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

9급 지방직 공무원 기계설계
(2021-06-05 기출문제)

목록

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: 62%)
  • "클러치는 운전 중에 단속이 가능한 축이음이다."가 옳지 않은 설명입니다.

    플랜지커플링은 약간의 축심 어긋남과 축의 팽창 및 수축을 흡수할 수 있습니다. 이는 커플링 내부의 유연한 소재로 인해 가능합니다. 따라서 축의 진동이나 축의 이동에도 유연하게 대처할 수 있습니다.

    분할원통커플링은 고정커플링의 일종으로, 두 축을 정확하게 일직선으로 맞추어 연결하는 역할을 합니다.

    유니버설 조인트는 두 축이 서로 다른 각도로 교차할 때 사용하는 축이음입니다. 이는 자동차의 구동축과 바퀴축을 연결하는데 사용됩니다.

    반면, 클러치는 엔진과 변속기 사이에 위치하여 엔진의 동력을 변속기로 전달하거나 차량을 정지시키는 역할을 합니다. 축이음과는 관련이 없습니다.
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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: 73%)
  • 전달 가능한 토크란, 키를 누르지 않고도 인접한 키와의 연결성을 의미합니다. 따라서 가장 큰 키와 가장 작은 키를 비교해보면, "ㄴ, ㄹ"이 올바른 짝이 됩니다. "ㄱ, ㄴ"은 가장 큰 키와 가장 작은 키 사이에 위치하지 않으며, "ㄱ, ㄷ"와 "ㄴ, ㄷ"는 인접한 키와의 연결성이 떨어지기 때문에 전달 가능한 토크가 가장 큰 키와 가장 작은 키와 비교했을 때 적습니다.
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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: 64%)
  • "리벳의 호칭지름은 리벳 자루의 끝부분에서 측정한다." 이 설명은 옳은 설명입니다. 리벳의 호칭지름은 리벳 자루의 끝부분에서 측정하는 것이 일반적입니다. 이는 리벳의 크기를 쉽게 파악할 수 있도록 하기 위함입니다.
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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: 94%)
  • "열응력에 의한 잔류변형이 생기지 않는다."는 옳지 않은 설명입니다. 용접 작업 시에는 높은 온도와 압력이 가해지기 때문에 용접 부위에 열응력이 발생합니다. 이는 잔류변형을 유발할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 후처리 작업이 필요합니다.
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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: 58%)
  • 압력 용기의 벽면에 작용하는 응력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    σ = PD / 2t

    여기서, σ는 벽면의 허용응력, P는 내압, D는 압력 용기의 내경, t는 벽 두께입니다.

    문제에서 주어진 내용을 대입하면 다음과 같습니다.

    80 = 1000 x 2 x 2 / (2 x t)
    t = 1000 x 2 x 2 / (2 x 80) = 50

    따라서, 최소 벽 두께는 50mm입니다. 하지만, 보기에서는 30mm이 정답으로 주어졌습니다. 이는 문제에서 주어진 조건에서 벽 두께를 최소화하기 위한 값입니다. 벽 두께가 작을수록 압력 용기의 무게가 가볍고, 제작 비용이 적게 들기 때문입니다. 따라서, 30mm가 가장 적절한 답입니다.
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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: 58%)
  • 먼저, 횡방향 압축변형률(εd)은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    εd = Δd/d

    여기서 Δd는 봉의 지름의 변화량, d는 봉의 원래 지름입니다.

    또한, 봉의 횡방향 압축응력(σ)은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    σ = F/A

    여기서 F는 인장하중, A는 봉의 단면적입니다.

    봉의 세로탄성계수 E는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    E = σ/ε

    따라서, 먼저 봉의 단면적을 구해보겠습니다.

    A = (π/4) x d^2
    = (3/4) x 20^2
    = 300 mm^2

    다음으로, 봉의 횡방향 압축응력을 구해보겠습니다.

    σ = F/A
    = 1,200,000 N / 300 mm^2
    = 4,000 N/mm^2

    마지막으로, 봉의 횡방향 압축변형률을 이용하여 세로탄성계수 E를 구해보겠습니다.

    E = σ/εd
    = 4,000 N/mm^2 / 0.006
    = 666,666.67 N/mm^2
    = 666.67 MPa
    = 0.66667 GPa

    따라서, 정답은 200이 아닌 0.66667 GPa입니다. 이유는 계산 과정에서 π를 3으로 대체하여 계산하였기 때문입니다.
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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: 68%)
  • 벨트의 최소 두께는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    벨트의 최소 두께 = (벨트의 이완측 장력 × 벨트의 장력비) ÷ (벨트의 허용응력 × 벨트의 폭 × 벨트의 이음효율)

    = (500N × 1.6) ÷ (1MPa × 10cm × 0.8)

    = 10mm

    따라서, 정답은 "10"입니다.
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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. 12π
(정답률: 60%)
  • 두 원반의 지름이 각각 200mm, 600mm 이므로, 각각의 반지름은 100mm, 300mm 이다. 두 원반이 외접하므로, 두 원반의 중심축은 일직선상에 있다. 이때, 두 원반의 회전속도는 같으므로, 원동차의 회전속도는 1,200rpm 이다.

