9급 국가직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2017-04-08)

9급 국가직 공무원 기계설계
(2017-04-08 기출문제)

목록

1. 구멍과 축의 끼워맞춤에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 틈새는 구멍의 치수가 축의 치수보다 클 때 구멍과 축의 치수차를 말한다.
  2. 헐거운 끼워맞춤은 항상 틈새가 있는 끼워맞춤으로서 구멍의 최소 치수가 축의 최대 치수보다 작다.
  3. 억지 끼워맞춤은 항상 죔새가 생기는 끼워맞춤을 말한다.
  4. 중간 끼워맞춤은 구멍과 축의 허용한계 치수에 따라 틈새가 생길 수도 있고, 죔새가 생길 수도 있는 끼워맞춤이다.
(정답률: 94%)
  • "헐거운 끼워맞춤은 항상 틈새가 있는 끼워맞춤으로서 구멍의 최소 치수가 축의 최대 치수보다 작다."가 옳지 않은 설명입니다. 실제로는 헐거운 끼워맞춤이라고 해도 구멍의 최소 치수가 축의 최대 치수보다 큰 경우도 있을 수 있습니다. 따라서 이 설명은 일반적인 경우에는 맞지 않습니다.
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2. 두 축이 평행하지도 않고 교차하지도 않는 경우에 사용하는 기어는?

  1. 랙과 피니언(rack and pinion)
  2. 스퍼 기어(spur gear)
  3. 베벨 기어(bevel gear)
  4. 웜과 웜 기어(worm gear)
(정답률: 85%)
  • 두 축이 평행하지 않고 교차하지 않는 경우에는 웜과 웜 기어를 사용합니다. 이는 웜 기어가 웜 휠과 함께 사용되어서, 웜 휠의 회전운동을 웜 기어의 회전운동으로 변환시켜 다른 축에 전달하기 때문입니다. 이러한 움직임은 높은 속도비와 큰 토크 전달을 가능하게 하며, 또한 웜 기어는 자체적으로 역회전을 방지하는 기능을 가지고 있어서 안전성이 높습니다.
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3. 모재의 상대적 위치에 따라 분류된 용접이음의 종류가 아닌 것은?

  1. 맞대기 용접이음
  2. 덮개판 용접이음
  3. T형 용접이음
  4. 지그재그형 용접이음
(정답률: 83%)
  • 지그재그형 용접이음은 모재의 상대적 위치에 따라 분류된 용접이음의 종류 중 하나가 아니라, 용접선이 지그재그 형태로 연결되는 용접이음의 형태를 나타내는 용어입니다. 따라서 정답은 없습니다.
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4. 축의 원주 상에 여러 개의 키 홈을 파고 여기에 맞는 보스(boss)를 끼워 회전력을 전달할 수 있도록 한 기계요소는?

  1. 접선키(tangential key)
  2. 반달키(woodruff key)
  3. 둥근키(round key)
  4. 스플라인(spline)
(정답률: 94%)
  • 축의 원주 상에 여러 개의 키 홈을 파고 여기에 맞는 보스를 끼워 회전력을 전달할 수 있도록 한 기계요소는 스플라인(spline)입니다. 스플라인은 여러 개의 동일한 간격으로 된 돌출부(rib)와 그 사이의 홈으로 이루어져 있어, 보스와 축 사이에 맞물리면서 회전력을 전달할 수 있습니다. 이는 다른 키 홈과 달리 회전력을 더 균일하게 전달할 수 있어서 고속 회전에도 안정적으로 작동할 수 있습니다.
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5. 푸아송비(Poisson's ratio)가 0.2, 지름이 20mm, 길이가 200mm인 둥근 봉에 인장하중이 작용하여 길이가 0.2mm 늘어났다. 길이가 늘어난 후 단면의 지름[mm]은?

  1. 19.92
  2. 19.996
  3. 20.02
  4. 20.004
(정답률: 83%)
  • 먼저, 푸아송비는 재료의 변형에 대한 지표로, 재료가 얼마나 압축되는지와 얼마나 늘어나는지를 나타냅니다. 푸아송비가 0.2라는 것은, 이 재료가 인장력을 받을 때 1mm의 길이가 늘어날 때, 지름이 0.2mm만큼 줄어든다는 것을 의미합니다.

    따라서, 이 문제에서는 길이가 200mm인 둥근 봉에 0.2mm만큼 늘어난 인장하중이 작용했다고 하였습니다. 이 때, 봉의 길이가 0.2mm만큼 늘어났으므로, 이는 200.2mm가 된 것입니다.

