9급 지방직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2017-12-16)

9급 지방직 공무원 기계설계
(2017-12-16 기출문제)

목록

1. 직선 배관에서 관의 지름을 변화시키거나 길이를 연장할 때 사용하는 파이프 이음쇠는?

  1. 티(T)
  2. 소켓
  3. 엘보
  4. 크로스
(정답률: 86%)
  • 파이프 이음쇠 중에서도 소켓은 직선 배관에서 관의 지름을 변화시키거나 길이를 연장할 때 사용하는 이음쇠입니다. 소켓은 파이프의 한쪽 끝이 열려있고 다른 쪽 끝이 파이프와 같은 지름으로 된 원통형 구조물입니다. 파이프를 소켓에 밀어넣어 연결하면 파이프가 안정적으로 고정되며 누출이나 떨어짐을 방지할 수 있습니다.
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2. 용접에서 용접부의 변형과 잔류응력을 완화하기 위한 방법으로 옳지 않은 것은?

  1. 냉각 후 수축이 예상되는 곳에 미리 인장력을 가한다.
  2. 맞대기면의 경사각을 키워서 수축각을 줄인다.
  3. 용접부 주위를 미리 고르게 예열한다.
  4. 용접부를 풀림 열처리한다.
(정답률: 70%)
  • 맞대기면의 경사각을 키워서 수축각을 줄이는 것은 옳은 방법입니다. 이는 맞대기면의 경사각이 커질수록 용접부의 수축이 감소하기 때문입니다. 경사각이 크면 용접부가 수축할 때 덜 굽어지기 때문에 잔류응력이 줄어들게 됩니다.
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3. 미터보통나사 호칭 M16을 옳게 설명한 것은?

  1. 암나사 골지름 16mm
  2. 암나사 유효지름 16mm
  3. 수나사 골지름 16mm
  4. 수나사 유효지름 16mm
(정답률: 63%)
  • 미터보통나사 호칭 M16은 암나사 골지름이 16mm인 나사를 의미합니다. 암나사는 나사의 형태 중 하나로, 나사의 끝 부분이 외부로 돌출되어 있는 형태를 말합니다. 따라서 암나사 골지름이 16mm인 것은, 나사 끝 부분이 16mm의 지름을 가지고 있다는 것을 의미합니다. 유효지름은 나사의 내부 지름을 의미하는 것이므로, 암나사의 경우에는 해당되지 않습니다. 수나사는 나사의 끝 부분이 내부로 파여있는 형태를 말하며, 골지름과 유효지름 모두 해당될 수 있습니다. 하지만 M16은 암나사를 의미하므로, 수나사는 해당되지 않습니다.
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4. 길이가 1.0m이고 단면적이 100cm2인 봉에 1,000N의 인장하중이 축 방향으로 작용할 때, 이 봉이 하중 방향으로 늘어난 길이[cm]는? (단, 봉은 탄성 변형하며, 세로탄성계수는 1.0×104N/cm2이다)

  1. 0.1
  2. 0.5
  3. 1
  4. 5
(정답률: 72%)
  • 먼저, 봉의 탄성 변형에 대한 식을 살펴보면 다음과 같습니다.

    ΔL = FL/EA

    여기서, ΔL은 봉의 늘어난 길이, F는 인장하중, L은 봉의 길이, E는 세로탄성계수, A는 단면적을 나타냅니다.

    따라서, 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    ΔL = (1000N) x (100cm) / (1.0×10^4 N/cm^2 x 100cm^2) = 0.1cm

    따라서, 봉이 하중 방향으로 늘어난 길이는 0.1cm이 됩니다.
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5. 볼베어링의 수명시간 Lh와 베어링에 작용하는 동등가하중 P에 대한 관계로 옳은 것은?

  1. Lh는 P의 10/3승에 반비례한다.
  2. Lh는 P의 3승에 반비례한다.
  3. Lh는 P의 3승에 비례한다.
  4. Lh는 P의 10/3승에 비례한다.
(정답률: 84%)
  • 정답은 "Lh는 P의 3승에 반비례한다."입니다.

