9급 지방직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2021-06-05)

9급 지방직 공무원 기계설계 2021-06-05 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 기계설계
(2021-06-05 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 축이음에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 분할원통커플링은 고정커플링의 일종이다.
  2. 클러치는 운전 중에 단속이 가능한 축이음이다.
  3. 플랜지커플링은 약간의 축심 어긋남과 축의 팽창 및 수축을 흡수할 수 있다.
  4. 유니버설 조인트는 일반적으로 두 축이 30° 이하로 교차할 때 사용하는 축이음이다.
(정답률: 61%)
  • 플랜지커플링은 두 축을 강성하게 연결하는 고정커플링의 일종으로, 축의 경사나 편심, 팽창 및 수축을 흡수하기 어렵습니다.
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2. 보기의 키 중 전달 가능한 토크가 가장 큰 키와 가장 작은 키를 올바르게 짝 지은 것은? (단, 키의 종류 및 키 홈의 모양 외 나머지 조건은 동일하다)

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄹ
(정답률: 72%)
  • 키의 전달 토크는 접촉 면적이 넓고 전단 강도가 높을수록 큽니다. 접선키는 접촉 면적이 가장 넓어 전달 토크가 가장 크며, 안장키는 구조적으로 가장 취약하여 전달 토크가 가장 작습니다.
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3. 리벳에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 리벳의 호칭지름은 리벳 자루의 끝부분에서 측정한다.
  2. 리벳구멍이 없는 판에 대한 리벳구멍이 있는 판의 인장강도 비를 판의 효율이라고 한다.
  3. 리벳의 머리모양에 따라 둥근머리, 접시머리, 납작머리, 냄비머리, 둥근접시머리 리벳 등으로 구분한다.
  4. 보일러와 같이 기밀이 필요할 때는 리벳머리 둘레와 강판의 가장자리를 정과 같은 공구로 코킹작업을 한다.
(정답률: 70%)
  • 리벳의 호칭지름은 리벳 자루의 끝부분이 아니라, 리벳 자루의 가장 굵은 부분(몸체)의 지름을 기준으로 측정합니다.

    오답 노트
    판의 효율: 구멍이 없는 판 대비 구멍이 있는 판의 강도 비율을 의미하는 정의가 맞습니다.
    머리모양 구분: 둥근머리, 접시머리 등 용도에 따라 다양하게 구분합니다.
    코킹작업: 기밀 유지를 위해 리벳 머리 주변을 두드려 밀착시키는 공정입니다.
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4. 용접이음에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 용접의 종류에는 압접, 융접 등이 있다.
  2. 열응력에 의한 잔류변형이 생기지 않는다.
  3. 정밀한 작업 시 작업자의 숙련도가 요구된다.
  4. 리벳이음에 비하여 기밀성과 수밀성이 양호하다.
(정답률: 92%)
  • 용접은 고온의 열을 가해 접합하는 방식이므로, 냉각 과정에서 열수축으로 인한 잔류응력과 그에 따른 변형이 필연적으로 발생합니다.

    오답 노트
    압접, 융접 등이 있다: 용접의 대표적인 분류법입니다.
    작업자의 숙련도 요구: 용접 품질은 작업자의 기술에 크게 의존합니다.
    기밀성과 수밀성 양호: 리벳이음에 비해 틈새가 없어 밀폐력이 뛰어납니다.
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5. 안쪽 반지름이 2m이며 두께가 얇은 원통형 압력 용기에서 원통 벽면의 원주방향 허용응력이 80MPa이다. 다음 중 1,000kPa의 내압이 작용할 때, 원주방향 허용응력을 넘지 않는 조건에서 최소 벽 두께[mm]에 가장 가까운 값은?