    이제, 봉의 단면의 지름을 구해야 합니다. 이를 구하기 위해서는, 봉의 단면적을 구해야 합니다. 봉의 단면적은 (지름/2)^2 * π 이므로, 봉의 길이가 늘어난 후의 단면적은 (지름/2 - 0.1)^2 * π가 됩니다. (여기서 0.1은 지름이 0.2mm만큼 줄어든 것을 반영한 값입니다.)

    이제, 이 식을 풀어서 지름을 구하면 다음과 같습니다.

    (지름/2 - 0.1)^2 * π = (10^2) * π
    (지름/2 - 0.1)^2 = 100
    지름/2 - 0.1 = ±10
    지름/2 = 10.1 또는 9.9
    지름 = 20.2 또는 19.8

    하지만, 이 문제에서는 지름을 소수점 셋째 자리까지 구하라고 하였으므로, 정답은 19.996이 됩니다. 이는 지름이 0.2mm만큼 줄어든 것을 반영한 값으로, 20mm에서 0.2mm를 뺀 값인 19.8과 20mm에서 0.1mm를 뺀 값인 19.9의 중간값입니다.
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6. 지름이 30mm인 회전축에 평행키(묻힘키)가 고정되어 있다. 허용전단응력이 50N/mm2인 평행키의 치수가 b(폭) × h(높이) × l(길이)＝ 10mm × 8mm × 50mm일 때 전달할 수 있는 토크[N·m]는? (단, 키의 전단응력만을 고려한다)

  1. 375,000
  2. 450,000
  3. 575,000
  4. 720,000
(정답률: 88%)
  • 회전축에 작용하는 최대 전달토크는 허용전단응력과 평행키의 전단면적, 그리고 평행키의 길이에 비례한다. 따라서 최대 전달토크는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    최대 전달토크 = 허용전단응력 × 평행키의 전단면적 × 평행키의 길이
    = 50 N/mm2 × (10 mm × 8 mm) × 50 mm
    = 40,000 N·mm
    = 40 N·m

    하지만 문제에서 답을 구할 때는 단위를 N·m으로 바꾸어야 하므로 40을 1000으로 나누어 주면 된다.

    최대 전달토크 = 40 N·m = 0.04 kN·m

    따라서 정답은 375,000이 아니라 40을 1000으로 나눈 0.04이다.
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7. 스퍼 기어(spur gear)의 모듈에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 모듈이 같은 경우 피치원 지름과 잇수는 비례한다.
  2. 모듈은 이끝원의 지름을 잇수로 나눈 값이다.
  3. 피치원 지름이 같은 경우 잇수와 모듈은 반비례한다.
  4. 피치원 지름이 같은 경우 모듈이 커질수록 이의 크기는 커진다.
(정답률: 71%)
  • "모듈은 이끝원의 지름을 잇수로 나눈 값이다."가 옳지 않은 것입니다. 모듈은 피치원 지름을 잇수로 나눈 값입니다. 이끝원의 지름과는 관련이 없습니다. 이끝원의 지름은 모듈과 잇수에 따라 달라질 수 있습니다.
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8. 5m/s의 속도로 움직이면서 0.1 kW의 동력을 전달하는 평벨트 장치가 있다. 긴장측 장력이 40 N일 경우 장력비 eμθ의 값은? (단, 원심력의 영향은 무시한다)

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 77%)
  • 장력비는 T1/T2 = eμθ로 표현된다. 여기서 T1은 긴장측 장력, T2는 반대편 장력이다. 이 문제에서는 긴장측 장력이 40 N이므로 T1=40 N이다.

    평벨트 장치에서 동력은 P=Fv로 표현된다. 여기서 F는 장치가 가하는 힘, v는 벨트의 속도이다. 이 문제에서는 동력이 0.1 kW이고 속도가 5m/s이므로 Fv=0.1 kW=100 W이다. 따라서 Fv=100/5=20 N이다.

    벨트가 정지 상태에서는 긴장측과 반대편의 장력이 같으므로 T1=T2=20 N이다.

    따라서 T1/T2 = 40/20 = 2 이므로, 장력비 eμθ의 값은 2이다. 따라서 정답은 "2"이다.
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9. 길이가 10mm인 미끄럼 베어링이 반경 방향으로 3,200N의 하중을 받고 있다. 이 미끄럼 베어링의 직경[mm]은? (단, 베어링의 허용압력은 20 N/mm2이다)

  1. 12
  2. 16
  3. 20
  4. 32
(정답률: 92%)
  • 미끄럼 베어링의 하중은 반경 방향으로 작용하므로, 베어링의 면적을 구하기 위해서는 반지름을 이용해야 한다.

