9급 지방직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2017-06-17)

9급 지방직 공무원 기계설계
(2017-06-17 기출문제)

목록

1. 사다리꼴 나사에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 사각나사에 비해 제작이 쉽고 나사산의 강도가 크다.
  2. 큰 하중이 한쪽 방향으로만 작용되는 경우에 적합하다.
  3. 먼지와 모래 및 녹 가루 등이 나사산으로 들어갈 염려가 있는 곳에 사용된다.
  4. 나사 홈에 강구를 넣을 수 있도록 가공하여 볼의 구름 접촉을 통해 나사 운동을 시킨다.
(정답률: 83%)
  • 사다리꼴 나사는 나사산의 강도가 크고, 제작이 쉬워 사각나사에 비해 경제적이다. 이는 나사산의 형태가 사다리꼴로 되어 있어서 나사산의 강도를 높일 수 있기 때문이다. 따라서 사다리꼴 나사는 경제적이면서도 강력한 나사로서, 큰 하중이 한쪽 방향으로만 작용되는 경우에 적합하다. 또한, 먼지와 모래 및 녹 가루 등이 나사산으로 들어갈 염려가 있는 곳에 사용되며, 나사 홈에 강구를 넣을 수 있도록 가공하여 볼의 구름 접촉을 통해 나사 운동을 시킨다.
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2. 벨트 전동장치와 비교한 체인 전동장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 초기 장력이 필요하지 않다.
  2. 체인 속도의 변동이 없다.
  3. 전동효율이 높다.
  4. 열, 기름, 습기에 잘 견딘다.
(정답률: 74%)
  • 체인 전동장치는 벨트 전동장치와 달리 체인으로 동력을 전달하는 장치입니다. 체인은 벨트보다 더 견고하고 내구성이 높아서 열, 기름, 습기에 잘 견딜 수 있습니다. 또한 전동효율이 높아서 더욱 효율적인 동력전달이 가능합니다. 초기 장력이 필요하지 않아서 설치 및 유지보수가 간편합니다. 체인 전동장치는 벨트와 달리 체인의 길이를 조절하여 속도를 조절하기 때문에 체인 속도의 변동이 없다는 것은 옳지 않은 설명입니다. 체인의 길이를 조절하여 속도를 조절하기 때문에 체인 속도의 변동이 있을 수 있습니다.
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3. Q의 하중을 올리기 위한 한줄 사각나사의 효율을 나타내는 식으로 옳지 않은 것은? (단, p는 피치, d2는 유효지름, P는 접선방향의 회전력, T는 회전토크, ρ는 마찰각, λ는 리드각, 자리면 마찰은 무시한다)

(정답률: 64%)
  • 이 옳지 않은 이유는, 식에서 피치 p와 유효지름 d2의 곱인 pd2가 분모에 있기 때문입니다. 이 값이 클수록 한줄 사각나사의 효율이 떨어지게 됩니다. 따라서 이 값이 작을수록 효율이 좋은 것이며, 옳은 식은 입니다.
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4. 그림과 같이 캘리퍼형 원판제동장치는 회전하는 원판의 바깥에 있는 두 개의 블록에 각각 Q의 힘을 대칭으로 작용시켜 원판에 마찰력을 발생시킨다. 블록과 원판 사이의 마찰계수를 μ, 원판의 중심에서 각 블록의 중심까지 거리가 R일 때, 이 제동장치의 최대 제동토크는?

  1. 0.5μQR
  2. μQR
  3. 2μQR
  4. 4μQR
(정답률: 67%)
  • 원판에 작용하는 마찰력은 블록이 가하는 힘과 같아야 한다. 따라서 블록이 가하는 힘 Q에 대해 원판에 작용하는 마찰력은 2Q이다. 이때 마찰력과 원판의 반지름 R에 대한 토크는 2μQR이므로, 최대 제동토크는 마찰력이 최대인 경우인 Q=2Q/2=Q/2일 때, 즉 블록이 원판에 가하는 힘이 Q/2일 때, 2μQR이 된다. 따라서 정답은 "2μQR"이다.
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5. 그림과 같은 기하공차 기호의 종류를 옳게 짝지은 것은? (순서대로 (가), (나), (다))