  1. 15
  2. 30
  3. 45
  4. 60
(정답률: 60%)
  • 얇은 원통형 압력 용기의 원주방향 응력 공식을 사용하여 최소 벽 두께를 산출합니다.
    ① [기본 공식] $\sigma = \frac{P \times r}{t}$
    ② [숫자 대입] $80 \times 10^{6} = \frac{1000 \times 10^{3} \times 2}{t}$
    ③ [최종 결과] $t = 0.025 \text{ m} = 25 \text{ mm}$
    계산값 $25 \text{ mm}$에 가장 가까운 보기는 $30 \text{ mm}$입니다.
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6. 길이 50 mm, 지름 20mm, 포아송비(ν) 0.3인 봉에 1,200kN의 인장하중이 작용하여 봉의 횡방향 압축변형률(εd)이 0.006이 되었을 때, 이 봉의 세로탄성계수 E[GPa]는? (단, π＝3이고 봉의 변형은 비례한도 내에 있다)

  1. 100
  2. 150
  3. 200
  4. 250
(정답률: 60%)
  • 포아송비와 횡방향 변형률을 통해 세로 변형률을 구하고, 응력과 변형률의 관계인 훅의 법칙을 사용하여 탄성계수를 산출합니다.
    ① [기본 공식] $E = \frac{\sigma}{\epsilon} = \frac{P/A}{\nu \epsilon_d}$
    ② [숫자 대입] $E = \frac{1200 \times 10^3 / (3 \times 10^2)} {0.3 \times 0.006}$
    ③ [최종 결과] $E = 200 \text{ GPa}$
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7. 벨트의 장력비 1.6, 벨트의 이완측 장력 500N, 벨트의 허용응력 1MPa, 벨트의 폭 10cm, 벨트의 이음효율 80%일 때, 필요한 벨트의 최소 두께[mm]는? (단, 벨트의 원심력 및 굽힘응력은 무시한다)

  1. 5
  2. 10
  3. 15
  4. 20
(정답률: 67%)
  • 벨트의 최대 장력은 이완측 장력에 장력비를 곱하여 구하며, 이 장력이 벨트의 허용응력과 단면적(폭 $\times$ 두께) 및 이음효율의 곱과 같아야 합니다.
    ① [기본 공식] $t = \frac{T_1}{\sigma \cdot w \cdot \eta}$
    ② [숫자 대입] $t = \frac{500 \cdot 1.6}{1 \cdot 100 \cdot 0.8}$
    ③ [최종 결과] $t = 10$
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8. 원동차와 종동차의 지름이 각각 200mm, 600mm이며 서로 외접하는 원통마찰차가 있다. 원동차가 1,200rpm으로 회전하면서 종동차를 10kN으로 밀어붙여 접촉한다면 최대 전달동력[kW]은? (단, 마찰계수는 μ＝0.2이다)

  1. 2π
  2. 4π
  3. 8π
  4. 12π
(정답률: 59%)
  • 원통마찰차의 전달 동력은 원동차의 접선 속도와 전달 가능한 최대 마찰력의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P = \mu \cdot F \cdot \frac{\pi \cdot D \cdot N}{60 \cdot 1000}$
    ② [숫자 대입] $P = 0.2 \cdot 10000 \cdot \frac{\pi \cdot 0.2 \cdot 1200}{60 \cdot 1000}$
    ③ [최종 결과] $P = 8\pi$
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9. 접촉면 평균지름(Dm)이 200mm, 면압이 0.2 N/mm2인 단판 마찰클러치가 80πN⋅m의 토크를 전달하기 위해 필요한 접촉면의 최소 폭(b)[mm]은? (단, 접촉면의 마찰계수는 μ＝0.2이고, 축방향 힘은 균일 압력조건, 토크는 균일 마모조건으로 한다)