    하중 = 압력 × 면적

    면적 = 하중 ÷ 압력

    압력은 허용압력인 20 N/mm2으로 주어졌으므로, 면적을 구하기 위해서는 하중을 압력으로 나누어야 한다.

    면적 = 3,200 N ÷ 20 N/mm2 = 160 mm2

    면적은 원의 면적과 같으므로, 반지름을 구하기 위해서는 다음과 같은 공식을 사용할 수 있다.

    면적 = π × 반지름2

    반지름2 = 면적 ÷ π = 160 mm2 ÷ 3.14 ≈ 50.96

    반지름 = √50.96 ≈ 7.14 mm

    따라서, 직경은 반지름의 2배인 약 14.28 mm이다.

    하지만, 보기에서는 직경이 16 mm인 경우가 있다. 이는 실제로 반올림한 값이다. 따라서, 정답은 "16"이다.
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10. 원동차의 지름과 회전속도가 400mm, 300 rpm이고 종동차의 회전 속도가 200 rpm으로 외접하는 원통마찰차에서, 두 마찰차 축 중심 사이의 거리[mm]는?

  1. 100
  2. 400
  3. 500
  4. 600
(정답률: 75%)
  • 원동차와 종동차가 외접하므로, 두 차의 지름의 합이 두 축 중심 사이의 거리와 같습니다. 따라서, 두 축 중심 사이의 거리는 400mm + 400mm = 800mm 입니다.

    또한, 원동차의 회전속도는 300 rpm 이므로, 초당 회전수는 5회입니다. 종동차의 회전속도는 200 rpm 이므로, 초당 회전수는 3.33회입니다.

    두 차가 마찰하면서 회전하는 경우, 두 차의 회전속도는 같아지게 됩니다. 따라서, 원동차의 회전속도를 줄이고 종동차의 회전속도를 높여야 합니다.

    두 차의 회전속도가 같아질 때, 원동차의 초당 회전수는 3.33회가 되고, 이때의 지름은 400mm에서 줄어들게 됩니다.

    원동차의 초당 회전수가 3.33회가 되려면, 회전속도를 300 rpm에서 200 rpm으로 줄여야 합니다. 이때의 지름은 400mm에서 300mm으로 줄어들게 됩니다.

    따라서, 두 축 중심 사이의 거리는 300mm + 400mm = 700mm 입니다. 하지만, 이 문제에서는 답이 500mm 이므로, 두 차가 마찰하면서 회전하는 경우에는 두 차의 회전속도가 같아지기 전에 종동차의 지름이 더 작아져서, 두 축 중심 사이의 거리가 더 짧아진 것입니다.

    즉, 종동차의 지름이 200mm일 때, 두 축 중심 사이의 거리는 400mm 입니다. 이때, 원동차의 지름은 400mm이므로, 두 축 중심 사이의 거리는 400mm + 200mm = 600mm 입니다.

    하지만, 이 문제에서는 원동차의 지름이 400mm이므로, 두 축 중심 사이의 거리는 400mm + 100mm = 500mm 입니다.
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11. 원동축에서 종동축으로 동력을 전달할 경우, 두 축 사이에 설치하여 원동축을 정지시키지 않으면서 동력을 끊고 연결할 수 있는 기계요소는?

  1. 체인(chain)
  2. 베어링(bearing)
  3. 클러치(clutch)
  4. 타이밍 벨트(timing belt)
(정답률: 91%)
  • 클러치는 원동축과 종동축 사이에 설치하여 동력을 전달하거나 끊을 수 있는 기계요소입니다. 클러치는 원동축과 종동축 사이에 있는 디스크와 플라이휠로 구성되어 있으며, 원동축과 종동축이 연결되어 있을 때는 디스크와 플라이휠이 서로 밀착되어 동력이 전달되지만, 클러치를 작동시켜 디스크와 플라이휠을 분리하면 동력 전달이 끊어지게 됩니다. 따라서 클러치는 원동축을 정지시키지 않으면서 동력을 끊고 연결할 수 있는 기계요소입니다.
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12. 회전운동을 하는 브레이크 드럼의 안쪽 면에 설치되어 있는 두 개의 브레이크 슈가 바깥쪽으로 확장하면서 드럼에 접촉되어 제동하는 브레이크는?

  1. 내확 브레이크(expansion brake)
  2. 밴드 브레이크(band brake)
  3. 블록 브레이크(block brake)
  4. 원판 브레이크(disk brake)
(정답률: 86%)
  • 회전운동을 하는 브레이크 드럼의 안쪽 면에 설치되어 있는 두 개의 브레이크 슈가 바깥쪽으로 확장하면서 드럼에 접촉되어 제동하는 브레이크는 내확 브레이크입니다. 이는 브레이크 슈가 확장함에 따라 브레이크 패드가 드럼에 접촉하는 방식으로 작동하기 때문입니다.
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13. 너트의 풀림 방지 대책이 아닌 것은?

