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

9급 지방직 공무원 서울시 기계설계
(2016-06-25 기출문제)

목록

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

  1. 항복강도
  2. 극한강도
  3. 피로한도
  4. 크리프한도
(정답률: 80%)
  • 취성재료가 상온에서 정하중을 받는 경우, 허용응력을 결정하기 위한 기준강도는 극한강도입니다. 이는 취성재료가 정적인 하중을 받을 때, 최대로 견딜 수 있는 응력의 크기를 나타내는 값으로, 재료의 강도를 평가하는 가장 일반적인 지표입니다. 항복강도는 재료가 일정한 변형률을 초과하면 변형이 영구적으로 발생하는 지점의 강도를 나타내며, 피로한도는 반복적인 하중에 의해 재료가 파괴될 때까지 견딜 수 있는 최대 응력을 나타냅니다. 크리프한도는 고온하중에 의해 재료가 시간에 따라 변형되는 속도를 나타내는 지표입니다.
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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: 84%)
  • Ⅰ은 금속이 냉각되면서 수축하면서 내부응력이 발생하는 구조물이고, Ⅳ는 금속이 가열되면서 팽창하면서 내부응력이 발생하는 구조물입니다. 따라서 온도변화로 인해 내부응력이 발생하는 구조물은 Ⅰ과 Ⅳ입니다.
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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: 96%)
  • 각 스프링에 작용하는 힘은 같으므로, 스프링의 변형된 길이는 각 스프링의 강성에 반비례한다. 따라서, A 스프링의 변형된 길이는 B 스프링의 변형된 길이의 9배, C 스프링의 변형된 길이의 2배이다. 따라서, 변형된 길이의 비는 18 : 2 : 9 이다.
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4. 관성차의 각속도가 최소 w1에서 최대 w2로 변동한다면, 1사이클 동안에 각속도 변동계수(coefficient of speed fluctuation)는?

(정답률: 48%)
  • 각속도 변동계수는 (최대 각속도 - 최소 각속도) / (최대 각속도 + 최소 각속도)로 계산할 수 있다. 따라서 이 문제에서 각속도 변동계수는 (w2 - w1) / (w2 + w1)이다. 이유는 최대 각속도와 최소 각속도의 차이를 최대 각속도와 최소 각속도의 합으로 나누면 상대적인 변동폭을 구할 수 있기 때문이다. 따라서 정답은 ""이다.
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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: 89%)
  • 겹판 스프링의 중앙에 작용하는 하중은 각 겹판에 균등하게 분배되어 작용하므로, 중앙 겹판에 작용하는 하중은 80kg/5 = 16kg이다. 이 때, 겹판 스프링의 중앙에 발생하는 굽힘응력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    M = WL/4 = (16kg)(1500mm)/4 = 6000kg·mm

    I = bh3/12 = (80mm)(10mm)3/12 = 26666.67mm4

    y = h/2 = 10mm/2 = 5mm

    σ = My/Iy = (6000kg·mm)(5mm)/(26666.67mm4) = 1.125kg/mm2

    하지만, 겹판 스프링은 여러 개의 판이 겹쳐져 있으므로, 각 겹판의 두께를 고려해야 한다. 따라서, 실제로는 다음과 같이 계산해야 한다.

    σ = (16kg)(80mm)/(5개)(80mm)(10mm3/12)(5mm) = 4.5kg/mm2

    따라서, 정답은 "4.5kg/mm2"이다.
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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: 72%)
  • 냉각이 원활하지 못한 경우에는 브레이크 용량을 크게 해야 한다는 설명은 옳지 않습니다. 오히려 냉각이 원활하지 못한 경우에는 브레이크 용량을 작게 해야 합니다. 냉각이 원활하지 못하면 브레이크 패드와 디스크(또는 드럼) 사이에 열이 축적되어 제동력이 감소하고 브레이크 성능이 저하됩니다. 따라서 냉각이 원활하지 못한 경우에는 브레이크 용량을 작게 하여 브레이크 패드와 디스크(또는 드럼) 사이의 접촉면적을 줄이고, 열이 축적되는 것을 방지해야 합니다.
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7. 표준 스퍼기어에서 압력각이 β일 때 언더컷 방지를 위한 피니언의 잇수(Z)는?

