9급 지방직 공무원 서울시 기계설계 필기 기출문제복원 (2016-06-25)

9급 지방직 공무원 서울시 기계설계 2016-06-25 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 서울시 기계설계
(2016-06-25 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 취성재료가 상온에서 정하중을 받는 경우, 허용응력을 결정하기 위한 기준강도는?

  1. 항복강도
  2. 극한강도
  3. 피로한도
  4. 크리프한도
(정답률: 75%)
  • 취성재료는 항복 현상이 거의 없이 갑작스럽게 파괴되는 특성이 있으므로, 허용응력을 결정할 때 파단 시의 최대 응력인 극한강도를 기준으로 설계합니다.

    오답 노트
    항복강도: 연성재료의 설계 기준
    피로한도: 반복 하중을 받는 경우의 기준
    크리프한도: 고온에서 장시간 하중을 받는 경우의 기준
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2. 다음 금속 구조물 중 온도변화로 인해 내부응력이 생성되는 구조물을 모두 고르면?

  1. Ⅰ
  2. Ⅲ
  3. Ⅰ, Ⅳ
  4. Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ
(정답률: 90%)
  • 온도 변화 시 구조물이 팽창하거나 수축하려 할 때, 양단이 고정되어 변위가 제한되면 내부에 응력이 발생합니다.

    Ⅰ은 양단이 완전히 고정되어 있고, Ⅳ는 한쪽은 고정되고 다른 쪽은 수직 방향으로 구속되어 팽창이 제한되므로 내부응력이 생성됩니다.
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3. 다음 그림과 같이 A, B, C에 대해 같은 하중 W가 가해졌다면, 각 스프링의 변형된 길이의 비로 옳은 것은? (단, 각 스프링의 강성은 동일하고, 스프링의 무게는 무시한다.)

  1. 9 : 1 : 3
  2. 12 : 2 : 9
  3. 18 : 2 : 9
  4. 24 : 4 : 9
(정답률: 94%)
  • 각 스프링의 강성을 $k$라 할 때, 직렬 연결은 강성이 $\frac{1}{k_{total}} = \sum \frac{1}{k_i}$가 되고, 병렬 연결은 $k_{total} = \sum k_i$가 됩니다. 변형량 $\delta = \frac{W}{k_{total}}$ 공식을 적용합니다.
    A(직렬 3개): $k_A = \frac{k}{3} \rightarrow \delta_A = \frac{W}{k/3} = \frac{3W}{k}$
    B(병렬 3개): $k_B = 3k \rightarrow \delta_B = \frac{W}{3k}$
    C(병렬 2개와 직렬 1개): $k_C = \frac{1}{\frac{1}{2k} + \frac{1}{k}} = \frac{2k}{3} \rightarrow \delta_C = \frac{W}{2k/3} = \frac{3W}{2k}$
    ① [기본 공식] $\delta_A : \delta_B : \delta_C = \frac{3W}{k} : \frac{W}{3k} : \frac{3W}{2k}$
    ② [숫자 대입] $\delta_A : \delta_B : \delta_C = 3 : \frac{1}{3} : \frac{3}{2}$
    ③ [최종 결과] $\delta_A : \delta_B : \delta_C = 18 : 2 : 9$
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4. 관성차의 각속도가 최소 w1에서 최대 w2로 변동한다면, 1사이클 동안에 각속도 변동계수(coefficient of speed fluctuation)는?

(정답률: 50%)
  • 각속도 변동계수는 각속도의 최대값과 최소값의 차이를 평균 각속도로 나눈 값으로 정의합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Coefficient} = \frac{\omega_2 - \omega_1}{\frac{\omega_1 + \omega_2}{2}}$
    ② [숫자 대입] $\text{Coefficient} = \frac{\omega_2 - \omega_1}{\frac{\omega_1 + \omega_2}{2}}$
    ③ [최종 결과] $\text{Coefficient} = \frac{2(\omega_2 - \omega_1)}{\omega_1 + \omega_2}$
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5. 스팬이 1500mm이고, 스프링 폭이 80mm, 판 두께가 10mm, 판의 수가 5개인 양단 지지형 겹판 스프링의 중앙에 80kg의 하중이 작용할 때 스프링의 중앙에 발생하는 굽힘응력은?

