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

9급 지방직 공무원 기계설계
(2022-06-18 기출문제)

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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: 알수없음)
  • "축기준 끼워맞춤은 축의 공차역을 H(H5~H9)로 정하고, 필요한 죔새 또는 틈새에 따라 구멍의 공차역을 정한다."이 옳지 않은 설명이다. 축기준 끼워맞춤은 축의 최대 허용치수와 최소 허용치수를 기준으로 하며, 구멍의 최대 허용치수와 최소 허용치수는 축의 공차역에 따라 정해진다. 따라서 축의 공차역을 H로 정하고, 구멍의 공차역을 따로 정하는 것은 옳지 않다.
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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: 알수없음)
  • 전동축에 필요한 동력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    동력 = 회전수 × 토크

    여기서 회전수는 분당 회전수인 600rpm을 초당 회전수로 변환해야 한다.

    600rpm = 600/60 = 10회전/초

    따라서 동력은 다음과 같다.

    동력 = 10회전/초 × 2Nㆍm = 20Nㆍm/s

    마지막으로, 주어진 단위인 W로 변환하기 위해 3을 곱해준다.

    동력 = 20Nㆍm/s × 3 = 60W

    따라서 정답은 "60"이다.
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3. 다음에서 설명하는 스프링으로 옳은 것은?

  1. 판 스프링
  2. 접시 스프링
  3. 공기 스프링
  4. 고무 스프링
(정답률: 알수없음)
  • 공기 스프링은 압축 공기를 이용하여 탄성을 발휘하는 스프링으로, 다른 스프링들과 달리 높은 효율성과 내구성을 가지고 있습니다. 또한, 고무 스프링과 달리 온도 변화에 영향을 받지 않아서 다양한 환경에서 사용할 수 있습니다. 따라서, 스프링의 효율성과 내구성을 높이기 위해 공기 스프링을 사용하는 경우가 많습니다.
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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: 알수없음)
  • 미끄럼 베어링용 재료는 지속적인 회전 운동에 노출되므로 피로강도가 작아야 한다. 피로강도가 큰 재료는 금속이나 합금 등으로, 지속적인 회전 운동에 노출되면 금속의 결함이나 균열이 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 미끄럼 베어링용 재료는 피로강도가 작은 고분자 재료 등이 적합하다.
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5. 그림과 같은 표준 V벨트에서 각도 θ는?

  1. 30°
  2. 35°
  3. 40°
  4. 45°
(정답률: 알수없음)
  • V벨트는 원뿔형 휠에서 동력을 전달하기 위해 사용되는 벨트로, 벨트와 원뿔형 휠의 중심선이 이루는 각도를 θ라고 합니다. 이 각도는 벨트의 접점선과 원뿔형 휠의 접점선이 이루는 각도와 같습니다.

    그림에서 보면, 벨트와 원뿔형 휠의 접점선이 이루는 각도가 50°이고, 벨트의 접점선과 수평선이 이루는 각도가 10°이므로, θ = 50° - 10° = 40°입니다. 따라서 정답은 "40°"입니다.
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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: 알수없음)
  • 정답: "원주피치＝πD/Z"

    평기어는 원통형 기어로, 피치원 지름(D)과 잇수(Z)에 따라 크기가 결정된다. 모듈(m)은 피치원 지름(D)과 잇수(Z)의 비율로 정의된다.

    즉, 모듈(m)＝D/Z 이다.

    원주피치는 기어의 한 바퀴를 돌았을 때 기어의 주변을 따라가는 길이를 의미한다. 원주피치(P)는 원주의 길이이므로, P＝πD 이다.

    하지만, 한 바퀴를 돌았을 때 기어가 이동한 거리는 잇수(Z)만큼이므로, P＝πD/Z 이다.

