9급 국가직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2015-04-18)

9급 국가직 공무원 기계설계 2015-04-18 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 기계설계
(2015-04-18 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 응력집중계수가 1.5인 노치가 있는 기계부품이 인장하중을 받고 있으며, 노치 부분에 걸리는 응력이 30 [MPa]이다. 이때의 공칭 응력[MPa]은?

  1. 20
  2. 45
  3. 0.05
  4. 67.5
(정답률: 66%)
  • 응력집중계수는 공칭 응력에 대해 실제 노치 부분에 발생하는 최대 응력의 비율을 의미합니다.
    ① [기본 공식] $\sigma_{n} = \frac{\sigma}{\alpha}$
    ② [숫자 대입] $\sigma_{n} = \frac{30}{1.5}$
    ③ [최종 결과] $\sigma_{n} = 20$
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2. 볼트의 호칭지름이 30 [mm]일 때, 보통높이너트의 높이[mm]로 가장 적합한 것은? (단, 볼트와 너트는 동일한 강재질이다)

  1. 15
  2. 27
  3. 35
  4. 60
(정답률: 65%)
  • 보통높이 너트의 높이는 일반적으로 호칭지름 $d$의 약 $0.8$배에서 $0.9$배 정도로 설계됩니다.
    ① [기본 공식] $H = 0.9 \times d$
    ② [숫자 대입] $H = 0.9 \times 30$
    ③ [최종 결과] $H = 27$
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3. 원통 위에 감은 실을 풀 때, 실 위의 한 점이 그리는 궤적을 곡선으로 한 기어 치형의 특징으로 옳지 않은 것은?

  1. 변형시킨 전위기어를 사용할 수 있다.
  2. 맞물리는 두 기어의 중심거리가 다소 틀려도 속도비에는 영향이 없다.
  3. 미끄럼률 및 마멸이 균일하며 운동이 원활하다.
  4. 제작상의 오차 및 조립상의 오차가 다소 있더라도 사용에 큰 영향을 미치지 않는다.
(정답률: 78%)
  • 원통 위에 감은 실을 풀 때의 궤적을 이용한 치형은 사이클로이드 치형을 의미합니다. 사이클로이드 치형은 중심거리가 약간 변해도 속도비가 일정하고 오차에 강하지만, 미끄럼률과 마멸이 균일하지 않다는 단점이 있습니다.

    오답 노트
    변형시킨 전위기어 사용 불가: 사이클로이드 치형은 전위가 불가능함 (인볼루트 치형의 특징임)
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4. 실린더형 공기스프링이 있다. 실린더의 지름이 30 [mm], 길이는 200 [mm]이고, 0.3 [MPa]로 압축된 공기가 채워져 있다. 실린더가 압축되는 방향으로 하중 500 [N]이 작용하여 평형을 이룰 때, 실린더의 이동거리[mm]는? (단, 압축된 공기는 이상기체이며, 온도는 일정한 것으로 가정하고, π＝3으로 한다)

  1. 79
  2. 81
  3. 119
  4. 121
(정답률: 44%)
  • 등온 과정에서 이상기체의 상태 방정식($$PV=C$$)을 이용하여, 초기 상태의 압력과 부피가 압축 후의 압력과 부피의 곱과 같음을 이용하여 이동거리를 구합니다.
    ① [기본 공식] $P_{1} \times L_{1} = (P_{1} + \frac{F}{A}) \times (L_{1} - x)$
    ② [숫자 대입] $0.3 \times 200 = (0.3 + \frac{500}{3 \times 30^{2}}) \times (200 - x)$
    ③ [최종 결과] $x = 119$
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5. 적절한 재료로 안전율 3을 적용하여 안지름이 600 [mm], 공급 유체의 내압이 4 [N/mm2]인 원통 용기를 설계한 결과, 용기의 두께가 8 [mm]로 되었다. 이 재료의 기준강도[N/mm2]는?

  1. 75
  2. 150
  3. 225
  4. 450
(정답률: 62%)
  • 원통 용기의 두께 설계 시, 허용 응력은 내압과 지름, 두께의 관계식으로 구하며 기준강도는 허용 응력에 안전율을 곱하여 산출합니다.
    ① [기본 공식] $\sigma = \frac{P \times d}{2 \times t} \times S$
    ② [숫자 대입] $\sigma = \frac{4 \times 600}{2 \times 8} \times 3$
    ③ [최종 결과] $\sigma = 450$
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6. 다음 글에서 설명하고 있는 운동용 나사는?