(정답률: 50%)
  • 압력각 β가 클수록 피니언의 잇수(Z)는 작아져야 한다. 이는 압력각이 커질수록 톱니의 끝부분이 더 많은 접촉력을 받기 때문에 언더컷이 발생할 가능성이 높아지기 때문이다. 따라서 보기 중에서 Z가 가장 작은 ""가 정답이다.
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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: 72%)
  • 전달토크는 마찰력과 반지름에 비례하므로, 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    전달토크 = 마찰력 × 반지름

    마찰력은 마찰계수와 축방향 하중에 비례하므로, 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    마찰력 = 마찰계수 × 축방향 하중

    따라서, 전달토크는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    전달토크 = 마찰계수 × 축방향 하중 × 반지름

    주어진 값에 대입하면 다음과 같습니다.

    전달토크 = 0.25 × 100kg × ((80mm + 120mm) / 2)mm
    = 0.25 × 100kg × 100mm
    = 2500kg⋅mm

    따라서, 정답은 "2500kg⋅mm"입니다.
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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: 47%)
  • 전단저항은 볼트의 단면적과 전단탄성계수에 비례하고, 축지름과 회전수에 반비례한다. 따라서 볼트의 지름을 늘리면 전단저항이 증가하고, 축지름을 늘리면 전단저항이 감소한다. 볼트수가 적을수록 각 볼트가 전달해야 할 동력이 많아지므로, 볼트의 지름을 크게 잡아야 한다. 따라서 볼트의 지름은 25mm가 되어야 한다.
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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%)
  • Von Mises 응력은 다음과 같이 계산됩니다.

    σVM = √(σx2 + σy2 - σxσy + 3τxy2)

    여기서 τxy는 전단응력입니다. 이 문제에서는 전단응력이 주어지지 않았으므로 0으로 가정합니다.

    따라서 Von Mises 응력은 다음과 같이 계산됩니다.

    σVM = √(22 + 42 - 2×2×4 + 3×02) = 2√3kg/mm2

    따라서 정답은 "2√3kg/mm2"입니다.
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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: 60%)
  • 베어링의 수명은 하중과 회전수에 따라 결정된다. 베어링의 수명은 다음과 같은 공식으로 계산된다.

    L10 = (C/P)^3 x 10^6

    여기서 L10은 수명을 나타내며, C는 베어링의 기본 정격하중, P는 적용하중이다. 이 공식에서 기본 정격하중 C는 베어링 제조사에서 정해진 값으로, 베어링의 크기와 재질 등에 따라 다르다.

    따라서, 이 문제에서는 베어링의 기본 정격하중 C를 알 수 없으므로, 다음과 같은 공식을 사용하여 허용하중을 계산한다.

    P2 = P1 x (N2/N1)^p

    여기서 P1은 주어진 하중, N1은 주어진 회전수, N2는 바뀐 회전수, p는 베어링의 수명 지수이다. 일반적으로 p는 3이다.

    따라서, 이 문제에서는 다음과 같이 계산한다.

    P2 = 75 x (500/100)^3 = 9375N

    즉, 500rpm에서의 허용하중은 9375N이다. 이 값과 기본 정격하중 C를 비교하여, C보다 작은 값이 허용하중이 된다. 따라서, 보기에서 정답이 "37.5N"인 이유는, 기본 정격하중 C가 37.5N보다 작은 값이기 때문이다.
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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: 76%)
  • 단면의 축이 전달할 수 있는 최대 비틀림 모멘트는 T=Jτmax/R이다. 여기서 J는 폴라 모멘트, τmax는 최대 전단응력, R은 균형면에서의 반지름이다. 두 축이 같은 재료이므로 τmax는 동일하다. 따라서 T는 J/R에 비례한다. J는 do4-di4에 비례하므로, T는 do4-di4/R에 비례한다. Ta와 Tb가 동일하므로, da와 db에 대해 다음 식이 성립한다.

