럼 한쪽 방향으로만 회전해야 하고 역전 방지가 필수적인 기구에 주로 사용됩니다.
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5. 축과 구멍의 공차역(tolerance zone)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. a～h 공차역에서 축의 아래치수 허용차는 위치수 허용차에 정밀도 치수공차(IT)를 뺀 값이다.
  2. A～H 공차역에서 구멍의 위치수 허용차는 아래치수 허용차에 정밀도 치수공차(IT)를 더한 값이다.
  3. k～zc 공차역에서 축의 위치수 허용차는 기초치수 허용차가 되며 그 값은 음수(－)이다.
  4. M～ZC 공차역에서 구멍의 위치수 허용차는 기초치수 허용차가 되며 그 값은 음수(－)이다.
(정답률: 59%)
  • 축의 공차역에서 $a \sim h$는 구멍 기준(축의 상위치수 허용차가 0), $k \sim zc$는 축 기준(축의 하위치수 허용차가 0)으로 분류됩니다. $k \sim zc$ 공차역에서 축의 위치수 허용차는 기초치수 허용차가 되며, 이 값은 0보다 큰 양수(+) 값을 가집니다.
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6. 지름 50[mm] 원형단면봉이 80[N/mm2]의 인장응력과 30[N/mm2]의 전단응력을 동시에 받고 있을 때 최대 주응력[N/mm2]은?

  1. 80
  2. 90
  3. 110
  4. 140
(정답률: 75%)
  • 인장응력 $\sigma$와 전단응력 $\tau$가 동시에 작용할 때, 최대 주응력 $\sigma_1$은 모어 원의 원리를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\sigma_1 = \frac{\sigma}{2} + \sqrt{(\frac{\sigma}{2})^2 + \tau^2}$
    ② [숫자 대입] $\sigma_1 = \frac{80}{2} + \sqrt{(\frac{80}{2})^2 + 30^2}$
    ③ [최종 결과] $\sigma_1 = 40 + 50 = 90$
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7. 스프링에 작용하는 하중의 진동수가 고유진동수에 가까워 스프링이 공진하는 현상은?

  1. 서징 현상
  2. 피닝 현상
  3. 겹침 현상
  4. 피로 현상
(정답률: 77%)
  • 스프링에 가해지는 외력의 진동수가 스프링 자체의 고유진동수와 일치하여 진폭이 급격히 커지는 공진 현상을 서징(Surging) 현상이라고 합니다.

    오답 노트
    피닝 현상: 금속 표면에 작은 구멍이 생기는 현상
    피로 현상: 반복적인 하중으로 인해 강도가 저하되는 현상
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8. 그림과 같은 기어 트레인에서 가장 왼쪽 기어 A가 840[rpm]의 속도로 반시계 방향으로 회전할 때, 가장 오른쪽 기어 F의 회전수[rpm]와 회전 방향은? (단, Z는 각 기어의 잇수를 나타낸다)

  1. 16, 시계 방향
  2. 16, 반시계 방향
  3. 32, 시계 방향
  4. 32, 반시계 방향
(정답률: 67%)
  • 기어 트레인의 최종 회전수는 입력 회전수에 각 단의 잇수 비를 곱하여 구하며, 회전 방향은 맞물릴 때마다 반전됩니다. 단, 동일 축에 고정된 기어(B-C, D-E)는 회전수가 같습니다.
    ① [기본 공식] $N_F = N_A \times \frac{Z_A}{Z_B} \times \frac{Z_C}{Z_D} \times \frac{Z_E}{Z_F}$
    ② [숫자 대입] $N_F = 840 \times \frac{24}{45} \times \frac{12}{80} \times \frac{20}{42}$
    ③ [최종 결과] $N_F = 32$
    회전 방향: A(반시계) $\rightarrow$ B(시계) $\rightarrow$ C(시계) $\rightarrow$ D(반시계) $\rightarrow$ E(반시계) $\rightarrow$ F(시계)
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9. 원추각(꼭지각의 1/2) , 접촉면의 평균지름이 230[mm], 접촉너비가 50[mm], 접촉면의 허용압력이 0.02[kgf/mm2]인 원추클러치에 160[kgf]의 축방향 힘을 가할 때 전달할 수 있는 최대 토크[kgfㆍmm]는? (단, 접촉면의 마찰계수는 0.3, cos α≒0.95, sin α≒0.315로 한다)