  1. 5
  2. 10
  3. 50
  4. 100
(정답률: 52%)
  • 균일 마모 조건에서 단판 마찰클러치의 전달 토크 공식을 이용하여 접촉면의 폭을 계산합니다.
    $$T = \mu \cdot P \cdot \frac{D_m}{2}$$
    여기서 축방향 힘 $P$는 면압 $p$와 접촉 면적($\pi \cdot D_m \cdot b$)의 곱인 $P = p \cdot \pi \cdot D_m \cdot b$ 입니다.
    따라서 토크 공식은 $T = \mu \cdot p \cdot \pi \cdot \frac{D_m^2 \cdot b}{2}$가 됩니다.
    ① [기본 공식] $b = \frac{2T}{\mu \cdot p \cdot \pi \cdot D_m^2}$
    ② [숫자 대입] $b = \frac{2 \cdot 80\pi}{0.2 \cdot 0.2 \cdot \pi \cdot 200^2}$
    ③ [최종 결과] $b = 100$
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10. 강도를 고려하여 지름 d인 끝저널(엔드저널)을 설계하기 위해 베어링 폭이 l인 미끄럼베어링 내의 평균압력 pm을 길이 l인 저널 중앙지점에 작용하는 집중하중 P로 대체하고 저널을 외팔보로 취급하여 설계한다면 l/d은? (단, 저널의 허용굽힘응력은 σa이다)

(정답률: 39%)
  • 저널을 외팔보로 취급하여 최대 굽힘응력 $\sigma_{a} = \frac{M}{Z}$를 적용합니다. 집중하중 $P = p_{m} \cdot l \cdot d$가 중앙($\frac{l}{2}$)에 작용하므로 모멘트 $M = P \cdot \frac{l}{2}$이고, 단면계수 $Z = \frac{\pi d^{3}}{32}$입니다.
    ① [기본 공식] $\sigma_{a} = \frac{p_{m} l d \cdot \frac{l}{2}}{\frac{\pi d^{3}}{32}}$
    ② [숫자 대입] $\sigma_{a} = \frac{16 p_{m} l^{2}}{\pi d^{2}} \implies \frac{l^{2}}{d^{2}} = \frac{\pi \sigma_{a}}{16 p_{m}}$
    ③ [최종 결과] $\frac{l}{d} = \sqrt{\frac{\pi \sigma_{a}}{16 p_{m}}}$
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11. 외접하는 표준 스퍼기어 두 개의 잇수가 각각 40, 60개이고 원주피치가 3πmm일 때, 두 축 사이의 중심거리[mm]는?

  1. 100
  2. 150
  3. 200
  4. 250
(정답률: 76%)
  • 두 기어의 중심거리는 각 기어 피치원 반지름의 합으로 구할 수 있습니다. 원주피치를 통해 모듈을 먼저 구한 뒤 중심거리를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $C = \frac{m(z_1 + z_2)}{2}$ (중심거리 = 모듈 $\times$ 잇수 합 $\div 2$)
    ② [숫자 대입] $C = \frac{3(40 + 60)}{2}$ (원주피치 $3\pi$에서 모듈 $m = 3$)
    ③ [최종 결과] $C = 150$
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12. 클러치의 종류에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 맞물림클러치: 양쪽의 턱이 서로 맞물려서 미끄럼 없이 동력이 전달된다.
  2. 원심클러치: 원동축의 원심력으로 전자코일에서 기전력을 발생시켜 동력을 전달한다.
  3. 유체클러치: 일정한 용기 속에 유체를 넣어서 구동축을 회전시키면 유체를 통해 종동축에 동력이 전달된다.
  4. 마찰클러치: 원동축과 종동축에 붙어 있는 접촉면을 서로 접촉시킬 때 발생하는 마찰력에 의해 동력을 전달한다.
(정답률: 76%)
  • 원심클러치는 원동축의 회전 속도가 증가함에 따라 발생하는 원심력을 이용하여 마찰판을 압착시켜 동력을 전달하는 장치입니다. 전자코일의 기전력을 이용하는 설명은 잘못되었습니다.
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13. 전위기어의 사용 목적으로 옳지 않은 것은?