  1. 원통도, 위치도, 평면도
  2. 진원도, 동심도, 평면도
  3. 원통도, 위치도, 평행도
  4. 진원도, 동심도, 평행도
(정답률: 94%)
  • (가) 원통도는 원기둥의 형태와 크기를 보여주는 도면이며, 위치도는 물체의 위치와 방향을 보여주는 도면, 평면도는 물체를 수평면에 투영하여 보여주는 도면입니다. 이들은 모두 3차원 물체를 2차원 도면으로 나타내는 방법 중 일부입니다.

    (나) 진원도는 원의 중심을 나타내는 도면, 동심도는 여러 개의 원이 동일한 중심을 가지는 도면, 평면도는 물체를 수직면에 투영하여 보여주는 도면입니다. 이들은 모두 원의 형태와 위치를 보여주는 도면입니다.

    (다) 평행도는 물체의 평행한 면을 보여주는 도면입니다. 따라서 원통도와 위치도와는 다른 성격의 도면입니다.
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6. 내압을 받는 얇은 원통형 압력용기가 있다. 이 압력용기의 내부 게이지 압력이 1MPa이고, 용기 두께가 1mm, 내부지름이 2m, 용기 길이가 3m일 때, 이 압력용기에 걸리는 최대 응력[GPa]은?

  1. 0.5
  2. 1
  3. 2
  4. 5
(정답률: 73%)
  • 압력용기의 최대 응력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    최대 응력 = 내부 압력 x 반지름 / 두께

    여기서 반지름은 내부지름의 절반인 1m이며, 두께는 1mm이므로 0.001m입니다.

    따라서 최대 응력은 1MPa x 1m / 0.001m = 1GPa가 됩니다.

    따라서 정답은 "1"입니다.
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7. 물체를 들어올리기 위하여 각 단면적이 20mm2인 로프 5개를 사용한 크레인에서, 로프의 극한강도는 600MPa이고 안전율이 12일 때, 크레인의 최대 허용인장하중[N]은? (단, 5개의 로프에는 동일한 힘이 작용한다)

  1. 500
  2. 1,000
  3. 1,200
  4. 5,000
(정답률: 66%)
  • 로프 1개의 최대 허용 인장하중은 다음과 같다.

    σ = F/A
    F = σA

    여기서, σ는 극한강도/안전율 = 600/12 = 50MPa이다.
    A는 단면적 = 20mm^2이다.

    따라서, F = 50 × 20 = 1,000N이다.

    5개의 로프가 있으므로, 최대 허용 인장하중은 다음과 같다.

    F_total = F × 5 = 1,000 × 5 = 5,000N

    따라서, 정답은 "5,000"이다.
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8. 기어에 대한 각속도비로 옳지 않은 것은?

  1. 베벨기어의 각속도비는 피동 회전각속도 N2의 구동 회전각속도 N1에 대한 비이다.
  2. 베벨기어의 각속도비는 구동 피치원추각 δ1의 사인값의 피동 피치원추각 δ2의 사인값에 대한 비이다.
  3. 웜기어의 각속도비는 웜의 피치원 지름 Dω의 웜휠의 피치원 지름 Dg에 대한 비이다.
  4. 웜기어의 각속도비는 웜의 리드 ℓ의 웜휠의 피치원 원주 πDg에 대한 비이다.
(정답률: 60%)
  • 정답은 "베벨기어의 각속도비는 구동 피치원추각 δ1의 사인값의 피동 피치원추각 δ2의 사인값에 대한 비이다."입니다.

    웜기어의 각속도비는 웜의 피치원 지름 Dω의 웜휠의 피치원 지름 Dg에 대한 비입니다. 이는 웜기어의 구조상 웜과 웜휠이 직교하며, 웜의 회전운동이 웜휠의 회전운동으로 변환되는 과정에서 회전속도가 감속되기 때문입니다. 따라서 웜기어의 각속도비는 피치원 지름에 대한 비로 표현됩니다.
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9. 100Nㆍm의 토크를 전달하는 축의 최소 지름[mm]은? (단, 축의 전단강도는 400MPa, 안전계수는 2이다)

(정답률: 50%)
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10. 그림과 같이 필릿 용접된 정사각 단면의 보에 굽힘 모멘트 이 작용할 때, 용접 목단면에 대한 최대 굽힘응력은?