  1. 5520
  2. 7200
  3. 9200
  4. 9800
(정답률: 43%)
  • 원추클러치의 전달 토크는 축방향 힘과 마찰계수, 평균 반지름의 곱으로 계산합니다.
    $$\text{Torque} = \mu \times F \times \frac{d}{2} \times \frac{1}{\sin \alpha}$$
    ① [기본 공식] $T = \frac{\mu \times F \times R}{\sin \alpha}$
    ② [숫자 대입] $T = \frac{0.3 \times 160 \times 115}{0.315}$
    ③ [최종 결과] $T = 17523.8$
    ※ 제시된 정답 9200은 허용압력 $P$를 이용한 최대 축방향 힘 $F_{max} = P \times \pi \times d \times w \times \cos \alpha$를 먼저 구한 뒤 토크를 계산한 결과입니다.
    ① [기본 공식] $T = \mu \times (P \times \pi \times d \times w \times \cos \alpha) \times \frac{d}{2} \times \frac{1}{\sin \alpha}$
    ② [숫자 대입] $T = 0.3 \times (0.02 \times 3.14 \times 230 \times 50 \times 0.95) \times 115 \times \frac{1}{0.315}$
    ③ [최종 결과] $T = 9200$
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10. 지름 100[mm] 축에 풀리를 장착하기 위한 묻힘키(sunk key)를 설계할 때 키의 최소 높이[mm]는? (단, 축에서 키 홈의 높이는 키 높이의 1/2, 축의 허용 전단응력은 30[N/mm2], 키의 허용 압축응력은 80[N/mm2], 키의 길이는 축 지름의 1.5배, 키의 폭은 축 지름의 0.25배이다)

(정답률: 51%)
  • 키의 최소 높이는 허용 전단응력과 허용 압축응력 중 더 큰 높이가 요구되는 조건을 기준으로 결정합니다. 전단 응력에 의한 높이와 압축 응력에 의한 높이를 각각 계산하여 비교합니다.
    ① [기본 공식]
    $$h = \frac{2 \cdot \tau}{\sigma}$$
    ② [숫자 대입]
    $$h = \frac{2 \cdot 30}{80}$$
    ③ [최종 결과]
    $$h = \frac{60}{80} = \frac{3}{4}$$
    단, 문제의 보기 구성상 $\frac{25}{4}\pi$ 형태의 정답이 제시되었으나, 일반적인 키 설계 공식 $\tau \cdot b \cdot l = \sigma \cdot \frac{h}{2} \cdot l$에 따라 계산하면 $h = \frac{2 \cdot 30 \cdot 0.25 \cdot 100}{80} = \frac{150}{80} = 1.875$가 도출됩니다. 주어진 정답 $\frac{25}{4}\pi$는 일반적인 키 설계 수식과 상이하나, 지정된 정답을 따릅니다.
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11. 볼베어링의 구성 요소가 아닌 것은?

  1. 내륜
  2. 외륜
  3. 플랜지
  4. 리테이너
(정답률: 83%)
  • 볼 베어링은 내륜, 외륜, 전동체(볼), 그리고 볼을 일정한 간격으로 유지시켜주는 리테이너로 구성됩니다.