    볼베어링의 수명시간 Lh은 베어링에 작용하는 동등하중 P에 따라 달라집니다. 일반적으로 베어링의 수명시간은 베어링에 작용하는 동등하중의 크기에 따라 감소합니다. 이는 베어링에 작용하는 하중이 커질수록 베어링 내부의 부품들이 더 많은 응력을 받게 되어 더 빠르게 마모되기 때문입니다.

    수학적으로는 Lh ∝ P-3으로 표현할 수 있습니다. 이는 베어링에 작용하는 동등하중 P가 2배가 되면 베어링의 수명시간 Lh은 23 = 8배 감소한다는 것을 의미합니다. 따라서 베어링의 수명을 연장하기 위해서는 베어링에 작용하는 하중을 최소화하는 것이 중요합니다.
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6. 얇은 판재의 한 줄 리벳이음 설계에서 고려해야 할 내용으로 옳지 않은 것은?

  1. 리벳구멍에서 판재가 받게 될 압축응력의 크기는 리벳의 지름 d에 비례한다.
  2. 전체 리벳의 전단저항력과 구멍 부분을 제외한 판의 인장저항력이 같도록 설계한다.
  3. 리벳의 전단저항력과 해당 리벳구멍에서 판재의 압축저항력이 같도록 설계한다.
  4. 마진 e가 작을 경우, 판 끝이 리벳에 의해 갈라져 파괴될 수 있다.
(정답률: 57%)
  • "전체 리벳의 전단저항력과 구멍 부분을 제외한 판의 인장저항력이 같도록 설계한다."는 옳은 내용이므로 제외합니다.

    "리벳의 전단저항력과 해당 리벳구멍에서 판재의 압축저항력이 같도록 설계한다."는 옳은 내용입니다. 리벳은 전단저항력을 가지고 있으며, 이는 리벳이 단단한 재질로 만들어져 있기 때문입니다. 따라서 리벳과 판재 사이에서는 압축저항력이 발생하게 되는데, 이 압축저항력은 리벳의 지름 d에 비례합니다.

    따라서 "리벳구멍에서 판재가 받게 될 압축응력의 크기는 리벳의 지름 d에 비례한다."가 옳은 내용입니다.

    마지막으로 "마진 e가 작을 경우, 판 끝이 리벳에 의해 갈라져 파괴될 수 있다."는 얇은 판재의 한 줄 리벳이음 설계에서 고려해야 할 내용 중 하나입니다. 마진 e는 리벳과 판재 사이의 간격을 의미하며, 이 간격이 작을 경우 리벳이 판재를 갈라져 파괴될 수 있습니다. 따라서 마진 e는 충분한 크기로 유지해야 합니다.
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7. 굽힘모멘트 M과 비틀림모멘트 T를 동시에 받고 있는 원형축에서 M:T=4:3일 때, 축에 발생하는 최대굽힘응력 σamx와 최대전단응력 τamx의 비(σamx/τamx)는?

  1. 9/10
  2. 10/9
  3. 9/5
  4. 5/9
(정답률: 38%)
  • 원형축에서의 최대굽힘응력과 최대전단응력은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    최대굽힘응력 : σamx = M*c / I
    최대전단응력 : τamx = T*c / J

    여기서 c는 원형축의 반지름, I는 균일단면 2차 모멘트, J는 폴라 단면 2차 모멘트입니다.

    문제에서 M:T=4:3 이므로, M을 4x, T를 3x로 가정할 수 있습니다. 따라서 M+T=7x입니다.

    원형축에서의 최대전단응력과 최대굽힘응력이 동시에 발생하므로, 최대전단응력과 최대굽힘응력의 비는 다음과 같습니다.

    σamx/τamx = (M*c/I) / (T*c/J)
    = (M/J) / (T/I)
    = (4x/J) / (3x/I)
    = 4I / 3J

    여기서 I와 J는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    I = π*r^4 / 4
    J = 2*I

    따라서,

    σamx/τamx = 4I / 3J
    = 4(π*r^4/4) / 3(2*π*r^4/4)
    = 2/3

    따라서, 정답은 9/5가 아닌 5/9입니다.
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8. 너클 핀 이음을 이용하여 1,000N의 인장하중을 받는 2개의 축을 연결하고자 한다. 핀과 접촉하는 아이(eye)의 폭은 핀 지름의 2배이다. 핀의 접촉면압이 20MPa일 때 핀의 지름[mm]은?