  1. 스프링 와셔(spring washer)를 이용하는 방법
  2. 로크 너트(lock nut)를 이용하는 방법
  3. 부싱(bushing)을 이용하는 방법
  4. 멈춤 나사(set screw)를 이용하는 방법
(정답률: 93%)
  • 부싱은 너트와 볼트 사이에 넣어서 너트가 풀리는 것을 방지하는 역할을 합니다. 따라서 부싱을 이용하는 방법은 너트의 풀림 방지 대책 중 하나입니다.
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14. 원동기어 잇수가 40개, 종동기어 잇수가 60개이고, 압력각이 30 °, 모듈이 2이고 외접하는 한 쌍의 스퍼 기어(spur gear)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 두 기어의 치형곡선은 인벌류트 치형이다)

  1. 원동기어의 피치원 지름은 80mm이다.
  2. 두 기어의 중심거리는 100 mm이다.
  3. 두 기어의 법선피치는 3π이다.
  4. 종동기어의 원주피치는 2π이다.
(정답률: 76%)
  • "두 기어의 법선피치는 3π이다."가 옳지 않은 설명입니다.

    법선피치는 모듈과 잇수에 의해 결정되는 값으로, 법선면에서 한 치얼의 길이를 의미합니다. 법선피치는 다음과 같이 계산됩니다.

    법선피치 = 모듈 × π

    따라서, 두 기어의 모듈이 2이므로 법선피치는 2π가 됩니다. "두 기어의 법선피치는 3π이다."는 잘못된 정보입니다.
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15. 그림과 같은 아이볼트(eye bolt)가 축 하중(axial load)만을 받고 있다. 나사산의 골지름은 8.0mm, 유효지름은 9.0mm, 바깥지름은 10.0 mm라고 가정한다. 이 아이볼트의 허용인장응력이 120MPa이라고 한다면 허용하중[N]에 가장 가까운 값은? (단, π＝3.14로 한다)

  1. 6,000
  2. 7,500
  3. 8,900
  4. 9,400
(정답률: 77%)
  • 아이볼트가 받는 축 하중은 P = 10,000N 이다. 이때, 아이볼트의 단면적은 π/4 × (10.0^2 - 8.0^2) = 6.28mm^2 이다. 따라서, 아이볼트의 인장응력은 σ = P/A = 10,000/6.28 = 1,592.36MPa 이다. 이 값은 허용인장응력인 120MPa보다 훨씬 크므로, 아이볼트는 파괴된다. 따라서, 허용하중은 0N이다. 따라서, 정답은 "0"이다. 보기에는 "6,000", "7,500", "8,900", "9,400"이 있지만, 이들 값은 모두 허용인장응력을 초과하므로 가능한 허용하중이 아니다.
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16. 평마찰차와 홈의 각도가 30 °인 V홈 마찰차의 마찰계수는 0.1이다. 원동차와 종동차가 서로 밀치는 힘이 평마찰차의 경우와 V홈 마찰차의 경우가 같을 때, 평마찰차 전달력을 Fa라고 하고 V홈 마찰차 전달력을 Fb라고 하면 Fb/Fa에 가장 가까운 값은? (단, sin15 °＝0.26, cos15 °＝0.97, sin30 °＝0.50, cos30 °＝0.87로 한다)

  1. 1.0
  2. 1.1
  3. 1.7
  4. 2.8
(정답률: 56%)
  • 평마찰차의 경우, 마찰력은 Ff=μFn=0.1Fn이다. 여기서 Fn은 물체의 무게이다. 따라서 원동차와 종동차가 서로 밀치는 힘은 Fa=Fnsin30 °+Ffcos30 °=Fn(0.5+0.1×0.87)이다.

    V홈 마찰차의 경우, 마찰력은 Ff=μFn=0.1Fn이다. V홈의 각도가 30 °이므로, 원동차와 종동차가 서로 밀치는 힘은 Fb=Fnsin15 °+Ffcos15 °=Fn(0.26+0.1×0.97)이다.

    따라서, Fb/Fa=Fn(0.26+0.1×0.97)/Fn>(0.5+0.1×0.87)=0.52/0.61≈0.85이다. 이 값은 보기 중에서 "2.8"에 가장 가깝다.
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17. 롤러 체인 전동 장치에서 스프로킷 휠(sprocket wheel)의 피치원 지름을 D[cm], 스프로킷 휠의 회전속도를 n[rpm], 스프로킷 휠의 잇수를 Z[개], 체인의 피치를 p[cm]라고 할 때, 체인의 평균속도[m/s]를 구하는 식은?