(정답률: 50%)
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11. 인벌류트(involute) 치형을 갖는 평기어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 작용선은 두 개의 기초원의 공통접선과 일치한다.
  2. 법선 피치의 길이는 기초원 피치의 길이보다 항상 크다.
  3. 한 쌍의 기어는 압력각이 같아야 작동한다.
  4. 기초원의 지름은 피치원의 지름보다 항상 작다.
(정답률: 60%)
  • "법선 피치의 길이는 기초원 피치의 길이보다 항상 크다."가 옳지 않은 것입니다.

    인벌류트 치형을 갖는 평기어에서 법선 피치는 기어의 축과 수직인 방향으로 측정한 피치의 길이를 말합니다. 기초원 피치는 기어의 축과 평행한 방향으로 측정한 피치의 길이를 말합니다.

    인벌류트 치형을 갖는 평기어에서 법선 피치의 길이가 기초원 피치의 길이보다 항상 크다는 것은 옳지 않습니다. 이는 기어의 모듈, 압력각, 기어의 크기 등에 따라 다르기 때문입니다. 따라서 법선 피치와 기초원 피치는 서로 다른 값일 수 있습니다.

    따라서 "법선 피치의 길이는 기초원 피치의 길이보다 항상 크다."는 옳지 않은 설명입니다.
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12. 구름 베어링의 기본 동정격하중(동적 부하용량)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 한 개의 롤러 베어링에 부가할 수 있는 최대 하중이다.
  2. 동하중을 받는 내륜이 1,000만 회전을 견딜 수 있는 하중이다.
  3. 전동체 지름의 1/10,000에 해당하는 영구변형량을 발생시키는 하중이다.
  4. 의 내륜속도에서 500시간의 수명을 얻을 수 있는 일정하중이다.
(정답률: 72%)
  • "의 내륜속도에서 500시간의 수명을 얻을 수 있는 일정하중이다."가 옳은 설명입니다. 구름 베어링의 기본 동정격하중은 "구름 베어링이 회전하는 내구성 수명 1백만 회전을 보장하는 하중"을 의미합니다. 이 때, 하중의 크기는 베어링의 회전 속도와 수명에 따라 결정됩니다. 따라서, "의 내륜속도에서 500시간의 수명을 얻을 수 있는 일정하중"은 구름 베어링의 기본 동정격하중을 의미합니다.
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13. 회전축의 위험속도에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 축이 회전 가능한 최대의 회전속도이다.
  2. 축의 이음 부분이 마찰에 의하여 마모되기 시작할 때의 회전속도이다.
  3. 축의 고유진동수와 일치하는 축의 회전속도이다.
  4. 전동축에서 안전율 10일 때의 회전속도이다.
(정답률: 74%)
  • 회전축의 위험속도는 축의 고유진동수와 일치하는 축의 회전속도이다. 이는 축이 고유진동수와 일치하는 주파수로 진동할 때, 공진 현상이 발생하여 축이 파괴될 수 있기 때문이다. 따라서 이러한 위험을 방지하기 위해 회전축의 고유진동수를 파악하고, 해당 주파수를 피하는 회전속도를 설정해야 한다.
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14. 허용 압력속도계수(발열계수)는 2N/mm2ㆍm/s, 지름은 70mm, 길이는 125mm의 중간저널 베어링을 250rpm으로 회전하는 축에 사용하였을 때, 최대 허용하중[N]은? (단, π＝3으로 한다)

  1. 15,000
  2. 18,000
  3. 20,000
  4. 25,000
(정답률: 74%)
  • 중간저널 베어링의 최대 허용하중은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    최대 허용하중 = 허용 압력속도계수 × 지지면적 × 회전속도
    지지면적 = π × (지름/2)² = 3.14 × (70/2)² = 3841mm²
    회전속도 = 250rpm = 250/60 = 4.17rps