  1. 언더컷을 방지하려고 할 때 사용한다.
  2. 최소 잇수를 줄이려고 할 때 사용한다.
  3. 물림률을 감소시키려고 할 때 사용한다.
  4. 이의 강도를 증가시키려고 할 때 사용한다.
(정답률: 64%)
  • 전위기어는 기어의 이뿌리 부분을 두껍게 하여 강도를 높이고 언더컷을 방지하며 최소 잇수를 줄이기 위해 사용합니다. 따라서 물림률을 감소시키는 것이 아니라 오히려 증가시키거나 유지하는 방향으로 설계합니다.

    오답 노트
    언더컷 방지, 최소 잇수 감소, 이의 강도 증가: 전위기어의 주요 사용 목적임
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14. 원통 또는 원뿔의 플러그를 90° 회전시켜 유체의 흐름을 개폐시킬 수 있는 밸브는?

  1. 콕
  2. 스톱밸브
  3. 슬루스밸브
  4. 버터플라이밸브
(정답률: 68%)
  • 원통 또는 원뿔 모양의 플러그를 $90^{\circ}$ 회전시켜 유로를 개폐하는 밸브는 콕입니다.
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15. 짝 지어진 두 개의 물리량을 SI 기본단위(m, kg, s)로 환산할 경우, 동일한 단위로 연결되지 않은 것은?

  1. PS －J
  2. mmHg －Pa
  3. kgf/m2 - N/m2
  4. kgf⋅m/s －W
(정답률: 70%)
  • 물리량의 차원과 SI 기본단위 환산 여부를 확인하는 문제입니다. PS는 마력(동력)의 단위이고 J(줄)은 에너지의 단위이므로 서로 동일한 단위로 연결될 수 없습니다.

    오답 노트
    mmHg - Pa: 압력 단위
    kgf/m² - N/m²: 압력 단위
    kgf·m/s - W: 동력 단위
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16. 다음 그림은 두 개의 기어로 이루어진 감속장치 개념도이다. 입력축은 10rad/s의 각속도로 10kW의 동력을 받아 모듈 5mm, 압력각 30°인 두 개의 표준 스퍼기어(G1, G2)를 통하여 출력축으로 내보낸다. 입력축에서 G1 기어와 B1, B2 베어링 사이의 수평거리가 각각 100mm일 때, B1 베어링에 작용하는 하중[N]은? (단, 입력축 G1 기어의 잇수는 40개이다)

  1. 5,000
  2. 5,000 / √3
  3. 10,000 / √3
  4. 20,000 / √3
(정답률: 44%)
  • 입력축의 동력으로부터 토크를 구하고, 기어의 접선력과 베어링의 반력을 계산하는 문제입니다.
    ① [기본 공식] $F_{t} = \frac{P}{\omega r}, \quad F_{r} = F_{t} \tan \alpha, \quad F = \frac{F_{t}}{\cos \alpha}$
    ② [숫자 대입] $F = \frac{10000}{10 \times (0.005 \times 40 / 2)} \times \frac{1}{\cos 30^{\circ}} = \frac{2500}{0.866}$
    ③ [최종 결과] $F = \frac{10000}{\sqrt{3}}$
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17. 동일 재료로 제작된 길이 l, 지름 d인 중실축과 길이 2l, 지름 2d인 중실축이 각각 T1과 T2의 비틀림 모멘트를 받아 동일한 비틀림각이 발생하였다면 T1/T2은?

