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

9급 국가직 공무원 기계설계 2017-04-08 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 기계설계
(2017-04-08 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

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: 92%)
  • 헐거운 끼워맞춤은 항상 틈새가 발생해야 하므로, 구멍의 최소 치수가 축의 최대 치수보다 커야 합니다.

    오답 노트
    틈새: 구멍 치수가 축 치수보다 클 때의 차이 (옳음)
    억지 끼워맞춤: 항상 죔새가 발생하는 끼워맞춤 (옳음)
    중간 끼워맞춤: 치수 허용차에 따라 틈새 또는 죔새가 발생 (옳음)
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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: 86%)
  • 두 축이 평행하지도 않고 교차하지도 않는 엇갈린 축(Skew shafts) 사이에서 동력을 전달하기 위해 사용하는 기어는 웜과 웜 기어(worm gear)입니다.
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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: 81%)
  • 용접이음은 모재의 상대적 위치에 따라 맞대기, T형, 겹치기(덮개판) 이음 등으로 분류합니다.

    오답 노트
    지그재그형 용접이음: 이는 이음의 형태나 위치 분류가 아닌 용접 비드(bead)를 쌓는 방법의 일종입니다.
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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: 92%)
  • 축의 원주 상에 여러 개의 키 홈을 만들어 보스와 결합함으로써 큰 회전력을 전달하고 축 방향 이동이 가능하게 한 기계요소는 스플라인(spline)입니다.
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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: 82%)
  • 푸아송비는 축 방향 변형률에 대한 횡방향 변형률의 비를 의미하며, 인장 시 지름은 감소합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta d = -\nu \times \frac{\Delta L}{L} \times d$
    ② [숫자 대입] $\Delta d = -0.2 \times \frac{0.2}{200} \times 20$
    ③ [최종 결과] $\Delta d = -0.004$
    최종 지름은 $20 - 0.004 = 19.996$ mm 입니다.
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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: 86%)
  • 키의 전단응력 공식을 이용하여 전달 가능한 토크를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $T = \frac{\tau d b l}{2}$
    ② [숫자 대입] $T = \frac{50 \times 30 \times 10 \times 50}{2}$
    ③ [최종 결과] $T = 375000$
    단위는 $N \cdot mm$이며, 보기의 수치와 일치합니다.
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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 피치원 지름을 잇수로 나눈 값으로 정의됩니다. 따라서 모듈은 이끝원의 지름이 아니라 피치원 지름을 기준으로 계산해야 합니다.
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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%)
  • 전달 동력 $P$는 $(T_{1} - T_{2})v$로 계산하며, 장력비는 $\frac{T_{1}}{T_{2}} = e^{\mu\theta}$ 입니다.
    ① [기본 공식] $T_{2} = T_{1} - \frac{P}{v}$
    ② [숫자 대입] $T_{2} = 40 - \frac{100}{5} = 20$
    ③ [최종 결과] $e^{\mu\theta} = \frac{40}{20} = 2$
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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: 88%)
  • 미끄럼 베어링의 허용 압력은 하중을 투영 면적(직경 $\times$ 길이)으로 나눈 값과 같습니다.
    ① [기본 공식] $d = \frac{W}{p \times l}$
    ② [숫자 대입] $d = \frac{3200}{20 \times 10}$
    ③ [최종 결과] $d = 16$
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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%)
  • 외접하는 두 마찰차의 축 중심 거리는 두 마찰차 반지름의 합과 같습니다. 먼저 속도비를 이용하여 종동차의 지름을 구한 뒤 중심 거리를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $C = \frac{D_1 + D_2}{2}$
    ② [숫자 대입] $C = \frac{400 + (400 \times \frac{300}{200})}{2}$
    ③ [최종 결과] $C = 500$
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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: 92%)
  • 원동축을 정지시키지 않고도 동력을 자유롭게 연결하거나 끊을 수 있도록 설계된 기계요소는 클러치입니다.
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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: 83%)
  • 브레이크 드럼 내부에서 슈가 바깥쪽으로 확장하며 마찰력을 발생시키는 방식은 내확 브레이크(expansion brake)의 전형적인 특징입니다.
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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%)
  • 너트의 풀림 방지는 진동이나 회전력에 의해 너트가 스스로 돌아가는 것을 막는 장치를 사용하는 것입니다.
    부싱은 축과 구멍 사이의 간극을 조정하거나 마모를 방지하기 위해 끼우는 원통형 부품으로, 너트의 풀림 방지와는 무관합니다.