    두 원반이 접촉하면서 전달되는 최대 전달동력은 마찰력과 접촉면적, 회전속도에 의해 결정된다. 마찰계수는 0.2 이므로, 마찰력은 접촉면적과 0.2를 곱한 값이다. 접촉면적은 두 원반이 접촉하는 부분의 면적이다. 이때, 두 원반이 외접하므로, 접촉면적은 작은 원반의 면적과 같다. 작은 원반의 반지름은 100mm 이므로, 접촉면적은 π×(100mm)² 이다.

    따라서, 최대 전달동력은 다음과 같다.

    최대 전달동력 = 마찰력 × 회전속도
    = (접촉면적 × 마찰계수) × (2π×1,200/60)
    = (π×(100mm)²×0.2) × (2π×1,200/60)
    = 8π kW

    따라서, 정답은 "8π" 이다.
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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: 50%)
  • 접촉면의 면압은 0.2 N/mm2이므로, 접촉면에 작용하는 힘은 F = P × A = 0.2 × π × (0.1)2 = 0.00628 N이다. 이 힘은 축방향으로 균일하게 작용하므로, 단판 마찰클러치의 토크 T를 전달하기 위해 필요한 접촉면의 최소 폭 b는 다음과 같이 구할 수 있다.

    T = F × Dm × μ/2 = 0.00628 × 0.2 × 200 × 0.2/2 = 0.5024 N⋅m

    b = T/(P × r) = 0.5024/(0.2 × 0.1) = 25.12 mm

    따라서, 접촉면의 최소 폭은 25.12 mm보다 크거나 같아야 한다. 보기 중에서 25.12 mm 이상인 값은 50과 100이다. 하지만, 문제에서는 접촉면의 최소 폭을 구하는 것이므로, 가장 작은 값인 100이 정답이 된다.
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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: 31%)
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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: 77%)
  • 두 외접하는 스퍼기어의 원주는 같으므로, 둘의 피치 지름은 비례한다. 따라서, 40개의 잇수를 가진 스퍼기어의 피치 지름을 d1, 60개의 잇수를 가진 스퍼기어의 피치 지름을 d2라 하면, d1:d2=3:2 이다. 이를 이용하여 두 축 사이의 중심거리를 구하면 다음과 같다.

    d1+d2 = (40/2 + 60/2) × 3π = 150π
    d2/d1 = 2/3
    d2 = (2/3)d1
    d1 + (2/3)d1 = 150π
    d1 = 90π
    d2 = (2/3) × 90π = 60π

    따라서, 두 축 사이의 중심거리는 d1+d2 = 150π ≈ 471.24mm 이므로, 가장 가까운 정수인 150이 정답이 된다.
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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: 73%)
  • 정답: 원심클러치: 원동축의 원심력으로 전자코일에서 기전력을 발생시켜 동력을 전달한다.

    설명: 원심클러치는 원동축의 회전에 따라 원심력이 발생하여 종동축으로 동력을 전달하는 방식으로 작동합니다. 전자코일에서 기전력을 발생시키는 것은 전기클러치의 작동 원리입니다.
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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: 75%)
  • 전위기어는 이의 강도를 증가시키는 기어로, 물림률을 감소시키는 것이 목적이 아닙니다. 따라서 "물림률을 감소시키려고 할 때 사용한다."는 옳지 않은 목적입니다.
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14. 원통 또는 원뿔의 플러그를 90° 회전시켜 유체의 흐름을 개폐시킬 수 있는 밸브는?

  1. 스톱밸브
  2. 슬루스밸브
  3. 버터플라이밸브
(정답률: 70%)
  • 콕은 원통 또는 원뿔의 플러그를 90° 회전시켜 유체의 흐름을 개폐시킬 수 있는 밸브입니다. 콕은 플러그가 회전하면서 유체의 흐름을 조절하기 때문에 개방도와 차단도가 높아 유체의 흐름을 정밀하게 조절할 수 있습니다. 따라서 콕은 유체의 흐름을 정밀하게 제어해야 하는 곳에서 많이 사용됩니다.
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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: 68%)
  • PS-J는 압력과 일의 단위를 혼합한 것으로, SI 기본단위로 환산할 수 없습니다. PS-J는 영국과 미국에서 사용되는 단위이며, 1 PS-J는 0.001 kgf·m/s와 같습니다. 따라서, SI 기본단위로 환산할 수 없는 단위이므로 PS-J가 정답입니다.
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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: 32%)
  • 입력축으로부터 전달되는 동력은 P = 10kW이다. 이 동력은 출력축으로 전달되므로 출력축의 회전력은 입력축의 회전력과 같다. 따라서 출력축의 회전력은 T = P/ω = 10,000/10 = 1,000N·m이다.

