9급 지방직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2022-06-18)

9급 지방직 공무원 기계설계 2022-06-18 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 기계설계
(2022-06-18 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 축과 구멍의 끼워맞춤에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 중간 끼워맞춤은 가공된 실제 치수에 따라 틈새 또는 죔새가 생긴다.
  2. 억지 끼워맞춤은 죔새가 있는 것으로 축의 최소 허용치수가 구멍의 최대 허용치수보다 크다.
  3. 헐거운 끼워맞춤은 틈새가 있는 것으로 구멍의 최소 허용치수가 축의 최대 허용치수보다 크다.
  4. 축기준 끼워맞춤은 축의 공차역을 H(H5~H9)로 정하고, 필요한 죔새 또는 틈새에 따라 구멍의 공차역을 정한다.
(정답률: 69%)
  • 축기준 끼워맞춤은 구멍의 공차역을 H(H5~H9 등)로 고정하고, 필요한 틈새나 죔새에 따라 축의 공차역을 결정하는 방식입니다. 제시된 내용은 구멍기준 끼워맞춤에 대한 설명이므로 틀렸습니다.
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2. 600rpm으로 회전하고 2Nㆍm의 토크를 전달하기 위해 전동축에 필요한 동력[W]은? (단, π＝3이다)

  1. 0.12
  2. 1.2
  3. 12
  4. 120
(정답률: 62%)
  • 회전축의 동력은 토크와 각속도의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P = T \times \omega = T \times \frac{2\pi N}{60}$
    ② [숫자 대입] $P = 2 \times \frac{2 \times 3 \times 600}{60}$
    ③ [최종 결과] $P = 120$
    따라서 동력은 $120\text{ W}$ 입니다.
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3. 다음에서 설명하는 스프링으로 옳은 것은?

  1. 판 스프링
  2. 접시 스프링
  3. 공기 스프링
  4. 고무 스프링
(정답률: 62%)
  • 미소 진동 흡수 가능, 측면 강성 없음, 하중-변형 관계의 비선형성, 그리고 공기압 조절을 통해 스프링 상수를 변경할 수 있다는 특징은 공기 스프링의 대표적인 특성입니다.
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4. 미끄럼 베어링용 재료가 갖추어야 할 특성으로 옳지 않은 것은?

  1. 내식성이 좋아야 한다.
  2. 열전도율이 높아야 한다.
  3. 충격 흡수력이 커야 한다.
  4. 피로강도가 작아야 한다.
(정답률: 61%)
  • 미끄럼 베어링은 반복적인 하중을 견뎌야 하므로 내구성을 위해 피로강도가 충분히 높아야 합니다. 피로강도가 작으면 쉽게 파손되므로 옳지 않은 설명입니다.

    오답 노트
    내식성: 부식 방지를 위해 높아야 함
    열전도율: 마찰열 방출을 위해 높아야 함
    충격 흡수력: 갑작스러운 하중 변화에 견디기 위해 커야 함
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5. 그림과 같은 표준 V벨트에서 각도 θ는?

  1. 30°
  2. 35°
  3. 40°
  4. 45°
(정답률: 51%)
  • 표준 V벨트의 단면 형상은 규격에 따라 정해져 있으며, 일반적으로 벨트의 홈 각도 $\theta$는 $40^{\circ}$로 설계됩니다.
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6. 평기어에 대한 명칭과 관계식으로 옳은 것은? (단, D는 피치원 지름, Z는 잇수, m은 모듈이다)

  1. 모듈＝Z/D
  2. 원주피치＝πD/Z
  3. 피치원지름＝Z/m
  4. 피치 원주상 이두께＝(Z+2)m
(정답률: 67%)
  • 평기어의 원주피치는 피치원 둘레를 잇수로 나눈 값으로 정의합니다.
    $$\text{원주피치} = \frac{\pi D}{Z}$$