    오답 노트
    스프링 와셔, 로크 너트, 멈춤 나사는 모두 너트의 회전을 물리적으로 억제하는 풀림 방지책입니다.
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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: 79%)
  • 기어의 기본 제원을 계산하여 각 보기의 적절성을 판단합니다. 법선피치는 원주피치에 $\cos \alpha$를 곱한 값입니다.
    원주피치 $p = m \pi = 2 \pi$이므로, 법선피치 $p_n = p \cos 30^{\circ} = 2 \pi \times 0.866 \approx 1.732 \pi$가 되어 두 기어의 법선피치는 $3 \pi$라는 설명은 틀렸습니다.

    오답 노트
    원동기어 피치원 지름: $d = m z = 2 \times 40 = 80 \text{ mm}$ (옳음)
    중심거리: $C = \frac{m(z_1 + z_2)}{2} = \frac{2(40 + 60)}{2} = 100 \text{ mm}$ (옳음)
    종동기어 원주피치: $p = m \pi = 2 \pi$ (옳음)
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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: 73%)
  • 아이볼트의 허용하중은 나사산의 가장 취약한 부분인 골지름을 기준으로 단면적을 계산하여 구합니다.
    ① [기본 공식] $P = \sigma \times \frac{\pi d^2}{4}$
    ② [숫자 대입] $P = 120 \times \frac{3.14 \times 8^2}{4}$
    ③ [최종 결과] $P = 6028.8 \approx 6,000 \text{ N}$
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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: 53%)
  • V홈 마찰차는 평마찰차보다 마찰 효과가 증대되어 더 큰 전달력을 가집니다. V홈 마찰차의 등가 마찰계수 $\mu'$를 구하여 전달력의 비를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\mu' = \frac{\mu}{\sin \alpha + \mu \cos \alpha}$
    ② [숫자 대입] $\mu' = \frac{0.1}{\sin 15^{\circ} + 0.1 \cos 15^{\circ}} = \frac{0.1}{0.26 + 0.1 \times 0.97} \approx 0.28$
    ③ [최종 결과] $\frac{F_b}{F_a} = \frac{\mu' P}{\mu P} = \frac{0.28}{0.1} = 2.8$
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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: 86%)
  • 체인의 평균속도는 스프로킷 휠의 잇수, 피치, 회전속도를 이용하여 계산하며, 단위 변환($\text{cm} \rightarrow \text{m}$, $\text{rpm} \rightarrow \text{s}$)을 고려해야 합니다.
    $$\frac{pZn}{100 \times 60}$$
    따라서 정답은 입니다.
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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: 75%)
  • 유량은 단면적과 평균속도의 곱으로 나타낼 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $Q = A \times v = \frac{\pi d^{2}}{4} \times v$
    ② [숫자 대입] $1.5 = \frac{3 \times d^{2}}{4} \times 8$
    ③ [최종 결과] $d = 0.5$
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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: 74%)
  • 브레이크 드럼의 회전 토크와 레버에 가해지는 힘의 모멘트 평형 및 마찰력을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $T = \mu F \frac{d}{2} \frac{a}{a-b}$
    ② [숫자 대입] $200000 = 0.2 \times F \times \frac{400}{2} \times \frac{1500}{1500-280}$
    ③ [최종 결과] $F = 1000$
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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: 79%)
  • 베어링의 수명 시간과 회전속도, 하중의 관계식을 이용하여 회전속도를 산출합니다.
    ① [기본 공식] $L_{10h} = \frac{10^{6}}{60n} ( \frac{C}{P} )^{r}$ (볼 베어링 $r=3$)
    ② [숫자 대입] $20000 = \frac{10^{6}}{60n} ( \frac{10000}{500} )^{3}$
    ③ [최종 결과] $n = 6666.7$
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