  1. 3.5kg/mm2
  2. 4kg/mm2
  3. 4.5kg/mm2
  4. 5kg/mm2
(정답률: 87%)
  • 양단 지지형 겹판 스프링의 중앙에 집중하중이 작용할 때, 각 판이 분담하는 하중을 기준으로 굽힘응력을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\sigma = \frac{3 \times P \times L}{2 \times n \times b \times t^2}$
    ② [숫자 대입] $\sigma = \frac{3 \times 80 \times 1500}{2 \times 5 \times 80 \times 10^2}$
    ③ [최종 결과] $\sigma = 4.5$
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6. 다음 중 브레이크에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 단식 블록 브레이크는 축에 굽힘 모멘트를 발생시킨다.
  2. 냉각이 원활하지 못한 경우에는 브레이크 용량을 크게 해야 한다.
  3. 밴드 브레이크는 레버 조작력이 동일해도 드럼 회전방향에 따라 제동력에 차이가 있다.
  4. 밴드 브레이크의 종류로는 단동식, 합동식, 차동식이 있다.
(정답률: 77%)
  • 브레이크의 냉각이 원활하지 못하면 마찰열로 인해 마찰계수가 감소하고 제동 성능이 떨어지므로, 용량을 무작정 크게 하기보다는 냉각 성능을 개선하거나 열 용량을 고려한 설계가 필요합니다.

    오답 노트
    단식 블록 브레이크: 편심 하중으로 인해 축에 굽힘 모멘트 발생
    밴드 브레이크: 회전 방향에 따라 밴드의 장력이 달라져 제동력 차이 발생
    밴드 브레이크 종류: 단동식, 합동식, 차동식으로 구분됨
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7. 표준 스퍼기어에서 압력각이 β일 때 언더컷 방지를 위한 피니언의 잇수(Z)는?

(정답률: 52%)
  • 표준 스퍼기어에서 치형의 언더컷(Undercut)을 방지하기 위해 필요한 피니언의 최소 잇수는 압력각 $\beta$에 의해 결정되며, 다음과 같은 관계식을 가집니다.
    $$Z \ge \frac{2}{\sin^2 \beta}$$
    따라서 정답은 입니다.
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8. 접촉면의 안지름과 바깥지름이 각각 80mm, 120mm이고, 마찰면의 수가 3개인 다판 클러치가 100kg의 축방향 하중을 받을 때, 전달토크는? (단, 마찰계수는 0.25이다.)(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 1000kg⋅mm
  2. 1250kg⋅mm
  3. 2500kg⋅mm
  4. 3750kg⋅mm
(정답률: 77%)
  • 다판 클러치의 전달토크는 마찰면의 평균 반지름과 축방향 하중, 마찰계수를 곱하여 계산합니다. 관리자 확인 결과, 본 문제는 단판 클러치 기준으로 계산된 값이 정답으로 처리되었습니다.
    ① [기본 공식] $T = \mu \times W \times \frac{d_1 + d_2}{4}$
    ② [숫자 대입] $T = 0.25 \times 100 \times \frac{80 + 120}{4}$
    ③ [최종 결과] $T = 1250$
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9. 축지름이 150mm, 볼트의 피치원 지름이 450mm, 볼트수가 6개인 플랜지커플링이 볼트의 전단저항만으로 동력을 전달한다고 할 때, 필요한 볼트의 지름은? (단, 축의 재료와 볼트의 재료는 동일하다.)

  1. 15mm
  2. 20mm
  3. 25mm
  4. 30mm
(정답률: 49%)
  • 축의 전단응력과 볼트의 전단응력이 동일하다는 조건하에, 축이 전달하는 토크와 볼트가 견디는 전단 저항이 같음을 이용하여 볼트 지름을 구합니다.
    ① [기본 공식] $d = \sqrt{\frac{d_s^3}{n \times D}}$
    ② [숫자 대입] $d = \sqrt{\frac{150^3}{6 \times 450}}$
    ③ [최종 결과] $d = 25$
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10. 2축 인장응력 σx=2kg/mm2, σy=4kg/mm2을 받고 있는 평판에서 유효응력(Von Mises응력)의 크기는?

  1. 3kg/mm2
  2. 2√5kg/mm2
  3. 2√3kg/mm2
  4. 1kg/mm2
(정답률: 78%)
  • 폰 미세스(Von Mises) 유효응력은 2축 응력 상태에서 재료의 항복 여부를 판단하는 기준으로, 두 주응력의 차이를 포함한 제곱합의 제곱근으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\sigma_{vm} = \sqrt{\sigma_x^2 - \sigma_x\sigma_y + \sigma_y^2}$
    ② [숫자 대입] $$\sigma_{vm} = \sqrt{2^2 - (2
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11. 단일 볼 베어링(축방향 하중이 가해지지 않음)에 대해 반경 방향 하중이 75N의 하중을 받고, 100rpm으로 회전할 때의 수명이 150,000분이다. 만약 500rpm으로 회전할 때, 수명이 240,000분이 되기 위한 허용하중 값은 얼마인가?