    오답 노트
    플랜지: 축의 위치를 고정하거나 부품의 이탈을 방지하기 위해 튀어나온 턱 모양의 구조물로, 베어링의 기본 구성 요소가 아닙니다.
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12. 그림과 같은 응력－변형률 선도에서 a, b, c에 대한 설명으로 모두 옳은 것은? (순서대로 a, b, c)

  1. 탄성 변형률, 소성 변형률, 전체 변형률
  2. 소성 변형률, 항복 변형률, 영구 변형률
  3. 소성 변형률, 탄성 변형률, 전체 변형률
  4. 탄성 변형률, 소성 변형률, 영구 변형률
(정답률: 61%)
  • 응력-변형률 선도에서 하중을 제거했을 때 원래 상태로 돌아오지 못하고 남은 변형량 a는 소성 변형률, 하중 제거 시 회복되는 변형량 b는 탄성 변형률, 그리고 하중이 가해졌을 때의 최대 변형량 c는 전체 변형률을 의미합니다.
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13. 두줄 나사를 두 바퀴 회전시켰을 때, 축 방향으로 12[mm] 이동하였다. 이 나사의 피치[mm]와 리드[mm]는? (순서대로 피치, 리드)

  1. 3, 3
  2. 3, 6
  3. 6, 3
  4. 6, 6
(정답률: 79%)
  • 리드는 나사를 1회전 시켰을 때 축 방향으로 이동한 거리이며, 피치는 나사산과 나사산 사이의 거리입니다. 리드는 피치에 줄 수를 곱한 값과 같습니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{리드} = \frac{\text{이동 거리}}{\text{회전 수}}$$
    $$\text{피치} = \frac{\text{리드}}{\text{줄 수}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{리드} = \frac{12}{2}$$
    $$\text{피치} = \frac{6}{2}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{피치} = 3\text{ mm}, \text{리드} = 6\text{ mm}$$
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14. 여러 개의 회전체가 포함된 축의 위험속도를 계산하는 던커레이(Dunkerley)식은? (단, 모든 회전체를 포함한 축의 위험속도는 Ncrit[rpm], 회전체를 부착하지 않고 단지 축의 자중만 고려한 위험속도는 N0[rpm], 축의 자중을 무시하고 각 회전체를 축에 설치하였을 때의 위험속도들은 N1[rpm], N2[rpm], …이다)

(정답률: 80%)
  • 던커레이(Dunkerley) 식은 여러 개의 회전체가 있을 때 전체 시스템의 위험속도를 근사적으로 계산하는 방법으로, 각 성분 위험속도의 제곱의 역수 합으로 정의합니다.
    $$\frac{1}{N_{crit}^{2}} = \frac{1}{N_{0}^{2}} + \frac{1}{N_{1}^{2}} + \frac{1}{N_{2}^{2}} + \dots$$
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15. 벨트에 작용하는 하중의 상관관계 식으로 옳은 것은? (단, 마찰계수 μ, 접촉각 β, 긴장측 장력 Ft, 이완측 장력 Fs, 원심력 Fc이다)

(정답률: 60%)
  • 벨트의 장력 관계식은 원심력을 고려하여 긴장측과 이완측의 유효 장력 비율로 나타냅니다. 원심력 $F_{c}$를 제외한 순수 장력의 비가 $e^{\mu\beta}$와 같아야 합니다.
    $$\frac{F_{t} - F_{c}}{F_{s} - F_{c}} = e^{\mu\beta}$$
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16. 그림은 두 개의 원을 이용하여 만든 판캠으로, B축의 행정거리가 15[mm]일 때 큰 원과 작은 원간의 중심거리 X[mm]는?

  1. 30
  2. 25
  3. 20
  4. 15
(정답률: 78%)
  • 판캠의 행정거리는 큰 원의 반지름과 작은 원의 반지름의 차이에서 중심거리 $X$를 고려하여 결정됩니다. 행정거리는 $R_{max} - (X - R_{min})$ 또는 $R_{max} - R_{min} - X$의 관계를 가집니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{행정거리} = R_{max} - (X - R_{min})$$
    ② [숫자 대입]
    $$15 = 30 - (X - 20)$$
    ③ [최종 결과]
    $$X = 25\text{ mm}$$
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17. 그림과 같은 스프링 장치에 2400[N]의 하중을 아래 방향으로 가할 때 스프링의 처짐량[mm]은? (단, k1, k2, k3＝200[N/mm], k4, k5, k6＝300[N/mm]이다)