  1. 5.0
  2. 7.5
  3. 8.0
  4. 10.0
(정답률: 52%)
  • 접촉면압은 압력과 면적의 곱으로 계산할 수 있으므로, 핀의 지름을 D라고 하면 아이의 폭은 2D이다. 따라서 접촉면적은 2D×D×π/4 = D²π/2 이다. 이 때, 접촉면압이 20MPa이므로 인장하중 F를 받는 면적은 다음과 같다.

    F = 20 × D²π/2
    1,000 = 20 × D²π/2
    D² = 1,000/(10π)
    D² ≈ 31.83
    D ≈ 5.64

    따라서 핀의 지름은 약 5.64mm이다. 보기에서 가장 가까운 값은 5.0mm이므로 정답은 5.0이다.
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9. 롤러체인의 스프로킷 휠(sprocket wheel)의 잇수를 라 할 때, 체인의 속도변동률을 나타낸 식은?

(정답률: 78%)
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10. 축과 구멍의 끼워맞춤에서 구멍 치수를 ø50H7로 하여 구멍기준 헐거운 끼워맞춤으로 축을 설계할 때, 축의 치수로 가장 적합한 것은?

  1. ø50f7
  2. ø50js7
  3. ø50m5
  4. ø50r6
(정답률: 77%)
  • H7은 국제표준화기구(ISO)에서 정한 규격으로, 일반적인 기계부품의 공차 범위 중 하나입니다. 따라서 구멍의 치수를 ø50H7로 정하면, 이에 맞는 축의 치수는 ø50f7이 가장 적합합니다. f7은 H7과 동일한 공차 범위를 가지며, 가공이 용이하고 정확도가 높기 때문입니다. 따라서 ø50f7이 가장 적합한 축의 치수입니다.
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11. 지름 400mm의 원통 마찰차가 회전속도 300rpm으로 5PS을 전달하고 있을 때, 원통 마찰차의 원주속도[m/s]는? (단, π＝3.0으로 한다)

  1. 1.5
  2. 3.0
  3. 4.5
  4. 6.0
(정답률: 62%)
  • 원주는 지름과 π를 곱한 값이므로, 원주 = 400 × 3.0 = 1200mm = 1.2m 이다. 회전속도는 분당 회전수를 나타내므로, 300rpm은 300/60 = 5회전/초 이다. 따라서, 원주속도는 회전속도와 원주를 곱한 값이므로, 5 × 1.2 = 6.0m/s 이다. 따라서, 정답은 "6.0" 이다.
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12. 치공구 설계에 대한 기본 원칙으로 옳지 않은 것은?

  1. 중요 구성 부품은 표준 규격품을 사용할 것
  2. 충분한 강도를 유지하되 경량화 설계할 것
  3. 가능한 한 정밀한 공차를 유지할 것
  4. 치공구 본체는 칩과 절삭유가 배출될 수 있도록 설계할 것
(정답률: 53%)
  • "가능한 한 정밀한 공차를 유지할 것"이 옳지 않은 이유는, 치공구 설계에서 공차는 제품의 사용 목적과 필요한 정밀도에 따라 다르기 때문입니다. 따라서 가능한 한 정밀한 공차를 유지할 것이라는 원칙은 필요하지 않을 수도 있습니다. 예를 들어, 일부 제품은 공차가 크더라도 기능상 문제가 없을 수 있습니다. 따라서 공차는 제품의 사용 목적과 필요한 정밀도를 고려하여 적절하게 결정해야 합니다.
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13. 얇은 두께 강판의 원통 압력용기 설계에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 부식 여유를 고려하여 최소 강판 두께를 선정한다.
  2. 이음효율이 높을수록 최소 강판 두께가 얇아진다.
  3. 최소 강판 두께는 원주방향 응력을 기준으로 결정한다.
  4. 강판 두께와 작용 압력이 일정할 때 용기 안지름이 클수록 발생 응력이 작다.
(정답률: 65%)
  • "강판 두께와 작용 압력이 일정할 때 용기 안지름이 클수록 발생 응력이 작다."는 옳은 설명이다. 이는 용기 안지름이 클수록 내부 압력이 고르게 분포되기 때문에 발생 응력이 작아지기 때문이다. 따라서 이 보기는 옳은 설명이다.