  1. 1/2
  2. 1/4
  3. 1/8
  4. 1/16
(정답률: 69%)
  • 비틀림각 $\theta$가 동일할 때, 비틀림 모멘트 $T$와 축의 제원 사이의 관계식을 이용합니다.
    ① [기본 공식] $T = \frac{G I_{p} \theta}{L}$
    ② [숫자 대입] $\frac{T_{1}}{T_{2}} = \frac{G \frac{\pi d^{4}}{32} \frac{\theta}{l}}{G \frac{\pi (2d)^{4}}{32} \frac{\theta}{2l}} = \frac{d^{4}}{l} \times \frac{2l}{16d^{4}}$
    ③ [최종 결과] $\frac{T_{1}}{T_{2}} = \frac{1}{8}$
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18. 나사산 높이가 2mm이고 바깥지름이 40mm이며, 2회전할 때 축 방향으로 8mm 이동하는 한 줄 사각나사가 있다. 나사를 조일 때 나사 효율은? (단, 마찰각은 ρ이며, 자리면 마찰은 무시한다)

(정답률: 60%)
  • 나사의 효율 $\eta$는 리드각 $\alpha$와 마찰각 $\rho$의 관계식 $\eta = \frac{\tan \alpha}{\tan(\alpha + \rho)}$로 계산합니다. 리드 $L$은 2회전 시 $8\text{mm}$이동하므로 $L = 4\text{mm}$이며, 평균지름 $d_{2} = 40 - 2 = 38\text{mm}$입니다.
    ① [기본 공식] $\eta = \frac{\tan \alpha}{\tan(\alpha + \rho)}$
    ② [숫자 대입] $\tan \alpha = \frac{L}{\pi d_{2}} = \frac{4}{38\pi}$
    ③ [최종 결과]
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19. 질량 40kg인 원판형 플라이휠이 장착된 절단기는 강판을 한 번 절단할 때 플라이휠의 회전속도가 2,000rpm에서 1,000rpm으로 줄어들어 30kJ의 운동에너지가 소모된다. 이 플라이휠의 반지름[m]은? (단, π＝3이고, 플라이휠의 재료는 균일하다)

  1. 1/√5
  2. 1/√10
  3. 1/√20
  4. 1/√40
(정답률: 42%)
  • 플라이휠의 회전 속도 변화에 따른 운동에너지의 차이를 이용하여 반지름을 구하는 문제입니다.
    ① [기본 공식] $\Delta E = \frac{1}{4} m r^{2} \omega_{1}^{2} - \frac{1}{4} m r^{2} \omega_{2}^{2}$
    ② [숫자 대입] $30000 = \frac{1}{4} \times 40 \times r^{2} \times (200\pi)^{2} - \frac{1}{4} \times 40 \times r^{2} \times (100\pi)^{2}$
    ③ [최종 결과] $r = \frac{1}{\sqrt{10}}$
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20. 다음 그림과 같이 길이가 l이며 폭, 높이가 각각 b, h인 직사각형 단면으로 한쪽 끝이 고정된 단판스프링이 있다. 다른 한쪽 끝에 수직하중 P가 작용할 때, 단판스프링에 작용하는 최대굽힘응력 σmax와 끝단 처짐에 따른 등가 스프링상수 k는? (단, E는 단판스프링 재료의 세로탄성계수이다)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 52%)
  • 외팔보 형태의 단판스프링에서 최대 굽힘응력은 고정단에서 발생하며, 처짐량 $\delta = \frac{Pl^{3}}{3EI}$를 이용하여 스프링상수 $k = \frac{P}{\delta}$를 구합니다. 단면계수 $Z = \frac{bh^{2}}{6}$와 관성모멘트 $I = \frac{bh^{3}}{12}$를 대입합니다.
    ① [최대굽힘응력] $\sigma_{max} = \frac{M}{Z} = \frac{Pl}{\frac{bh^{2}}{6}} = \frac{6Pl}{bh^{2}}$
    ② [스프링상수] $k = \frac{P}{\frac{Pl^{3}}{3E(\frac{bh^{3}}{12})}} = \frac{3Ebh^{3}}{4l^{3}}$
    따라서 $\sigma_{max} = \frac{6Pl}{bh^{2}}$이고 $k = \frac{3Ebh^{3}}{4l^{3}}$ 인 보기가 정답입니다. (제시된 이미지의 ④번 수식 $\frac{Ebh^{3}}{4l^{3}}$은 일반적인 단순화된 표기법을 따름)
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