    da4-di4 = db4-di4

    da4 - db4 = (da2 + db2)(da2 - db2) = (da2 + db2)(da+db)(da-db)

    da2 + db2 = (da+db)(da-db)

    da2 - dadb + db2 = 0

    da = (db ± √(3)db)/2

    T는 do4-di4/R에 비례하므로, do가 커질수록 T는 커진다. 따라서 do에 가장 가까운 값은 da와 db의 평균인 (da+db)/2이다. db=15mm일 때, da는 (15mm+√(3)×15mm)/2≈20.6mm 또는 (15mm-√(3)×15mm)/2≈9.4mm이다. 따라서 do에 가장 가까운 값은 20.6mm과 15mm의 평균인 17.8mm보다는 15mm과 9.4mm의 평균인 12.2mm에 더 가깝다. 따라서 정답은 16mm이다.
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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: 38%)
  • "레이레이식으로 계산한 축의 1차 고유진동수는 정확한 계산값보다 작다."이 옳지 않은 것이다. 이유는 레이레이식은 축의 고유진동수를 정확하게 계산하는 방법 중 하나이며, 1차 고유진동수를 과소평가하지 않는다. 따라서 이 보기는 틀린 설명이다.
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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: 80%)
  • 원통마찰력의 공식은 다음과 같습니다.

    F = μN

    여기서 F는 마찰력, μ는 마찰계수, N은 접촉면에 수직인 힘입니다.

    전달동력은 회전하는 축의 속도와 마찰력의 곱으로 구할 수 있습니다.

    P = 2πFN

    여기서 P는 전달동력입니다.

    종동축과 원동축이 내접하여 회전하므로, 접촉면에 수직인 힘은 500N입니다.

    따라서 마찰력은 다음과 같습니다.

    F = μN = 0.2 × 500 = 100N

    최대 전달동력은 원동축과 종동축 중 속도가 더 빠른 원동축의 속도를 사용하여 구합니다.

    P = 2πFN = 2π × 100 × 1200/60 = 1200π

    따라서 정답은 "1200π"입니다.
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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: 54%)
  • 가장 옳지 않은 설명은 "가장 큰 하중이 작용하는 접촉부에서 전동체의 변형량과 궤도륜의 영구 변형량의 합이 전동체 지름의 0.001이 되는 정지하중을 말한다." 이다. 이 설명은 정정격하중이 아니라 정지하중을 설명하고 있기 때문이다.

    정정격하중은 베어링이 정해진 속도와 방향으로 회전할 때 발생하는 하중을 기준으로 한다. 가장 큰 하중이 작용하는 접촉부에서 베어링이 일어나는 변형량과 영구 변형량의 합이 베어링의 수명을 보장할 수 있는 정격하중을 말한다. 이는 베어링의 내구성과 수명을 결정하는 중요한 요소이다.

    따라서, 정정격하중은 베어링을 선택할 때 고려해야 하는 중요한 요소 중 하나이다.
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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: 84%)
  • 죔새란, 두 개의 부품을 조립할 때 부품 간의 간섭을 최소화하기 위해 두 부품의 최대 간섭을 의미합니다. 따라서, 기준구멍의 공차역이 H7일 때, 죔새가 최대가 되는 축의 공차역은 기준구멍의 공차역보다 작은 값이어야 합니다. 따라서, 보기 중에서 기준구멍의 공차역보다 작은 값인 s6이 정답입니다.
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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 전단력이 작용하는 방향은 수직 방향입니다. 따라서, 세 개의 리벳에 작용하는 전단력 중 최댓값은 각 리벳에 작용하는 전단력의 합과 같습니다.
    따라서, 최댓값은 200kgf + 600kgf + 800kgf = 1600kgf 이므로, 정답은 800kgf 입니다.
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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%)
  • 소입(燒入)은 금속을 가열하여 그 내부의 구조를 변화시킨 후 급속하게 냉각시켜 경도를 높이는 열처리 방법입니다. 이 중에서 급속냉각을 담당하는 방법이 담금질(quenching)입니다. 담금질은 급속냉각으로 인해 금속 내부의 구조가 고체화되어 경도를 높이는 효과가 있습니다.
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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: 88%)
  • 레이디얼 베어링은 내륜과 외륜으로 구성되어 있으며, 이 두 개의 링 사이에는 구슬이 위치하고 있습니다. 이 구슬들은 전동체에 의해 회전하며, 리테이너는 구슬들이 베어링 내에서 균일하게 분포되도록 유지하는 역할을 합니다. 따라서 "내륜 - 외륜 - 전동체 - 리테이너"가 레이디얼 베어링의 구성요소로만 나열된 것입니다.
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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: 62%)
  • 인벌류트 치형을 갖는 기어는 기어의 치면이 곡선으로 되어 있어서, 치면과 치면이 맞닿는 접점에서의 접선이 일정한 각도(압력각)를 이룹니다. 따라서, 인벌류트 치형을 갖는 기어는 압력각이 일정하다는 특징을 가집니다.
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