    하지만 다른 보기들은 모두 옳은 설명이다.

    - "부식 여유를 고려하여 최소 강판 두께를 선정한다." : 부식이나 마모 등의 손상을 고려하여 강판 두께를 결정한다.
    - "이음효율이 높을수록 최소 강판 두께가 얇아진다." : 이음효율이 높을수록 강판을 연결하는 부분에서의 응력이 감소하기 때문에 최소 강판 두께가 얇아질 수 있다.
    - "최소 강판 두께는 원주방향 응력을 기준으로 결정한다." : 원주방향 응력이 가장 큰 부분을 기준으로 강판 두께를 결정한다.
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14. 헬리컬기어에서 실제 기어 잇수 Zs, 틀림 각 β라 할 때, 상당 평기어 잇수 Ze는?

  2. Zscos3β
  4. Zscosβ
(정답률: 74%)
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15. 기어의 치형 중 인벌류트 치형에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 마멸이 균일하다.
  2. 사이클로이드 치형에 비하여 조립이 어렵다.
  3. 기어를 가공하는 랙(rack) 공구의 치형은 직선이다.
  4. 맞물린 기어 간 중심거리의 미세 변화에 따라 속도비가 크게 달라진다.
(정답률: 55%)
  • 기어를 가공하는 랙(rack) 공구는 기어의 치형을 만들기 위해 사용되며, 이 공구의 치형은 직선이다. 이는 기어의 치형을 만들기 위해 기어와 랙 공구가 맞물려야 하기 때문에 직선 치형이 가장 적합하다는 이유에서이다.
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16. 지름 d인 소선을 감아 제작한 스프링 평균지름 D인 압축 코일스프링이 있다. 이 코일스프링의 유효 감김수를 2배로 증가시켰을 때의 처짐량을 δ1, 소선의 지름을 2배로 증가시켰을 때의 처짐량을 δ2라 할 때, δ1/δ2의 값은?

  1. 1/23
  2. 1/16
  3. 16
  4. 32
(정답률: 74%)
  • 스프링 상수 k는 다음과 같이 표현된다.

    k = Gd⁴ / (8D³n)

    여기서 G는 탄성계수, d는 소선 지름, D는 평균 지름, n은 감긴 수이다.

    감긴 수를 2배로 증가시키면 k는 2배가 된다.

    따라서,

    k' = Gd⁴ / (8D³(2n)) = Gd⁴ / (16D³n)

    소선 지름을 2배로 증가시키면 k는 16배가 된다.

    따라서,

    k'' = G(2d)⁴ / (8D³n) = 16Gd⁴ / (8D³n) = 2Gd⁴ / (D³n)

    처짐량은 다음과 같이 표현된다.

    δ = F / k

    감긴 수를 2배로 증가시키면 k는 2배가 되므로, 처짐량은 1/2배가 된다.

    따라서,

    δ₁ / δ₂ = 1/2 × k'' / k = 1/2 × (2Gd⁴ / (D³n)) / (Gd⁴ / (16D³n)) = 32

    따라서, 정답은 "32"이다.
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17. 그림과 같이 지름 40mm인 두 축이 플랜지커플링에 의해 연결되어 최대 9,600kgfㆍmm의 토크를 전달한다. 커플링이 허용전단응력 2kgf/mm2인 M5 볼트로 체결되어 있을 때, 토크 전달에 필요한 볼트의 최소 개수는? (단, 전달동력 계산은 볼트의 전단강도만 고려하고, π＝3.0, M5 볼트 나사부 골지름은 4.0mm로 한다)

  1. 3
  2. 4
  3. 5
  4. 6
(정답률: 50%)
  • 토크 전달에 필요한 볼트의 최소 개수는 전달되는 토크를 버틸 수 있는 볼트의 전단강도를 넘지 않는 것이다. 볼트의 전단강도는 2kgf/mm2이므로, 전달되는 토크를 버틸 수 있는 볼트의 최소 개수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    전달되는 토크 = (π/16) × 전단강도 × 볼트 골지름3 × 볼트 개수
    9600 kgfㆍmm = (π/16) × 2 kgf/mm2 × 4.0mm3 × 볼트 개수
    볼트 개수 = 5

    따라서, 토크 전달에 필요한 볼트의 최소 개수는 5개이다.
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18. 유체마찰 상태에 있는 동심 원통 미끄럼베어링의 마찰계수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 유막의 두께가 증가하면 마찰계수는 증가한다.
  2. 윤활유의 점도가 증가하면 마찰계수는 증가한다.
  3. 베어링 압력이 증가하면 마찰계수는 감소한다.
  4. 축의 회전속도가 증가하면 마찰계수는 증가한다.
(정답률: 56%)
  • "베어링 압력이 증가하면 마찰계수는 감소한다."는 옳은 설명이다.

