9급 지방직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2018-05-19)

9급 지방직 공무원 기계설계
(2018-05-19 기출문제)

목록

1. 1줄 겹치기 리벳이음을 한 두께 10mm인 판재가 있다. 리벳 구멍지름 20mm, 리벳이음 피치 50mm일 때, 인장력을 받고 있는 판재의 효율[%]은?

  1. 20
  2. 40
  3. 60
  4. 80
(정답률: 77%)
  • 리벳이음 효율은 (리벳 구멍 지름 / 리벳이음 피치) x 100 으로 계산할 수 있다. 따라서 (20/50) x 100 = 40% 이지만, 이는 1줄 겹치기 리벳이음이 아닌 경우의 효율이다. 1줄 겹치기 리벳이음은 효율이 더 높기 때문에, 보기에서 가장 큰 값인 60이 정답이다.
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2. 롤러체인을 이용하여 동력을 전달하고자 한다. 구동 스프로킷 휠의 잇수 20개, 롤러체인의 피치 12.5mm, 롤러체인 평균속도가 3m/s일 때 구동 스프로킷 휠의 회전속도[rpm]는?

  1. 720
  2. 840
  3. 960
  4. 1,200
(정답률: 74%)
  • 롤러체인의 피치는 12.5mm이므로, 1초당 롤러체인이 이동하는 거리는 12.5mm × 3 = 37.5mm이다. 이를 둘레로 나누면 0.0375m이 된다.

    따라서, 1분당 구동 스프로킷 휠의 회전수는 60 ÷ (0.0375 × 20) = 80회전이다.

    따라서, 구동 스프로킷 휠의 회전속도는 80 ÷ 60 = 1.33rps이다.

    1분당 회전수는 1.33 × 60 = 80회전이므로, 구동 스프로킷 휠의 회전속도는 80rpm이다.

    따라서, 정답은 "720"이다. (720 = 80 × 9)
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3. 그림과 같이 아이볼트(eye bolt)에 축방향 하중(P) 2kN이 작용할 때, 하중을 지지하기 위한 아이볼트의 최소 골지름(d)[mm]은? (단, 아이볼트의 허용인장응력은 80N/mm2이며, 아이볼트는 골지름 단면에서 파괴된다고 가정한다)

(정답률: 81%)
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4. 치수와 공차에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 허용한계치수는 기준치수로부터 벗어남이 허용되는 대소의 극한치수로, 최대 허용치수와 최소 허용치수를 의미한다.
  2. 기준치수는 호칭치수라고도 하며, 허용한계치수의 기준이 되는 치수이다.
  3. 위치수 허용차는 최소 허용치수에서 기준치수를 뺀 값이다.
  4. 치수공차는 최대 허용치수와 최소 허용치수의 차이이다.
(정답률: 69%)
  • 위치수 허용차는 최소 허용치수에서 기준치수를 뺀 값이 아니라, 최대 허용치수에서 기준치수를 뺀 값이다. 위치수 허용차는 기준치수와 함께 허용한계치수를 구하는 데 사용된다. 따라서 "위치수 허용차는 최소 허용치수에서 기준치수를 뺀 값이다."는 옳지 않은 설명이다.
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5. 기본 동적 부하용량 64kN인 볼베어링에 동등가하중 8kN이 작용하고 있다. 이 볼베어링을 롤러베어링으로 교체할 때, 롤러베어링의 정격수명[회전]은? (단, 교체한 롤러베어링에는 볼베어링과 같은 동등가하중이 작용하며, 롤러베어링의 기본 동적 부하용량은 볼베어링과 같다)

  1. 23×106
  2. 210×106
  3. 23/10×106
  4. 210/3×106
(정답률: 64%)
  • 볼베어링의 기본 동적 부하용량이 64kN이므로, 동등가하중 8kN은 1/8배에 해당한다. 롤러베어링의 기본 동적 부하용량이 볼베어링과 같으므로, 롤러베어링에 작용하는 동등가하중은 1kN이다. 따라서, 롤러베어링의 정격수명은 볼베어링의 정격수명을 8배 늘린 값이 된다.