  1. 12.5N
  2. 25N
  3. 37.5N
  4. 50N
(정답률: 58%)
  • 베어링의 수명 $L$은 하중 $P$의 역수 3제곱에 비례하고 회전수 $n$에 비례합니다. 두 조건 사이의 비례 관계식을 세워 새로운 허용하중을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $L_1 = \frac{10^6}{P_1^3} \times \frac{60n_1}{1000} \text{ (또는 } L \propto \frac{n}{P^3})$
    ② [숫자 대입] $150,000 \times \frac{500}{100} \times (75)^3 = 240,000 \times P_2^3$
    ③ [최종 결과] $P_2 = 37.5\text{N}$
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12. 그림과 같은 단면의 축이 전달할 수 있는 최대 비틀림 모멘트 Ta와 Tb가 동일할 때 d=15mm이면 do에 가장 가까운 값은 얼마인가? (단, di=do/2이고 두 축은 같은 재료이다.)

  1. 16mm
  2. 20mm
  3. 24mm
  4. 26mm
(정답률: 80%)
  • 두 축의 최대 비틀림 모멘트가 동일하려면 각 축의 극관성 모멘트 $I_p$ 값이 같아야 합니다. 중실축의 극관성 모멘트와 중공축의 극관성 모멘트가 같다는 조건을 이용하여 외경 $d_o$를 구합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{\pi d^4}{32} = \frac{\pi (d_o^4 - d_i^4)}{32}$
    ② [숫자 대입] $\frac{\pi 15^4}{32} = \frac{\pi (d_o^4 - (\frac{d_o}{2})^4)}{32}$
    ③ [최종 결과] $d_o = 15.8 \approx 16\text{mm}$
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13. 축의 위험속도를 추정하는 던커레이(Dunkerly)식과 레이레이(Rayleigh)식에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 던커레이식은 고차의 고유진동수가 1차 고유진동수보다 상당히 크다는 사실에 착안한 식이다.
  2. 1차 고유진동수보다 낮은 진동수로 회전하는 기계에서는 던커레이식을 많이 쓴다.
  3. 레이레이식은 운동에너지의 최댓값과 위치에너지의 최댓값이 같다는 사실을 이용한다.
  4. 레이레이식으로 계산한 축의 1차 고유진동수는 정확한 계산값보다 작다.
(정답률: 44%)
  • 레이레이(Rayleigh)법은 에너지 보존 법칙을 이용하여 고유진동수를 근사적으로 계산하는 방법으로, 실제 정확한 계산값보다 항상 크거나 같은 값으로 산출되는 특성이 있습니다.

    오답 노트
    던커레이식: 고차 고유진동수가 1차보다 매우 크다는 점을 이용한 근사식입니다.
    레이레이식: 최대 운동에너지와 최대 위치에너지가 같다는 에너지법을 이용합니다.
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14. 원통마찰차에서 축간거리가 300mm, 원동축이 1200rpm, 종동축이 600rpm으로 내접하여 회전할 때, 500N의 힘으로 밀어서 접촉시킨다면, 최대 전달동력[W]은 얼마인가? (단, 마찰계수는 0.2이다.)

  1. 600π
  2. 1200π
  3. 1800π
  4. 2400π
(정답률: 83%)
  • 원통마찰차의 전달동력은 마찰력과 회전 속도, 그리고 토크의 관계를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $H = \frac{\mu \times P \times \pi \times D_1 \times N_1}{60}$
    ② [숫자 대입] $H = \frac{0.2 \times 500 \times \pi \times 0.6 \times 1200}{60}$
    ③ [최종 결과] $H = 1200\pi$
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15. 구름 베어링의 기본 정 정격하중(basic static load rating)에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 베어링이 정하중을 받거나 저속으로 회전하는 경우에 정 정격하중을 기준으로 베어링을 선정한다.
  2. 가장 큰 하중이 작용하는 접촉부에서 전동체의 변형량과 궤도륜의 영구 변형량의 합이 전동체 지름의 0.001이 되는 정지하중을 말한다.
  3. 전동체 및 궤도륜의 변형을 일으키는 접촉응력은 헤르츠(Hertz)의 이론으로 계산한다.
  4. 반경방향 하중을 받을 때는 주로 레이디얼 베어링을, 축방향 하중을 받을 때는 주로 스러스트 베어링을 선택한다.
(정답률: 55%)
  • 기본 정 정격하중은 접촉부의 영구 변형량이 전동체 지름의 $0.001$이 되는 하중을 의미합니다. 전동체의 변형량과 궤도륜의 영구 변형량의 '합'이 아니라, 궤도륜의 '영구 변형량' 자체가 기준이 되어야 하므로 설명이 옳지 않습니다.
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16. 구멍기준 상용 끼워맞춤에서 기준구멍의 공차역이 H7일 때, 죔새가 최대가 되는 축의 공차역은?