    오답 노트
    모듈: $m = \frac{D}{Z}$
    피치원지름: $D = m \times Z$
    이두께: $\frac{\pi m}{2}$
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7. 밸브에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 글로브 밸브는 밸브 몸통이 둥근형이고 내부에서 유체가 S자 모양으로 흐른다.
  2. 버터플라이 밸브는 밸브 몸통 입구와 출구의 중심선이 직각이고 유체도 직각으로 흐른다.
  3. 안전 밸브는 유체의 압력이 일정값을 초과했을 때 밸브가 열려서 압력 상승을 억제할 수 있다.
  4. 게이트 밸브는 밸브 디스크가 유체의 관로를 수직으로 막아서 개폐하고 유체가 일직선으로 흐른다.
(정답률: 59%)
  • 버터플라이 밸브는 원판 모양의 디스크가 중심축을 기준으로 회전하며 개폐하는 구조로, 유체가 직선 방향으로 흐르는 특성을 가집니다. 입구와 출구의 중심선이 직각이며 유체가 직각으로 흐른다는 설명은 틀린 내용입니다.

    오답 노트
    글로브 밸브: 유로가 S자 형태로 굴곡져 흐름
    안전 밸브: 설정 압력 초과 시 자동 개방
    게이트 밸브: 디스크가 수직으로 이동하며 직선 흐름 유도
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8. 그림과 같은 레이디얼 저널(radial journal)의 베어링 압력을 구하는 식은? (단, P는 하중, d는 저널의 지름, l은 저널의 길이이고, 저널에서 압력분포가 일정하다)

(정답률: 66%)
  • 베어링 압력은 하중을 베어링의 투영 면적으로 나눈 값으로 정의합니다. 저널의 지름이 $d$이고 길이가 $l$일 때, 투영 면적은 $d \times l$이 됩니다.
    $$\text{압력} = \frac{P}{d \times l}$$
    따라서 정답은 입니다.
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9. 두께가 같은 2개의 강판을 4개의 리벳(A, B, C, D)으로 네 줄 겹치기 이음할 때, 인장하중 에 의해 발생하는 전단응력이 가장 큰 리벳 2개는?

  1. A, B
  2. A, D
  3. B, C
  4. C, D
(정답률: 75%)
  • 네 줄 겹치기 이음에서 인장하중 $P$가 가해질 때, 양 끝단에 위치한 리벳은 하중을 가장 많이 분담하게 됩니다. 그림에서 가장 바깥쪽에 위치한 A와 D 리벳이 가장 큰 전단응력을 받게 됩니다.
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10. 웜(worm)과 웜휠(worm wheel) 장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 웜과 웜휠의 두 축이 서로 평행하다.
  2. 큰 감속비를 얻을 수 있다.
  3. 웜과 웜휠에 추력이 생긴다.
  4. 웜과 웜휠 사이의 역전을 방지할 수 있다.
(정답률: 70%)
  • 웜과 웜휠 장치는 두 축이 서로 직교(90도)하며 교차하는 구조를 가집니다. 따라서 두 축이 서로 평행하다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    큰 감속비, 추력 발생, 역전 방지(셀프 락킹)는 웜 기어의 대표적인 특징입니다.
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11. 로프 전동장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 연속식 방법으로 로프를 거는 경우, 1개의 로프가 끊어지더라도 운전이 가능하다.
  2. 로프에 사용되는 재료는 와이어, 섬유질 등이 있다.
  3. 전동경로가 직선이 아닌 경우에도 사용이 가능하다.
  4. 장거리 동력전달이 가능하다.
(정답률: 64%)
  • 로프 전동장치의 연속식 거는 방법은 로프들이 서로 연결되어 있어, 하나의 로프가 끊어지면 전체 시스템의 균형이 깨져 운전이 불가능해집니다.