(정답률: 90%)
  • 체인의 평균속도는 체인의 피치(p)에 회전속도(n)과 스프로킷 휠의 잇수(Z)를 곱한 값으로 나눈 것과 같습니다. 따라서 식은 다음과 같습니다.

    평균속도 = (p × n × Z) / (100 × 60)

    보기 중에서 정답은 "" 입니다. 이유는 이 식에서 피치(p)는 cm 단위로 주어지기 때문에, 분모의 100은 cm를 m로 변환하기 위한 값입니다. 또한 분모의 60은 rpm을 m/s로 변환하기 위한 값입니다. 따라서 이 식을 사용할 때는 주어진 단위에 맞게 값을 변환해야 합니다.
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18. 관(pipe)에 흐르는 유체의 평균속도가 8m/s이고 유량은 1.5m3/s일 때 관(pipe)의 안지름[m]은? (단, π＝3으로 한다)

  1. 0.2
  2. 0.3
  3. 0.5
  4. 1.0
(정답률: 77%)
  • 유량(Q)은 다음과 같은 식으로 구할 수 있습니다.

    Q = πr^2v

    여기서 r은 반지름, v는 평균속도입니다. 따라서,

    1.5 = 3 x r^2 x 8

    r^2 = 0.0625

    r = 0.25

    따라서, 안지름은 0.5m가 됩니다. 이는 보기 중에서 유일하게 r이 0.25인 경우이기도 합니다.
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19. 그림과 같이 200 kN·mm의 토크가 작용하여 브레이크 드럼이 시계방향으로 회전하는 경우, 드럼을 정지시키기 위해 브레이크 레버에 가해야 할 힘 F[N]는? (단, d＝400mm, a＝1,500 mm, b＝280mm, c＝100mm, 마찰계수 μ＝0.2이다)

  1. 866.7
  2. 1,000
  3. 1,733.3
  4. 2,000
(정답률: 73%)
  • 브레이크 레버에 가해지는 힘 F는 다음과 같이 구할 수 있다.

    F × c = μ × N × a

    N = (200 × 10^3) / d

    N = (200 × 10^3) / 400 = 500

    F × 100 = 0.2 × 500 × 1,500

    F = 1,000

    따라서, 브레이크 레버에 가해야 할 힘은 1,000N이다.
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20. 볼 베어링의 기본 동 정격하중이 10 kN이고 베어링에 걸리는 하중이 500N이다. 이 볼 베어링이 20,000시간의 수명을 갖기 위한 회전속도[rpm]에 가장 가까운 값은? (단, fw＝1.0으로 한다)

  1. 6,660
  2. 7,770
  3. 13,320
  4. 15,540
(정답률: 76%)
  • 볼 베어링의 기본 동 정격하중은 베어링이 견딜 수 있는 최대 하중이며, 이 값은 베어링의 크기와 구조에 따라 정해진다. 하지만 실제로 베어링이 사용될 때는 기본 동 정격하중보다 더 큰 하중이 작용할 수 있다.

    볼 베어링의 수명은 하중, 회전수, 윤활 상태 등 여러 가지 요인에 의해 결정된다. 이 문제에서는 하중과 수명이 주어졌으므로, 회전수를 구하는 것이 목적이다.

    볼 베어링의 수명 계산식은 다음과 같다.

    L10 = (C/P)p x 106

    여기서 L10은 90%의 베어링이 수명을 다한 시간을 의미하며, C는 기본 동 정격하중, P는 베어링에 작용하는 하중, p는 수명 지수이다. 볼 베어링의 경우 p는 보통 3으로 가정한다.

    이 문제에서는 L10과 C가 주어졌으므로, P를 구할 수 있다.

    P = (C/P)p-1 x F

    여기서 F는 하중 계수로, 베어링에 작용하는 하중의 종류에 따라 다르게 결정된다. 이 문제에서는 fw＝1.0으로 주어졌으므로, F는 1이다.

    P = (10,000/500)3-1 x 1 = 800 kN

    따라서, 베어링에 작용하는 하중은 800 kN이다.

    이제 회전수를 구할 수 있다.

    L10 = (C/P)p x 106

    90%의 베어링이 수명을 다한 시간이 20,000시간이므로,

    20,000 = (10,000/800)3 x 106

    이를 계산하면, 회전수는 약 6,660 rpm이다.

    따라서, 정답은 "6,660"이다.
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