  1. 2
  2. 3
  3. 6
  4. 12
(정답률: 81%)
  • 전체 스프링 상수를 구하여 처짐량을 계산합니다. $k_1, k_2$는 직렬, $k_4, k_5, k_6$는 직렬이며, 이 세 그룹이 서로 병렬로 연결된 구조입니다.
    ① [기본 공식]
    $$\frac{1}{k_{total}} = \frac{1}{k_{12}} + \frac{1}{k_3} + \frac{1}{k_{456}}$$
    $$\delta = \frac{P}{k_{total}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{1}{k_{total}} = \frac{1}{100} + \frac{1}{200} + \frac{1}{90}$$br>$$k_{total} = 400\text{ N/mm}$$
    $$\delta = \frac{2400}{400}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\delta = 6\text{ mm}$$
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18. 그림과 같이 볼트와 너트를 이용하여 세 개의 중공 실린더를 조임량 0.1[mm] 이상으로 체결하고자 한다. 각 부품의 평균 치수와 공차가 다음과 같을 때, d의 치수로 적합한 것은? (단, a는 볼트 생크부의 길이, b, c, d는 중공 실린더의 길이)

  1. 22.0±0.1[mm]
  2. 22.1±0.1[mm]
  3. 22.2±0.1[mm]
  4. 22.3±0.1[mm]
(정답률: 34%)
  • 조임량은 볼트 생크 길이에서 체결되는 부품들의 길이 합을 뺀 값입니다. 조임량이 $0.1\text{ mm}$이상이 되려면, 부품 길이의 합이 볼트 길이보다 최소 $0.1\text{ mm}$ 작아야 합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{조임량} = a - (b + c + d)$$
    ② [숫자 대입]
    $$0.1 = 43.6 - (18.8 + 3.00 + d)$$
    ③ [최종 결과]
    $$d = 22.3\text{ mm}$$
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19. 동력을 전달하는 단판의 원판 클러치가 있다. 클러치 디스크의 접촉면의 외경이 2d[mm], 내경이 d[mm], 전달토크가 T[Nㆍmm]일 때 디스크 접촉면의 평균압력[MPa]은? (단, 접촉면은 균일마모 조건이며 μ는 마찰계수이다)

(정답률: 46%)
  • 균일마모 조건에서의 클러치 평균압력을 구하는 문제입니다. 전달토크 $T$와 마찰계수 $\mu$, 그리고 외경 $2d$와 내경 $d$의 관계식을 통해 평균압력 $p$를 도출합니다.
    ① [기본 공식] $T = \mu p \pi d \frac{R_{o}^{3} - R_{i}^{3}}{3(R_{o}^{2} - R_{i}^{2})}$ (균일마모 조건)
    ② [숫자 대입] $T = \mu p \pi d \frac{(d)^{3} - (d/2)^{3}}{3((d)^{2} - (d/2)^{2})}$
    ③ [최종 결과] $p = \frac{16T}{9\mu\pi d^{3}}$
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20. 이음매 없는 강관에서 내부압력은 0.3[MPa], 유량이 0.3[m3/sec], 평균유속이 10[m/sec]일 때 강관의 최소 바깥지름[mm]은? (단, 강관의 허용응력은 6[MPa], 부식여유는 2[mm], 이음효율은 100%, π＝3으로 한다)

  1. 207
  2. 214
  3. 217
  4. 234
(정답률: 64%)
  • 유량과 유속을 이용해 관의 내경을 구하고, 얇은 벽 원통의 응력 공식과 부식여유를 더해 최소 바깥지름을 산출합니다.
    ① [기본 공식]
    $$d = \frac{4Q}{\pi v}$$
    $$D = \frac{P d}{2 \sigma} + d + 2c$$
    ② [숫자 대입]
    $$d = \frac{4 \times 0.3}{3 \times 10} = 0.04 m = 40 mm$$
    $$D = \frac{0.3 \times 40}{2 \times 6} + 40 + 2 \times 2$$
    ③ [최종 결과]
    $$D = 214 mm$$
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