    오답 노트
    와이어, 섬유질 재료 사용: 맞음
    비직선 경로 사용 가능: 맞음
    장거리 동력전달 가능: 맞음
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12. 지름이 200mm인 원통마찰차가 2rad/s로 회전하면서 전달할 수 있는 최대 동력이 80W일 때, 원통마찰차의 최소 폭[mm]은? (단, 원통마찰차의 마찰계수는 0.2이고, 폭 1mm당 허용하중은 10N이다)

  1. 100
  2. 150
  3. 200
  4. 250
(정답률: 57%)
  • 전달 동력과 회전 속도로부터 전달 토크를 구하고, 마찰력을 통해 필요한 하중과 폭을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $b = \frac{P}{\omega \times \mu \times p \times \frac{d}{2}}$
    ② [숫자 대입] $b = \frac{80}{2 \times 0.2 \times 10 \times \frac{200}{2 \times 1000}}$
    ③ [최종 결과] $b = 200$
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13. 축 방향 인장하중 Q가 작용하는 아이볼트(eye bolt)에서 골지름이 바깥지름의 0.8배일 때, 최소 바깥지름은? (단, σs는 기준강도, S는 안전율이다)

(정답률: 44%)
  • 아이볼트의 최소 바깥지름 $D$를 구하기 위해 인장응력 공식 $\sigma = \frac{Q}{A}$를 사용합니다. 골지름 $d = 0.8D$이므로, 단면적 $A = \frac{\pi d^{2}}{4} = \frac{\pi (0.8D)^{2}}{4}$이며, 허용응력은 $\frac{\sigma_{s}}{S}$로 설정합니다.
    ① [기본 공식] $D = \sqrt{\frac{4QS}{\pi (0.8)^{2} \sigma_{s}}}$
    ② [숫자 대입] $D = \sqrt{\frac{4QS}{0.64 \pi \sigma_{s}}} = \sqrt{\frac{6.25QS}{\pi \sigma_{s}}}$
    ③ [최종 결과] $D = \frac{5}{2}\sqrt{\frac{QS}{\pi \sigma_{s}}}$
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14. 판의 두께 b, 용접치수 f, 용접부의 길이 h로 양쪽 필릿(fillet) 용접한 부재에 굽힘모멘트 M이 작용할 때, 목단면(목두께 )에 대한 최대 굽힘응력은?

(정답률: 47%)
  • 양쪽 필릿 용접부에 굽힘모멘트 $M$이 작용할 때, 목단면의 최대 굽힘응력 $\sigma$는 굽힘 공식 $\sigma = \frac{M}{Z}$를 이용합니다. 여기서 $Z$는 단면계수이며, 양쪽 용접부의 목두께 $a = \frac{f}{\sqrt{2}}$를 고려한 단면계수를 적용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\sigma = \frac{3\sqrt{2}M}{fh^{2}}$
    ② [숫자 대입] (기호 기반 문제로 대입 생략)
    ③ [최종 결과]
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15. 사각나사를 사용한 나사잭으로 물건을 들어 올릴 때의 효율에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 자리면 마찰은 무시한다)

  1. 나사의 효율은 나선각이 45°일 때 최대이다.
  2. 나선각이 0°에 가까워지면 효율은 0%에 가까워진다.
  3. 자립 유지 상태에서 나사의 최대 효율은 50%를 넘지 못한다.
  4. 나선각이 같은 경우 나사면의 마찰계수가 커지면 효율은 낮아진다.
(정답률: 32%)
  • 나사의 효율은 나선각과 마찰각의 관계에 의해 결정되며, 나선각이 $45^\circ$일 때 최대가 된다는 설명은 틀린 내용입니다. 일반적으로 나선각이 마찰각의 4배가 될 때 효율이 최대가 됩니다.