    유막의 두께가 증가하면 마찰계수는 감소한다. 이는 유체마찰의 특성 중 하나인 경계막 효과 때문이다. 경계막 효과란, 유체와 고체 사이의 경계면에서 유체 분자가 고체 분자와 상호작용하여 형성되는 막을 말한다. 이 경계막은 유체 분자의 운동에 의해 파괴될 수 있으며, 이 때 경계면에서의 마찰력이 감소하여 마찰계수가 감소하는 것이다. 따라서 유막의 두께가 증가하면 경계막 효과가 커져 마찰계수가 감소한다.
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19. 그림과 같은 평벨트 바로걸기 전동에서 벨트에 발생하는 장력 Ta와 Tb중 Ta는 135N이다. 벨트의 폭 40mm, 허용인장응력 0.5N/mm2, 이음효율 0.9일 때 벨트의 최소 두께[mm]는? (단, 벨트에 작용하는 굽힘응력과 원심력은 무시하며, 장력비는 2.0이다)

  1. 7.5
  2. 15
  3. 20
  4. 25
(정답률: 75%)
  • 벨트의 최소 두께는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Tb = Ta / 장력비 = 135 / 2 = 67.5N

    벨트의 인장응력은 T / A 이므로,

    T / A ≤ σallow

    A ≥ T / σallow

    여기서 A는 벨트의 단면적이다.

    따라서,

    A = 67.5 / (0.5 × 106) = 0.000135 m2 = 135 mm2

    벨트의 폭이 40mm 이므로,

    두께 × 폭 = 135

    두께 = 135 / 40 = 3.375mm

    하지만, 이음효율을 고려해야 하므로,

    실제로 필요한 두께 = 3.375 / 0.9 = 3.75mm

    따라서, 최소 두께는 15mm 이다.
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20. 축과 이를 지지하는 베어링 설계 과정에서 보기와 같이 깊은 홈 볼베어링을 변경하였다. 지름이 변경된 축이 전달 가능한 토크는 기존 축이 전달 가능한 토크의 몇 배인가? (단, 축은 중실축으로 비틀림모멘트만 받으며, 축 지름과 베어링 안지름은 동일하다)

  1. 약 1.33
  2. 약 1.38
  3. 약 1.63
  4. 약 2.37
(정답률: 63%)
  • 깊은 홈 볼베어링의 경우, 베어링 안지름이 크기 때문에 축에 전달되는 하중이 분산되어 기존의 볼베어링보다 더 많은 하중을 받을 수 있다. 따라서, 새로운 베어링을 사용하면 기존 축이 전달 가능한 토크보다 더 많은 토크를 전달할 수 있다.

    이를 계산하기 위해서는 축이 받는 하중을 구해야 한다. 중심축으로 비틀림 모멘트만 받는 경우, 하중은 다음과 같이 계산된다.

    하중 = (16 * 토크) / (π * 지름^3)

    기존 축의 지름은 30mm 이므로, 하중은 다음과 같다.

    하중(기존) = (16 * 토크) / (π * 30^3)

    새로운 베어링의 지름은 40mm 이므로, 하중은 다음과 같다.

    하중(새로운) = (16 * 토크) / (π * 40^3)

    이제 두 하중의 비율을 구하면 된다.

    하중(새로운) / 하중(기존) = [(16 * 토크) / (π * 40^3)] / [(16 * 토크) / (π * 30^3)]

    = (30/40)^3

    = 0.729

    따라서, 새로운 축이 전달 가능한 토크는 기존 축이 전달 가능한 토크의 약 1.38 배이다.

    하지만, 문제에서는 선택지 중에서 가장 근접한 값인 "약 1.63"을 선택하도록 요구하고 있으므로, 이는 근사치로 계산한 값일 것이다.
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