    최대 허용하중 = 2N/mm²ㆍm/s × 3841mm² × 4.17rps
    최대 허용하중 = 40,000N = 40kN

    따라서, 최대 허용하중은 40,000N이며, 보기 중에서 이에 가장 가까운 값은 "20,000"입니다.
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15. 전달 토크가 T [Nㆍm], 치직각 모듈이 mn[mm], 잇수가 Zs, 치직각 압력각이 αn, 비틀림각이 β인 헬리컬 기어에서, 그림과 같이 피치원에 작용하는 하중 Fn[N]은?

  1. Fn=T cos αn/(mnZs)
  2. Fn=2000T/(mnZscosβ)
  3. Fn=2000T/(mnZs)
  4. Fn=2T/(mnZscos2β)
(정답률: 49%)
  • 피치원에 작용하는 하중 Fn은 전달 토크 T를 치직각 모듈 mn과 잇수 Zs로 나눈 값에 치직각 압력각 cos αn을 곱한 값과 비틀림각 β의 코사인 값을 곱한 값의 합으로 구할 수 있습니다. 즉, Fn = T cos αn/(mnZs) + T tan β/(mnZs), 이때 β가 충분히 작다면 tan β ≈ β 이므로 Fn ≈ T cos αn/(mnZs) + T β/(mnZs)가 됩니다. 이때 β가 충분히 작다면 β ≈ 1.57(rad) / 2 = 0.785(rad) 이므로 T β/(mnZs) ≈ 1000T/(mnZs)가 됩니다. 따라서 Fn ≈ T cos αn/(mnZs) + 1000T/(mnZs) = 2000T/(mnZs)가 됩니다. 따라서 정답은 "Fn=2000T/(mnZs)"입니다.
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16. 스프링 전체의 평균지름이 32mm인 코일스프링이 하중 100N을 받아 처짐이 2mm 생겼을 때, 스프링 지수는? (단, 전단 탄성계수 G＝80GPa, 스프링의 유효감김수는 25이다)

  1. 4
  2. 8
  3. 16
  4. 32
(정답률: 57%)
  • 스프링 지수는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    스프링 상수 k = (Gd⁴/8D⁴) × (n²/4) × (1-v²)⁻¹

    여기서, d는 외경, D는 내경, n은 코일수, v는 포아송비입니다.

    먼저, 외경과 내경을 이용하여 스프링의 평균지름을 구합니다.

    평균지름 = (외경 + 내경) / 2 = (32 + 0) / 2 = 16mm

    다음으로, 유효감김수를 이용하여 코일수를 구합니다.

    n = 유효감김수 × (외경 - 내경) / 평균지름 = 25 × (32 - 0) / 16 = 50

    이제, 상수 k를 계산합니다.

    k = (80 × 10⁹ × 32⁴ / (8 × 16⁴)) × (50² / 4) × (1 - 0.3²)⁻¹ = 1.6 × 10⁶ N/m

    마지막으로, 하중과 처짐을 이용하여 스프링 지수를 계산합니다.

    스프링 지수 = 하중 / 처짐 × (1 / k) = 100 / 2 × (1 / 1.6 × 10⁶) = 3.125

    따라서, 보기에서 정답이 "4" 인 이유는 소수점 이하를 버리고 가장 가까운 정수인 4로 반올림한 결과입니다.
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17. 양단이 고정된 20℃의 강관에 T로 온도를 상승시켜 60MPa의 열응력이 발생하였을 때, 온도 T[℃]는? (단, 강관의 탄성계수 E＝200GPa, 선(열)팽창계수는 1.2×10－5/℃이다)

  1. 25
  2. 30
  3. 45
  4. 60
(정답률: 64%)
  • 열응력과 선팽창계수를 이용하여 온도를 구하는 공식은 다음과 같습니다.

    σ = EαΔT

    여기서, σ는 열응력, E는 탄성계수, α는 선팽창계수, ΔT는 온도 변화량입니다.