    오답 노트
    나선각이 $0^\circ$에 가까워지면 효율은 0%에 수렴함: 맞음
    자립 상태 최대 효율 50% 이하: 맞음
    마찰계수 증가 시 효율 감소: 맞음
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16. 안지름이 200mm이고, 20N/mm2의 내압을 받는 두꺼운 강관의 최소 바깥지름[mm]은? (단, 강관의 허용인장응력은 60MPa이다)

  1. 250
  2. 200√2
  3. 300
  4. 220√2
(정답률: 49%)
  • 두꺼운 원통의 내압에 의한 최대 응력(접선 응력) 공식을 사용하여 바깥지름을 구합니다.
    ① [기본 공식] $\sigma = P \times \frac{d_o^2 + d_i^2}{d_o^2 - d_i^2}$
    ② [숫자 대입] $60 = 20 \times \frac{d_o^2 + 200^2}{d_o^2 - 200^2}$
    ③ [최종 결과] $d_o = 200\sqrt{2}$
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17. 종동 풀리의 지름이 500mm인 평벨트 풀리에 평행걸기된 벨트의 장력비가 2이다. 벨트의 너비는 100mm, 두께는 5mm, 허용인장응력은 2MPa, 이음효율은 80%이다. 유효장력에 의하여 종동 풀리에 전달되는 최대 토크[Nㆍm]는? (단, 원심력은 고려하지 않으며, 토크 계산 시 벨트의 무게와 굽힘응력은 무시한다)

  1. 100
  2. 300
  3. 500
  4. 1,000
(정답률: 31%)
  • 벨트의 허용인장하중과 장력비를 이용하여 유효장력을 구한 뒤, 풀리의 반지름을 곱해 토크를 산출합니다.
    ① [기본 공식] $T = (P_{max} \times \eta \times \frac{k-1}{k}) \times \frac{d}{2}$
    ② [숫자 대입] $T = (2 \times 100 \times 5 \times 0.8 \times \frac{2-1}{2}) \times \frac{0.5}{2}$
    ③ [최종 결과] $T = 100$
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18. 안지름이 40mm, 바깥지름이 60mm인 단판 클러치가 전달하는 최대 토크가 5Nㆍm일 때, 클러치 접촉면에서 축 방향으로 미는 힘[N]은? (단, 접촉면의 마찰계수는 0.2이고, 균일 마모조건이다)

  1. 1,000
  2. 1,500
  3. 2,000
  4. 2,500
(정답률: 43%)
  • 균일 마모 조건에서 단판 클러치의 토크 공식을 이용하여 축 방향 미는 힘을 구합니다.
    ① [기본 공식] $T = \mu F \frac{d_o + d_i}{4}$
    ② [숫자 대입] $5 = 0.2 \times F \times \frac{0.06 + 0.04}{4}$
    ③ [최종 결과] $F = 1000$
    따라서 축 방향으로 미는 힘은 $1,000\text{ N}$ 입니다.
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19. 연성 재료의 순수 전단의 경우, 정적 파손이론으로 변형 에너지설(Von Mises theory)을 적용할 때, 최대 전단응력은? (단, σY는 항복응력, ν는 포아송비이다)

(정답률: 44%)
  • 변형 에너지설(Von Mises theory)에 따르면, 연성 재료의 순수 전단 상태에서 항복이 일어나는 최대 전단응력은 항복응력의 $\frac{1}{\sqrt{3}}$배가 됩니다.
    따라서 정답은 입니다.
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20. 포크(fork)와 아이(eye)를 연결하는 핀(pin) 이음에 인장하중 P＝100kN이 작용할 때, 핀의 허용전단응력이 50N/mm2인 경우, 핀의 최소 지름 d[mm]는? (단, 핀의 전단만을 고려한다)

(정답률: 49%)
  • 포크와 아이 연결 핀 이음은 2군데에서 전단이 발생하는 2중 전단 구조입니다. 따라서 전단 면적은 2배가 되며, 허용전단응력 공식을 통해 지름을 산출합니다.
    ① [기본 공식] $d = \sqrt{\frac{P}{\pi \times \tau \times 2}}$
    ② [숫자 대입] $d = \sqrt{\frac{100 \times 1000}{\pi \times 50 \times 2}}$
    ③ [최종 결과] $d = \sqrt{\frac{4000}{\pi}}$
    따라서 정답은 입니다.
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