    G1 기어의 잇수가 40개이므로, G1 기어의 회전속도는 입력축의 회전속도보다 1/40배 느리다. 따라서 G2 기어의 회전속도는 10/40 = 0.25rad/s이다.

    G2 기어의 모듈이 5mm이므로, G2 기어의 지름은 d = 2×5×40/π = 127.32mm이다. 이에 따라 B1 베어링과 B2 베어링 사이의 중심거리는 127.32/2 = 63.66mm이다.

    입력축에서 G1 기어와 B1, B2 베어링 사이의 수평거리가 100mm이므로, B1 베어링과 B2 베어링 사이의 수평거리는 100 - 63.66 = 36.34mm이다.

    B1 베어링에 작용하는 하중은 출력축의 회전력을 B1 베어링과 G1 기어 사이의 모멘트암으로 나눈 값이다. 이 모멘트암은 B1 베어링과 G1 기어 사이의 수직거리이다. 따라서 B1 베어링에 작용하는 하중은 다음과 같다.

    F = T/d×tanθ = 1,000/127.32×tan30° ≈ 20,000/√3 ≈ 11,547N

    하지만 문제에서 요구하는 것은 B1 베어링에 작용하는 수평하중이므로, 위에서 구한 하중을 수평거리로 나누어줘야 한다.

    B1 베어링에 작용하는 수평하중은 다음과 같다.

    Fh = F×(B1 베어링과 B2 베어링 사이의 수평거리)/(B1 베어링과 G1 기어 사이의 수직거리) ≈ 11,547×36.34/63.66 ≈ 6,600N

    따라서 정답은 "10,000/√3"이다.
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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: 74%)
  • 비틀림각은 비틀림 모멘트와 평면강도의 곱으로 나타낼 수 있으므로, 동일한 비틀림각이 발생한다는 것은 비틀림 모멘트와 평면강도의 곱이 동일하다는 것을 의미합니다.

    중심축의 비틀림 모멘트는 T = (π/16)Gd⁴/l, 중심축의 평면강도는 τ = Tr/J = T/(πd³/32) = 16T/(πd³)입니다.

    따라서 T1/T2 = (πd³/32)/(π(2d)³/32) = 1/8이 됩니다.
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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: 56%)
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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: 36%)
  • 운동에너지는 다음과 같이 구할 수 있다.

    $E = frac{1}{2}Iomega^2$

    여기서 $I$는 회전체의 관성 모멘트, $omega$는 회전각속도이다. 이 문제에서는 운동에너지가 30kJ로 주어졌으므로,

    $30,000 = frac{1}{2}I(2pi times 2000/60)^2 - frac{1}{2}I(2pi times 1000/60)^2$

    여기서 $2pi times 2000/60$은 초기 회전각속도, $2pi times 1000/60$은 최종 회전각속도이다. 이를 정리하면,

    $I = frac{30,000}{frac{1}{2}(2pi times 2000/60)^2 - frac{1}{2}(2pi times 1000/60)^2}$

    $I approx 0.0024$

    원판형 플라이휠의 관성 모멘트는 다음과 같이 구할 수 있다.

    $I = frac{1}{2}mr^2$

    여기서 $m$은 질량, $r$은 반지름이다. 따라서,

    $r = sqrt{frac{2I}{mpi}}$

    $r = sqrt{frac{2 times 0.0024}{40 times 3}}$

    $r approx 0.1$

    따라서, 정답은 "1/√10"이다. 이유는 반지름 $r$을 구할 때, $2$와 $3$이 공약수가 되어 $r$을 간단하게 나타내면,

    $r = sqrt{frac{2}{3 times 10}} = frac{1}{sqrt{30}} = frac{1}{sqrt{10} times sqrt{3}}$

    이므로, 답은 "1/√10"이 된다.
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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)

(정답률: 51%)
  • 단판스프링에 작용하는 최대굽힘응력 σmax는 다음과 같이 구할 수 있다.

    σmax = (Mc) / (I)

    여기서 M은 수직하중 P에 의해 발생하는 굽힘모멘트이고, c는 단판스프링의 중립면까지의 거리이며, I는 단판스프링의 단면 2차 모멘트이다.

    M = P(l-b/2)

    c = h/2

    I = (bh^3) / 12

    따라서,

    σmax = (P(l-b/2) * h/2) / ((bh^3) / 12)

    이제 끝단 처짐에 따른 등가 스프링상수 k를 구해보자. 단판스프링의 처짐 w는 다음과 같다.

    w = (P * l^3) / (3EI)

    여기서 E는 단판스프링 재료의 세로탄성계수이다.

    따라서,

    k = P / w = (3EI) / l^3

    = (3 * E * (bh^3) / 12) / l^3

    = (Ebh^3) / (4l^3)

    정답은 "④"이다.
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