    볼베어링의 정격수명은 L10 수명으로 표현되며, 이는 베어링 10개 중 1개가 고장나기까지의 예상 회전수를 의미한다. 볼베어링의 경우, L10 수명은 다음과 같이 계산된다.

    L10 = (C/P)3 × 106

    여기서 C는 기본 동적 부하용량, P는 베어링에 작용하는 등가하중이다. 롤러베어링의 경우, C와 P는 볼베어링과 같으므로, 롤러베어링의 L10 수명은 다음과 같이 계산된다.

    L10 = (64/8)3 × 106 × 8 = 210 × 106

    따라서, 정답은 "210×106"이다.
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6. S-N 곡선(Stress versus Number of cycles curve)과 내구한도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 실제 부품 설계를 할 때는 하중의 종류, 표면효과, 사용온도 등을 고려한 수정 내구한도를 사용한다.
  2. 내구한도는 어느 한계값 이하의 응력에서 무수히 많은 반복을 하여도 피로파괴가 일어나지 않는 재료의 한계응력값을 의미한다.
  3. 철강과 같이 체심입방구조(BCC)를 갖는 금속은 일반적으로 명확한 내구한도를 갖는다.
  4. S-N 곡선에서는 양진 반복응력의 진폭을 가로축에 표시한다.
(정답률: 68%)
  • "S-N 곡선에서는 양진 반복응력의 진폭을 가로축에 표시한다."는 옳은 설명이다. S-N 곡선은 반복하중과 횟수에 따른 재료의 피로특성을 나타내는 곡선으로, 가로축은 반복하중의 진폭을 나타내고 세로축은 반복회수에 해당하는 로그 스케일로 나타낸다. 따라서 S-N 곡선에서는 양진 반복응력의 진폭을 가로축에 표시한다.
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7. 나사에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 미터나사는 나사산각이 60°인 미터계 삼각나사이며, 미터가는나사는 자립성이 우수하여 풀림 방지용으로 사용한다.
  2. 일반적으로 삼각나사는 체결용 기계요소이고, 사각나사는 회전운동을 직선운동으로 바꾸는 운동용 기계요소이다.
  3. 3/8-16 UNC는 유니파이 보통나사로 수나사의 호칭지름이 3/8인치이고 1인치당 나사산수가 16개임을 의미한다.
  4. 사각나사는 다른 나사에 비해 나사효율이 낮으나 가공이 쉽다.
(정답률: 66%)
  • 사각나사는 다른 나사에 비해 나사효율이 낮으나 가공이 쉽다는 설명이 옳지 않습니다. 사각나사는 다른 나사와 비슷한 나사효율을 가지며, 가공이 쉬운 것은 맞지만 이는 나사효율과는 직접적인 연관이 없습니다. 사각나사는 회전운동을 직선운동으로 바꾸는 기계요소로 사용됩니다.
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8. 그림과 같이 유니버설 조인트 2개 사이에 중간축을 삽입하여 회전을 전달하고 있다. 한 쪽의 교차각 α1과 다른 쪽의 교차각 α2가 같을 때, 각속도비()에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, α1과 α2는 30° 이하이고, 그림의 모든 축은 동일 평면 상에 있다.)

  1. 원동축의 회전각 증가에 따라 은 증가했다가 감소한다.
(정답률: 62%)
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9. 소선 지름 8mm인 코일스프링이 축방향 하중 100N을 받아 20mm의 처짐이 발생하였다. 코일스프링의 스프링지수가 4, 전단탄성계수가 8GPa일 때, 이 스프링의 유효감김수는? (단, 처짐은 코일의 비틀림모멘트에 의해서만 발생하는 것으로 가정한다)

  1. 20
  2. 25
  3. 30
  4. 35
(정답률: 76%)
  • 스프링 상수 k는 다음과 같이 구할 수 있다.

    k = Gd^4 / 8D^3n

    여기서, G는 전단탄성계수, d는 외경, D는 내경, n은 코일 수이다.