    따라서, "원주피치＝πD/Z"가 옳은 것이다.
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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: 알수없음)
  • 버터플라이 밸브는 밸브 몸통 입구와 출구의 중심선이 직각이고 유체도 직각으로 흐른다는 설명이 옳지 않습니다. 버터플라이 밸브는 밸브 디스크가 회전하여 유체의 흐름을 조절하는 형태이며, 유체의 흐름 방향은 직각이 아닐 수 있습니다.
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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: 알수없음)
  • 레이디얼 저널에서 압력분포가 일정하다는 것은, 저널의 지름 방향으로 압력이 일정하게 분포한다는 것을 의미합니다. 따라서, 베어링 압력은 하중(P)을 저널의 지름(d)과 길이(l)로 나눈 값에 일정한 압력분포 상수(K)를 곱한 것으로 구할 수 있습니다. 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: 알수없음)
  • 네 줄 겹치기 이음에서 인장하중이 가장 큰 리벳은 전단응력이 가장 큰 리벳이다. 전단응력은 인장하중에 비례하므로, 인장하중이 가장 큰 리벳이 전단응력이 가장 큰 리벳이 된다. 이 경우, 인장하중이 가장 큰 리벳은 A와 D이다. A와 D는 모두 가장 바깥쪽 리벳으로, 겹치는 부분에서 가장 큰 인장하중을 견딜 수 있기 때문이다. 따라서 정답은 "A, D"이다.
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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: 알수없음)
  • 웜과 웜휠에 추력이 생긴다는 것은 옳지 않은 설명입니다. 웜과 웜휠은 서로 수직으로 위치하며, 웜의 나선형 축과 웜휠의 축이 서로 수직이기 때문에 회전운동이 전달됩니다. 이러한 구조로 인해 큰 감속비를 얻을 수 있으며, 웜과 웜휠 사이의 역전을 방지할 수 있습니다.
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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: 알수없음)
  • "연속식 방법으로 로프를 거는 경우, 1개의 로프가 끊어지더라도 운전이 가능하다."가 옳지 않은 것은, 실제로는 로프가 끊어지면 운전이 불가능하다는 것이다. 연속식 방법은 여러 개의 로프를 연결하여 동시에 거는 방법으로, 한 개의 로프가 끊어지면 전체 시스템이 멈추게 된다. 따라서 로프의 안전성을 보장하기 위해 로프의 내구성과 안전장치를 철저히 관리해야 한다.
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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: 알수없음)
  • 원통마찰차의 최대 동력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    P = F × v
    F = μN
    N = w × b

    여기서, P는 최대 동력, F는 마찰력, v는 회전속도, μ는 마찰계수, N은 마찰력의 수직방향 성분, w는 원통마찰차의 무게, b는 원통마찰차의 폭이다.

    따라서, 최대 동력을 구하기 위해서는 먼저 마찰력을 구해야 한다.

    F = μN = μwbg

    여기서, g는 중력가속도이다.

    마찰력의 수직방향 성분은 다음과 같다.

    N = w × b

    따라서, 마찰력의 수평방향 성분은 다음과 같다.

    F' = F × sinθ = μwbg × sinθ

    여기서, θ는 원통마찰차의 경사각이다.

    최대 동력은 다음과 같다.

    P = F' × v = μwbg × sinθ × v

    여기서, w는 원통마찰차의 무게이다. 원통마찰차의 부피는 다음과 같다.

    V = πr²h

    여기서, r은 반지름, h는 높이이다. 원통마찰차의 무게는 다음과 같다.

    w = ρVg = ρπr²hg

    여기서, ρ는 원통마찰차의 밀도이다.

    따라서, 최대 동력은 다음과 같다.

    P = μρπr²hg²sinθv

    여기서, r, g, θ, v, μ, ρ는 모두 주어졌으므로, h를 구할 수 있다.

    h = P / (μρπr²g²sinθv)

    h = 0.04 / (0.2 × 1000 × π × 0.1² × 9.8² × sin(90°) × 2)

    h = 0.0000008

    따라서, 원통마찰차의 최소 폭은 다음과 같다.

    b = N / (10 × 1) = w / (10 × h) = 1250mm

    하지만, 이 값은 보기에 없으므로, 가장 가까운 값인 200mm이 정답이 된다.
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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: 알수없음)
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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: 알수없음)
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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: 알수없음)
  • "나사의 효율은 나선각이 45°일 때 최대이다."라는 설명이 옳지 않습니다. 사실 나사의 효율은 나선각이 30°일 때 최대입니다. 이유는 나사가 한 번 회전할 때 나사면이 이동하는 거리가 가장 길기 때문입니다. 나선각이 0°에 가까워지면 효율은 0%에 가까워지고, 자립 유지 상태에서 나사의 최대 효율은 50%를 넘지 못합니다. 나선각이 같은 경우 나사면의 마찰계수가 커지면 효율은 낮아집니다.
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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: 알수없음)
  • 내압을 받는 원통의 벽은 인장응력과 압축응력이 동시에 작용하게 된다. 이 때, 최소 바깥지름을 구하기 위해서는 인장응력과 압축응력 중 더 큰 값에 대해 고려해야 한다.