  1. 톱니나사
  2. 둥근나사
  3. 사각나사
  4. 사다리꼴나사
(정답률: 80%)
  • 축 하중이 한쪽 방향으로만 작용하며, 하중을 받는 면의 경사가 수직에 가까워 효율이 좋고 바이스나 프레스의 이송 나사로 사용되는 특징은 톱니나사의 핵심 정의입니다.
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7. 내접기어의 잇수가 72개, 태양기어의 잇수가 18개, 유성기어의 잇수가 27개인 유성기어장치에서, 내접기어를 고정하고 태양기어를 구동으로 하고, 캐리어를 종동으로 한다. 입력 토크가 10 [N·m]일 때, 출력 토크[N·m]는? (단, 동력 전달 시 손실이 없다고 가정한다)

  1. 2
  2. 15
  3. 40
  4. 50
(정답률: 53%)
  • 유성기어장치에서 내접기어 고정, 태양기어 입력, 캐리어 출력일 때의 토크비는 입력 잇수와 출력 잇수의 비율로 결정됩니다. 출력 토크는 입력 토크에 토크비(증폭비)를 곱하여 산출합니다.
    ① [기본 공식] $T_{out} = T_{in} \times \frac{Z_{s} + Z_{r}}{Z_{s}}$
    ② [숫자 대입] $T_{out} = 10 \times \frac{18 + 72}{18}$
    ③ [최종 결과] $T_{out} = 50$
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8. 번지점프에서 점프대는 로프 길이보다 충분히 높이 설치되어 있다. 로프 길이가 100 [m]이고, 사람이 점프대에 한쪽 끝이 고정된 로프의 끝을 발목에 매고 점프대에서 뛰어내릴 때, 로프의 최대 늘어난 길이[m]의 근삿값으로 가장 적합한 것은? (단, 로프의 스프링 상수 k＝1000 [N/m]이고, 사람의 무게는 1000 [N]이며, 로프의 무게는 무시한다)

  1. 1
  2. 15
  3. 20
  4. 25
(정답률: 31%)
  • 사람이 최하단에 도달했을 때, 감소한 위치에너지가 로프의 탄성 에너지로 모두 전환된다는 에너지 보존 법칙을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $W(L + x) = \frac{1}{2} k x^2$
    ② [숫자 대입] $1000(100 + x) = \frac{1}{2} \times 1000 \times x^2$
    ③ [최종 결과] $x \approx 15$
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9. 그림과 같이 하중 500 [kgf]이 너클조인트의 양단에 가해지고 있다. 이때 전단하중을 고려하여 설계 할 경우, 너클핀의 지름[mm]은? (단, 허용 전단응력은 5 [kgf/mm2]이다)

(정답률: 72%)
  • 너클조인트의 핀은 하중이 가해질 때 두 군데에서 전단이 일어나는 2단 전단 상태입니다. 따라서 전단 면적은 핀 단면적의 2배가 됩니다.
    ① [기본 공식] $d = \sqrt{\frac{W}{2 \times \tau \times \frac{\pi}{4}}}$
    ② [숫자 대입] $d = \sqrt{\frac{500}{2 \times 5 \times \frac{\pi}{4}}}$
    ③ [최종 결과] $d = \sqrt{\frac{200}{\pi}}$
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10. 다음 그림과 같이 4.5 [ton]의 인장력을 맞대기 용접한 판에 작용 시킬 때, 용접부에 발생하는 인장응력[kgf/mm2]은?