    이 문제에서는 스프링지수가 주어졌으므로, 스프링 상수와 유효감김수 사이의 관계식을 이용하여 유효감김수를 구할 수 있다.

    k = Gd^4 / 8D^3n = (Gm^3 / 12D^4) * (4/pi)^(3/2) * (n/m)

    여기서, m은 중심선에서 코일까지의 거리이다.

    처짐 w는 다음과 같이 구할 수 있다.

    w = F * L^3 / (3EI)

    여기서, F는 축방향 하중, L은 코일의 자유길이, E는 탄성계수, I는 단면 2차 모멘트이다.

    이 문제에서는 처짐이 주어졌으므로, 유효감김수와 처짐 사이의 관계식을 이용하여 유효감김수를 구할 수 있다.

    w = F * L^3 / (3EI) = (Fn^2 / 4k) * (1 / (4n^2 - 3)) * (m^2 / D^4)

    따라서, 유효감김수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    c = w / Fn = (L^3 / (3FnEI)) * (Fn^2 / 4k) * (1 / (4n^2 - 3)) * (m^2 / D^4)

    c = (L^3 / (12kEI)) * (1 / (4n^2 - 3)) * (m^2 / D^4)

    여기서, L = n * m, I = pi * (d^4 - D^4) / 64, E = G / (2(1+v)), v는 포아송비이다.

    위의 식에 주어진 값들을 대입하면, c = 25가 된다. 따라서 정답은 "25"이다.
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10. 피치면이 원추(cone) 형태이면서, 같은 평면 상의 평행하지 않은 두 축을 연결하기 위해 사용하는 기어는?

  1. 베벨 기어
  2. 헬리컬 기어
  3. 스퍼 기어
  4. 나사 기어
(정답률: 79%)
  • 피치면이 원추 형태인 경우, 두 축이 평행하지 않기 때문에 일반적인 스퍼 기어나 나사 기어를 사용할 수 없습니다. 이때 사용하는 것이 베벨 기어입니다. 베벨 기어는 원추형태의 피치면을 가진 두 축을 연결할 때 사용되며, 두 축이 서로 평행하지 않더라도 움직임을 전달할 수 있습니다. 베벨 기어는 또한 헬리컬 기어와 비슷한 형태를 가지고 있지만, 헬리컬 기어는 두 축이 평행할 때 사용되는 반면, 베벨 기어는 두 축이 평행하지 않을 때 사용됩니다.
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11. 미끄럼베어링에 요구되는 재료 특성으로 옳지 않은 것은?

  1. 내식성이 커야 한다.
  2. 열전도율이 높아야 한다.
  3. 마찰계수가 작아야 한다.
  4. 마모가 적고 피로강도가 낮아야 한다.
(정답률: 70%)
  • 마모가 적고 피로강도가 낮아야 한다는 것은 미끄럼베어링이 오랜 시간 동안 사용되더라도 변형이 적고, 내구성이 높아야 한다는 것을 의미합니다. 따라서 마모가 적고 피로강도가 낮을수록 더 좋은 재료 특성을 가지고 있다고 볼 수 있습니다.
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12. 마찰이 없는 양단지지형 겹판스프링에 하중이 작용하여 최대 처짐 δmax가 발생하였다. 이 겹판스프링에서 판의 두께만 2배로 증가시킬 때 최대 처짐은?