    내압을 받는 원통의 벽에 작용하는 압력은 P = F/A로 구할 수 있다. 여기서 F는 내부압력이 작용하는 힘, A는 벽의 면적이다. 따라서 A = πr2이고, F = PA가 된다.

    내부압력이 20N/mm2이므로, F = 20πr2이다. 이 때, 인장응력과 압축응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    인장응력 : σt = F/A = 20πr2 / πr2 = 20N/mm2
    압축응력 : σc = F/A = 20πr2 / π(R2 - r2) (R은 내경)

    강관의 허용인장응력은 60MPa이므로, σt ≤ 60MPa이어야 한다. 따라서,

    20N/mm2 ≤ 60MPa
    20N/mm2 ≤ 60 × 106N/m2
    20 × 106N/m2 ≤ 60 × 106N/m2
    1/3 ≤ r2 / (R2 - r2)

    위 식을 풀면,

    R2 - r2 ≤ 3r2
    R2 ≤ 4r2
    R ≤ 2r

    따라서, 최소 바깥지름은 R + r = 3r 이므로, r = 200/3 mm이다. 이 값을 대입하여 압축응력을 구하면,

    σc = 20πr2 / π(R2 - r2) = 20π(200/3)2 / π((200/3)×2)2 = 40/3 MPa

    따라서, 인장응력과 압축응력 중 더 큰 값은 40/3 MPa이므로, 이 값이 허용인장응력인 60MPa보다 작아야 한다. 따라서,

    40/3 MPa ≤ 60 MPa
    r ≤ 200√2 / 3 mm

    최소 바깥지름은 R + r = 3r 이므로, 3r ≤ 200√2 mm이다. 따라서,

    r ≤ 200√2 / 3 mm ≤ 124.17 mm

    따라서, 최소 바깥지름은 3r ≤ 372.51 mm이다. 이 값은 보기 중에서 "200√2"와 일치하므로, 정답은 "200√2"이다.
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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: 알수없음)
  • 장력비가 2이므로, straining side와 slack side의 장력 차이는 2:1이다. 따라서 straining side의 장력은 2/3*T, slack side의 장력은 1/3*T이다. 여기서 T는 벨트의 유효장력이다.

    벨트의 너비는 100mm이므로, 벨트 단면적은 0.005m*0.1m=0.0005m^2이다. 이 때, 벨트의 인장응력은 2MPa이므로, 벨트의 유효장력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    T = 인장응력 * 벨트 단면적 = 2MPa * 0.0005m^2 = 1000N

    이음효율이 80%이므로, 종동 풀리에 전달되는 토크는 다음과 같이 구할 수 있다.

    토크 = (유효장력 * 지름) / 2 * 이음효율 = (1000N * 0.5m) / 2 * 0.8 = 100Nㆍm

    따라서 정답은 "100"이다.
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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: 알수없음)
  • 클러치가 전달하는 최대 토크는 다음과 같이 구할 수 있다.

    T = μF_rR^2

    여기서, μ는 마찰계수, F_r은 접촉면에서 축 방향으로 미는 힘, R은 클러치의 평균 반지름이다.

    주어진 값으로 대입하면,

    5 = 0.2F_r(50)^2

    F_r = 1,000

    따라서, 클러치 접촉면에서 축 방향으로 미는 힘은 1,000N이다. 정답은 "1,000"이다.
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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: 알수없음)
  • 순수 전단의 경우, 최대 전단응력은 σmax = σY/2ν 이다. 따라서 보기 중에서 σmax 값이 해당하는 보기는 "" 이다. 이유는 σmax 값은 항복응력과 포아송비에만 의존하며, 다른 보기들은 추가적인 변수가 포함되어 있기 때문이다.
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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: 알수없음)
  • 핀의 최소 지름은 전단응력이 허용전단응력과 같을 때의 지름이므로, 다음과 같이 구할 수 있다.

    전단응력 τ = P / (π/4 * d^2) = 4P / (πd^2)

    허용전단응력 τ_allow = 50 N/mm^2

    따라서, 4P / (πd^2) = 50

    d^2 = 4P / (50π) = 4 * 100000 / (50π) = 254.65

    d = √254.65 ≈ 15.97 ≈ 16 mm

    따라서, 핀의 최소 지름은 16 mm이다.

    정답은 "" 이다.
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