  1. 19
  2. 25
  3. 27
  4. 42
(정답률: 85%)
  • 용접부의 인장응력은 작용하는 하중을 용접부의 유효 단면적으로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\sigma = \frac{P}{a \times l}$
    ② [숫자 대입] $\sigma = \frac{4500}{9 \times 20}$
    ③ [최종 결과] $\sigma = 25$
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11. 바흐(Bach)의 축공식에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 연강 축의 최대 처짐각이 0.001 [rad] 이하가 되도록 설계한다.
  2. 연강 축의 길이가 축 지름의 20배일 때 비틀림으로 변형된 각도가 1 ° 이내가 되도록 설계한다.
  3. 연강 축의 최대 처짐량은 축 길이의 0.00033배 이내이어야 한다.
  4. 연강 축의 길이 1 [m]당, 비틀림으로 변형된 각도가 0.25 ° 이내가 되도록 설계한다.
(정답률: 68%)
  • 바흐(Bach)의 축공식은 축의 강성을 확보하기 위한 설계 기준으로, 연강 축의 길이 $1\text{m}$당 비틀림 변형 각도가 $0.25^{\circ}$이내가 되도록 제한하는 규정입니다.
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12. 다음 베어링 중 길이에 비하여 지름이 매우 작은 롤러를 사용한 것으로, 내·외륜의 두께가 얇아 바깥지름이 작으며, 단위 면적에 대한 강성이 커 좁은 장소에서 비교적 큰 하중을 받는 기계장치에 사용되는 것은?

  1. 니들 롤러 베어링
  2. 원통 롤러 베어링
  3. 테이퍼 롤러 베어링
  4. 자동 조심 롤러 베어링
(정답률: 82%)
  • 길이에 비해 지름이 매우 작은 롤러(바늘 모양)를 사용하여 내·외륜 두께를 얇게 만든 베어링으로, 좁은 공간에서 큰 하중을 지지하는 데 최적화된 니들 롤러 베어링에 대한 설명입니다.
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13. 크리프 현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 천이(transient) 크리프 동안에는 시간이 경과함에 따라 크리프 속도는 감소한다.
  2. 일정한 온도에서 하중의 크기가 클수록 크리프 속도가 증가하여 파단에 이르는 시간이 짧아진다.
  3. 고온, 고하중의 경우 크리프 속도가 증가하여 빨리 파단이 발생된다.
  4. 크리프 속도가 최대가 될 때 크리프 한계응력이 발생한다.
(정답률: 53%)
  • 일정한 하중을 가했을 때 시간이 지남에 따라 가공경화로 인해 변형 속도가 줄어들며, 결국 변형이 멈추게 되는 한도를 크리프 한도 또는 크리프 응력이라고 합니다. 따라서 속도가 최대일 때 발생하는 것이 아닙니다.
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14. 헬리컬기어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 치직각 모듈은 축직각 모듈보다 작다.
  2. 좌비틀림 헬리컬기어는 반드시 좌비틀림 헬리컬기어와 맞물려야 한다.
  3. 치직각 단면에서 피치원은 타원이 되며, 타원의 곡률 반지름 중 가장 큰 반지름을 상당스퍼기어 반지름이라고 한다.
  4. 헬리컬기어로 동력을 전달할 때는 일반적으로 축방향하중이 발생된다.
(정답률: 65%)
  • 헬리컬기어가 서로 맞물려 회전하기 위해서는 비틀림 방향이 서로 반대여야 하므로, 좌비틀림 헬리컬기어는 반드시 우비틀림 헬리컬기어와 맞물려야 합니다.
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15. 원통마찰차의 원동차 지름이 300 [mm], 회전수 600 [rpm], 단위 길이[mm]당 허용수직힘이 2.5 [kgf/mm]일 때, 최대전달동력 9 [PS]를 전달하기 위해 필요한 바퀴의 최소 폭[mm]은? (단, 원동차의 표면재료는 목재, 종동차는 주철재이며, 마찰계수는 0.15, π＝3으로 한다)