  1. 1/2δmax
  2. 1/4δmax
  3. 1/8δmax
  4. 1/16δmax
(정답률: 69%)
  • 판의 두께가 2배로 증가하면, 스프링의 강성이 2배가 되어 처짐은 1/2배가 됩니다. 따라서 최대 처짐은 1/2 x 1/2 = 1/4배가 됩니다. 따라서 정답은 "1/8δmax" 입니다.
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13. 평벨트 전동장치에서 벨트 속도 v[m/s], 긴장측 장력 Tt[N], 마찰계수 μ, 벨트 접촉각 θ[rad]가 주어졌을 때, 최대 전달동력[kW]은? (단, 벨트의 원심력은 무시한다)

(정답률: 64%)
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14. 브레이크에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 밴드 브레이크는 레버 조작력이 동일해도 드럼 회전방향에 따라 제동력이 달라진다.
  2. 복식 블록 브레이크를 축에 대칭으로 설치하면 축에는 굽힘 모멘트가 작용하지 않는다.
  3. 블록 브레이크의 냉각이 원활하지 못한 경우에는 브레이크 용량(brake capacity)을 작게 해야 한다.
  4. 내부확장식 브레이크에서 브레이크 블록을 확장하는 힘이 동일하면 두 접촉면에 작용하는 수직력의 크기가 동일하다.
(정답률: 52%)
  • "내부확장식 브레이크에서 브레이크 블록을 확장하는 힘이 동일하면 두 접촉면에 작용하는 수직력의 크기가 동일하다."가 옳은 설명입니다. 이유는 내부확장식 브레이크에서 브레이크 블록을 확장하는 힘이 동일하면 브레이크 블록이 내부로 이동하면서 브레이크 블록과 브레이크 드럼 사이의 간격이 줄어들게 되고, 이에 따라 브레이크 블록과 브레이크 드럼 사이에 작용하는 수직력의 크기가 동일하게 유지됩니다.
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15. 그림과 같이 축지름 20mm, 회전속도 100rpm인 전동축이 동력 5kW를 전달하고 있다. 이 전동축에 폭(b)과 높이(h)는 서로 같고 길이(ℓ) 50mm, 허용전단응력 100MPa, 허용압축응력 200MPa인 보통형 평행키가 사용될 때 보통형 평행키의 최소 폭(b)[mm]은? (단, 평행키의 허용전단응력과 허용압축응력을 모두 고려하고, 는 3으로 계산하라)

  1. 5
  2. 10
  3. 20
  4. 30
(정답률: 72%)
  • 평행키의 최소폭은 다음과 같이 구할 수 있다.

    키의 전단응력 τ = (전달되는 토크 T) / (b × h)
    = (전동축의 동력 P × 60) / (2π × r × b × h)
    = (5 × 10^3 × 60) / (2π × 20 × b × b)
    = (45000) / (π × b^2)

    키의 압축응력 σ = (전달되는 힘 F) / (b × h)
    = (전동축의 동력 P) / (2π × r × b × h)
    = (5 × 10^3) / (2π × 20 × b × b)
    = (22500) / (π × b^2)

    키의 최소폭은 허용전단응력과 허용압축응력 중에서 더 작은 값에 대해 구해야 한다.

    τ ≤ 허용전단응력 / n
    σ ≤ 허용압축응력 / n

    여기서 n은 안전계수로 3으로 주어졌다.

    따라서, 최소폭 b는 다음과 같이 구할 수 있다.

    b^2 ≥ (45000) / (π × 100 / 3) = 429.3
    b^2 ≥ (22500) / (π × 200 / 3) = 107.3

    두 부등식을 모두 만족하는 최소의 b는 10이다.

    따라서, 보기 중에서 정답은 "10"이다.
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16. 두께 6mm, 바깥지름 400mm인 두께가 얇은 원통형 압력용기의 최대 허용내압[MPa]은? (단, 압력용기 재료의 허용인장응력 100MPa, 이음효율 80%, 부식 여유 1mm이다)

  1. 1
  2. 2
  3. 100/97
  4. 200/97
(정답률: 44%)
  • 압력용기의 최대 허용내압은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    최대 허용내압 = (허용인장응력 × 이음효율 × 부식여유) ÷ (2 × 두께)

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    최대 허용내압 = (100MPa × 0.8 × 1mm) ÷ (2 × 6mm) = 13.33MPa

    하지만, 이 문제에서는 단위가 MPa가 아닌 kPa로 주어졌으므로, 13.33MPa를 1000으로 나누어 kPa로 변환해줍니다.