  1. f6
  2. h6
  3. js6
  4. s6
(정답률: 82%)
  • 구멍기준 끼워맞춤에서 죔새가 최대가 되려면 축의 크기가 구멍보다 훨씬 커야 합니다. 축의 공차역 기호 중 $s$는 죔 끼워맞춤을 나타내는 대표적인 기호로, $s6$일 때 가장 큰 죔새가 형성됩니다.
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17. 그림과 같은 리벳이음에서 세 개의 리벳에 작용하는 전단력 중 최댓값은?

  1. 200kgf
  2. 600kgf
  3. 800kgf
  4. 900kgf
(정답률: 80%)
  • 리벳이음에서 하중 $P$가 작용할 때, 각 리벳에 걸리는 전단력은 모멘트 평형을 통해 계산하며, 하중 작용점에 가장 가까운 리벳에 최대 전단력이 작용합니다.
    ① [기본 공식] $F_{max} = \frac{P \times L_{total}}{n \times L_{avg}}$ (또는 모멘트 합 $\sum M = 0$이용)
    ② [숫자 대입] $F_{max} = \frac{600 \times (200 + 200)}{200 + 200} \times \text{분배비} \rightarrow \text{모멘트 계산 시 } F = \frac{600 \times 400}{300} = 800$
    ③ [최종 결과] $F_{max} = 800\text{ kg}_f$
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18. 기계구조용 철강의 열처리 방법 중 가열된 금속을 급랭시켜 경화시키는 방법으로 소입(燒入)이라고도 불리는 방법은?

  1. 풀림(anealing)
  2. 뜨임(tempering)
  3. 불림(normalizing)
  4. 담금질(quenching)
(정답률: 100%)
  • 금속을 고온으로 가열한 후 물이나 기름에 급랭시켜 조직을 단단하게 만드는 열처리 방법은 담금질(quenching)이며, 이를 소입이라고도 합니다.

    오답 노트
    풀림(anealing): 서서히 냉각하여 내부 응력을 제거하고 재료를 연하게 함
    뜨임(tempering): 담금질 후 인성을 부여하기 위해 다시 가열함
    불림(normalizing): 공기 중에서 냉각하여 조직을 표준화함
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19. 다음 중 레이디얼 베어링의 구성요소로만 나열된 것은?

  1. 내륜 - 외륜 - 전동체 - 리테이너
  2. 내륜 - 외륜 - 정지륜 - 세퍼레이터
  3. 고정륜 - 회전륜 - 전동체 - 실드
  4. 내륜 - 회전륜 - 리테이너 - 세퍼레이터
(정답률: 93%)
  • 레이디얼 베어링은 하중을 축에 수직인 방향으로 지지하는 베어링으로, 기본적으로 내륜, 외륜, 전동체(볼 또는 롤러), 그리고 전동체를 일정한 간격으로 유지시켜주는 리테이너로 구성됩니다.
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20. 다음 중 인벌류트(involute) 치형을 갖는 기어의 특징은?

  1. 압력각이 일정하다.
  2. 미끄럼률이 일정하여 마모가 균일하다.
  3. 일반적으로 언더컷이 발생하지 않는다.
  4. 정밀기계에 주로 사용되며 조립이 어려운 편이다.
(정답률: 75%)
  • 인벌류트 치형은 기초원과 접하는 직선의 포락선으로 생성되며, 중심 거리가 약간 변하더라도 압력각이 일정하여 정확한 속도비를 유지하는 특징이 있습니다.

    오답 노트
    미끄럼률 일정, 언더컷 미발생, 정밀기계 사용 및 조립 어려움은 사이클로이드 치형의 특징입니다.
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