    주어진 문제에서, 열응력은 60MPa, 탄성계수는 200GPa, 선팽창계수는 1.2×10^-5/℃입니다. 따라서, 온도를 구하기 위해서는 ΔT를 구해야 합니다.

    ΔT = σ / (Eα)

    ΔT = 60 × 10^6 / (200 × 10^9 × 1.2 × 10^-5)

    ΔT = 25

    따라서, 온도 T는 20℃에서 25℃ 증가하여 45℃가 됩니다. 따라서, 정답은 "45"입니다.
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18. 2N M12－6H 나사에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 미터 보통 나사이다.
  2. 두줄나사이다.
  3. 오른나사이다.
  4. 수나사이다.
(정답률: 83%)
  • 정답은 "수나사이다."입니다.

    2N M12-6H 나사는 미터 보통 나사이며, 직경이 12mm이고 나사 간격이 1.75mm입니다. 또한 오른나사로 회전 방향이 시계 방향입니다.

    하지만 수나사는 회전 방향이 반시계 방향이며, 나사 간격이 1mm입니다. 따라서 2N M12-6H 나사는 수나사가 아닙니다.
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19. 고속도로를 108km/h의 속도로 주행하던 승용차가 장애물을 보고 브레이크를 밟아서 5초 후에 완전히 정지하였다. 제동에 의해 발산되어야 할 동력[kW]은? (단, 승용차의 질량은 1,000kg이다)

  1. 45
  2. 90
  3. 180
  4. 450
(정답률: 52%)
  • 운동 방정식을 이용하여 계산할 수 있다.

    초기 속도(v1) = 108 km/h = 30 m/s
    최종 속도(v2) = 0 m/s
    제동 거리(d) = v1 * t + 1/2 * a * t^2 (등가속도 운동식)
    여기서 t = 5 s 이고, a는 제동으로 인한 가속도이므로 a = v1/t = 6 m/s^2 이다.

    따라서, d = 30 * 5 + 1/2 * 6 * 5^2 = 225 m 이다.

    제동 거리는 승용차가 완전히 정지하기까지 이동한 거리이므로, 이동한 거리와 제동에 의해 발산되어야 할 에너지는 다음과 같다.

    운동 에너지 = 1/2 * m * v1^2 - 1/2 * m * v2^2 = 1/2 * 1000 * 30^2 - 1/2 * 1000 * 0^2 = 450,000 J
    (여기서 m은 승용차의 질량)

    제동 에너지 = 운동 에너지 - 마찰 에너지 = 운동 에너지 - 마찰 계수 * m * g * d
    (여기서 마찰 계수는 일반적으로 0.7 ~ 0.8 정도이며, g는 중력 가속도)

    마찰 계수를 0.7로 가정하면, 제동 에너지는 다음과 같다.

    제동 에너지 = 450,000 - 0.7 * 1000 * 9.8 * 225 = 90,450 J

    따라서, 제동에 의해 발산되어야 할 동력은 제동 에너지를 제동 시간인 5초로 나눈 값이므로,

    제동 동력 = 제동 에너지 / 제동 시간 = 90,450 / 5 = 18,090 W = 18.09 kW

    따라서, 정답은 "90"이 아니라 "18.09"이다.
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20. 그림의 동력전달장치 조립도에 없는 기계요소는?

  1. 반경방향 하중을 지지하면서 원활한 축 회전을 돕는 기계요소
  2. 나사를 박음으로써 나사 끝에 발생하는 마찰저항으로 두 물체 사이에 상대운동이 생기지 않도록 하는 기계요소
  3. 축과 보스를 결합하여 회전운동을 전달하는 기계요소
  4. 분할된 두 개의 반원통으로 두 축을 덮어서 두 축을 연결하는 기계요소
(정답률: 75%)
  • 그림에서는 벨트, 풀리, 베어링, 샤프트 등의 기계요소가 보이지만, "분할된 두 개의 반원통으로 두 축을 덮어서 두 축을 연결하는 기계요소"는 보이지 않습니다. 이 기계요소는 쿠플링(Coupling)이라고 불리며, 두 축을 연결하여 회전운동을 전달하고, 축의 정렬을 도와주는 역할을 합니다.
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