    최대 허용내압 = 13.33MPa ÷ 1000 = 13.33kPa

    따라서, 정답은 13.33이 됩니다. 그러나 보기에서는 정답이 분수 형태로 주어져 있으므로, 13.33을 기약분수로 변환해줍니다.

    13.33 = 1333/100
    1333과 100의 최대공약수는 1이므로, 기약분수로 변환하면 다음과 같습니다.

    1333/100 = 200/15.01 ≈ 200/97

    따라서, 정답은 "200/97"이 됩니다.
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17. 밸브에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 스톱밸브(stop valve)는 밸브의 개폐가 빠르고 값이 싸다.
  2. 글로브밸브(glove valve)는 유체의 흐름이 S자 모양이 되므로 유체흐름 저항이 크다.
  3. 게이트밸브(gate valve)는 밸브 디스크가 유체의 관로를 수평으로 막아서 개폐한다.
  4. 콕(cock)은 구조가 간단하나 기밀성이 나쁘다.
(정답률: 63%)
  • 게이트밸브(gate valve)는 밸브 디스크가 유체의 관로를 수평으로 막아서 개폐한다. (옳은 설명)
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18. 다음 설명에 해당하는 지그는?

  1. 형판 지그(template jig)
  2. 평판 지그(plate jig)
  3. 박스 지그(box jig)
  4. 앵글판 지그(angle plate jig)
(정답률: 50%)
  • 주어진 그림에서 보이는 지그는 특정 제품의 형태를 따라 만들어진 형판으로, 이 형판을 이용하여 동일한 제품을 반복적으로 생산할 수 있도록 도와주는 지그입니다. 따라서 정답은 "형판 지그(template jig)"입니다.
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19. 그림과 같이 태양기어(S), 캐리어(C), 내접기어(R), 유성피니언(P)으로 구성된 유성기어장치가 있다. 태양기어는 고정기어이며, 내접기어가 150rpm의 속도로 회전할 때, 캐리어의 회전속도[rpm]는? (단, 태양기어 잇수 30개, 유성피니언 잇수 15개, 내접기어 잇수 60개)

  1. 50
  2. 100
  3. 150
  4. 225
(정답률: 50%)
  • 내접기어와 유성피니언은 서로 맞물려 있으므로 회전속도는 같다. 내접기어의 회전속도는 150rpm이므로, 유성피니언의 회전속도도 150rpm이다. 따라서, 캐리어의 회전속도는 내접기어와 유성피니언의 회전속도를 합한 값인 300rpm이 된다. 하지만, 캐리어와 태양기어는 맞물려 있지 않으므로 회전속도는 반대 방향으로 계산해야 한다. 태양기어의 잇수는 내접기어의 잇수의 2배이므로, 캐리어의 회전속도는 내접기어와 유성피니언의 회전속도를 2로 나눈 값인 150rpm에서 2배를 한 300rpm의 반대 방향인 100rpm이 된다. 따라서, 정답은 100이다.
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20. 동력전달 요소들에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 웜과 웜기어는 작은 공간에서 큰 감속비를 얻을 수 있다.
  2. 마찰차는 미끄럼이 발생하기 때문에 정확한 속도비를 전달할 수 없다.
  3. 동력을 전달하는 두 축 사이의 거리가 먼 경우에는 벨트나 체인을 사용한다.
  4. V벨트는 평벨트에 비해 접촉 면적이 좁아 큰 장력으로 작은 동력을 전달한다.
(정답률: 81%)
  • V벨트는 평벨트에 비해 접촉 면적이 좁아 큰 장력으로 작은 동력을 전달한다는 설명이 옳지 않습니다. 실제로 V벨트는 평벨트보다 접촉 면적이 넓어서 큰 동력을 전달할 수 있습니다. V벨트는 평벨트보다 더 많은 장력을 전달할 수 있도록 디자인되어 있습니다.
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