  1. 100
  2. 150
  3. 200
  4. 300
(정답률: 55%)
  • 전달동력 공식과 허용수직힘의 관계를 이용하여 필요한 바퀴의 최소 폭을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P = \frac{\pi \cdot d \cdot b \cdot f \cdot v}{60 \cdot 75}$ (단, $P$는 동력, $d$는 지름, $b$는 폭, $f$는 마찰계수, $v$는 속도)
    ② [숫자 대입] $9 = \frac{3 \cdot 300 \cdot b \cdot 0.15 \cdot (3 \cdot 300 \cdot \frac{600}{60})}{60 \cdot 75}$ (속도 $v = \frac{\pi d n}{60}$ 대입)
    ③ [최종 결과] $b = 200$
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16. 동력전달을 위한 평벨트 전동장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 직물벨트는 가죽벨트보다 가볍고 인장강도는 크나 유연성이 좋지 않아 전동능력이 떨어진다.
  2. 바로걸기에서 벨트를 수평으로 걸어서 전동하는 경우 긴장측을 위쪽으로 하는 것이 좋다.
  3. 운전 중에 벨트가 풀리에서 벗겨지지 않도록 풀리의 표면은 가운데를 약간 높게 한다.
  4. 벨트 전동장치에서는 속도비를 일정하게 유지하기 곤란하다.
(정답률: 72%)
  • 바로걸기 수평 전동 시, 벨트의 아래쪽을 긴장측으로 설정해야 풀리와의 접촉각이 커져 전달동력이 증가하기 때문입니다.
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17. 다판 클러치에서 접촉면의 안지름이 100 [mm], 바깥지름이 300 [mm]이고, 접촉면압이 0.01 [kgf/mm2]일 경우, 50000 [kgf·mm]이상의 토크를 전달하기 위해 필요한 접촉면 수가 최소 몇 개인가? (단, 마찰계수는 0.2이며, 제동효율은 고려하지 않고, π＝3으로 한다)

  1. 1
  2. 3
  3. 5
  4. 7
(정답률: 67%)
  • 다판 클러치의 전달 토크 공식을 이용하여 필요한 접촉면 수 $z$를 구합니다. 평균 반지름 $R_{avg} = \frac{300+100}{4} = 100\text{mm}$를 사용합니다.
    ① [기본 공식] $T = z \times \mu \times P \times A \times R_{avg}$
    ② [숫자 대입] $50000 = z \times 0.2 \times 0.01 \times (3 \times (150^{2} - 50^{2})) \times 100$
    ③ [최종 결과] $z = 5$
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18. 로프의 인장력 1000 [kgf]이 걸려 있는 상태에서 최대 처짐량을 5 [cm] 정도로 유지하기 위한 로프 풀리의 두 축 사이의 거리[m]의 근사치로 가장 적당한 것은? (단, 로프의 단위길이당 무게는 1 [kgf/m]이다)

  1. 10
  2. 15
  3. 20
  4. 30
(정답률: 45%)
  • 로프의 처짐량 공식을 이용하여 두 축 사이의 거리 $L$을 산출합니다.
    ① [기본 공식] $L = \sqrt{\frac{8 \times P \times \delta}{w}}$
    ② [숫자 대입] $L = \sqrt{\frac{8 \times 1000 \times 0.05}{1}}$
    ③ [최종 결과] $L = 20$
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19. 접착이음에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 비금속재료 및 이종재료까지 접착이 가능하고, 진동 및 충격의 흡수가 가능하다.
  2. 다량의 동시접착으로 자동화가 가능하나, 접착제의 내구성이 약하고 접착 강도의 평가가 어렵다.
  3. 접착이음의 파괴는 계면파괴, 응집파괴 그리고 접착체 파괴로 구분되며, 계면파괴가 가장 흔하게 발생한다.
  4. 접착이음의 강도를 향상시키려면 인장응력을 증가시키고 전단응력을 감소시키면 된다.
(정답률: 69%)
  • 접착이음은 전단응력에는 강하지만 인장응력(박리 응력)에는 매우 취약합니다. 따라서 강도를 향상시키려면 인장응력을 최소화하고 전단응력이 지배적으로 작용하도록 설계해야 합니다.
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20. 물림률이 1.5인 평기어에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 물림률이 1.5인 평기어는 물림길이에서 두 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 1의 비율이고 한 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 0.5의 비율이다.
  2. 물림률이 1.5인 평기어는 물림길이에서 두 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 0.5의 비율이고 한 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 1의 비율이다.
  3. 물림률이 1.5인 평기어는 항상 한 쌍의 기어 이가 물려서 회전한다.
  4. 물림률이 1.5인 평기어는 항상 두 쌍의 기어 이가 물려서 회전한다.
(정답률: 59%)
  • 물림률(Contact Ratio)은 물림길이를 기본 피치로 나눈 값으로, 물림률이 1.5라는 것은 전체 물림길이 중 1만큼은 두 쌍의 이가 동시에 물리고, 나머지 0.5만큼은 한 쌍의 이만 물려 있다는 것을 의미합니다.
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