9급 국가직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2019-04-06)

9급 국가직 공무원 기계설계
(2019-04-06 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 세 줄 나사로 된 만년필 뚜껑을 480 ° 회전시켰더니 3 mm 움직였다면, 이때 만년필 뚜껑에 사용된 나사의 피치[mm]는?

  1. 0.25
  2. 0.5
  3. 0.75
  4. 1.0
(정답률: 76%)
  • 나사의 리드(이동량)는 나사의 줄 수와 피치의 곱이며, 회전 각도에 따른 이동 거리의 비율로 계산할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $n \times p = \frac{\theta}{360} \times L$
    ② [숫자 대입] $3 \times p = \frac{480}{360} \times 3$
    ③ [최종 결과] $p = 0.75$
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2. 디스크 중심으로부터 마찰패드 중심까지의 거리가 100 mm이고, 마찰계수가 0.5인 양면 디스크 브레이크에서 제동토크 50 N·m가 발생할 때, 패드 하나가 디스크를 수직으로 미는 힘[N]은?

  1. 250
  2. 500
  3. 1000
  4. 2000
(정답률: 45%)
  • 양면 디스크 브레이크의 제동토크는 마찰계수, 패드 수, 수직 하중, 유효 반지름의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $T = \mu \times n \times P \times r$
    ② [숫자 대입] $50 = 0.5 \times 2 \times P \times 0.1$
    ③ [최종 결과] $P = 500$
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3. 금속분말을 가압?소결하여 성형한 뒤 윤활유를 입자 사이의 공간에 스며들게 한 것으로, 급유가 곤란한 곳 또는 급유를 못하는 곳에 사용하는 베어링은?

  1. 오일리스 베어링(oilless bearing)
  2. 니들 베어링(needle bearing)
  3. 앵귤러 볼 베어링(angular ball bearing)
  4. 롤러 베어링(roller bearing)
(정답률: 89%)
  • 금속 분말을 소결하여 내부에 윤활유를 함침시킨 베어링은 별도의 급유 없이도 자가 윤활이 가능하도록 설계된 오일리스 베어링(oilless bearing)입니다.

    오답 노트
    니들 베어링: 바늘 모양의 롤러를 사용함
    앵귤러 볼 베어링: 경사각이 있는 궤도를 가진 볼 베어링
    롤러 베어링: 원통형 롤러를 사용하여 하중을 지지함
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4. 정하중 상태에서 비틀림 모멘트만을 받아 동력을 전달하는 지름 d, 허용전단응력 T, 전단탄성계수 G인 중실축이 전달할 수 있는 최대 토크는?

(정답률: 80%)
  • 중실축의 비틀림 응력 공식 $\tau = \frac{16T}{\pi d^3}$에서 최대 토크 $T$에 대해 정리하면 됩니다.
    전단응력과 토크의 관계식에 의해 토크는 전단응력에 비례하고 지름의 세제곱에 비례합니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \frac{16T}{\pi d^3}$
    ② [숫자 대입] $T = \frac{\pi d^3 \tau}{16}$
    ③ [최종 결과] $\frac{\pi d^3 \tau}{16}$
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5. 그림과 같이 피치 2mm, 유효지름 10mm, 나사면 마찰계수 0.3인 삼각나사를 죄기 위한 토크가 100N·mm일 때, 나사의 축방향으로 미는 힘 Q[N]에 가장 가까운 값은? (단, π=3.0으로 하고, 계산에 필요한 삼각함수는 주어진 값을 적용한다)

  1. 21
  2. 27
  3. 49
  4. 66
(정답률: 55%)
  • 삼각나사의 경우 마찰각이 증가하므로 등가 마찰계수 $\mu'$를 먼저 구한 뒤, 토크 공식을 이용하여 축방향 힘 $Q$를 도출합니다.
    삼각나사의 각도가 $60^{\circ}$이므로 $\alpha = 30^{\circ}$이며, $\mu' = \frac{\mu}{\cos \alpha}$를 적용합니다.
    ① [기본 공식] $Q = \frac{2T(\pi d_2 - \mu' p)}{d_2(p + \mu' \pi d_2)}$
    ② [숫자 대입] $Q = \frac{2 \times 100(3 \times 10 - \frac{1}{3} \times 2)}{10(2 + \frac{1}{3} \times 3 \times 10)}$
    ③ [최종 결과] $Q = 49$
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6. 그림과 같은 압력용기에서 내부압력에 의해 용기 뚜껑에 작용하는 전체 하중이 10 kN이고, 용기 뚜껑을 볼트 4개로 체결할 때, 나사산의 면압력만을 고려한 너트의 높이 H[mm]는? (단, 나사의 허용 접촉 면압력 10MPa, 피치 2mm이고, 볼트의 바깥지름과 골지름은 각각 11mm, 9mm이다. 또한, 너트의 각 나사산에 작용하는 축방향 하중은 균등하다)

  1. 20/π
  2. 30/π
  3. 40/π
  4. 50/π
(정답률: 61%)
  • 나사산의 면압력 공식을 이용하여 너트의 높이 $H$를 산출하는 문제입니다.
    전체 하중 $10\text{ kN}$을 볼트 4개가 나누어 가지므로 볼트 1개당 하중 $Q = 2.5\text{ kN}$입니다.
    면압력 $p = \frac{Q}{\pi d_2 H}$ 공식을 사용하여 $H$를 구합니다.
    ① [기본 공식] $H = \frac{Q}{\pi d_2 p}$
    ② [숫자 대입] $H = \frac{2500}{\pi \times 10 \times 10}$
    ③ [최종 결과] $H = \frac{50}{\pi}$
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7. 그림은 나사와 도르래를 이용하여 무게 119.4N의 물체 M을 들어 올리는 장치이다. 적용된 나사가 바깥지름 22mm, 유효지름 20mm, 피치 3mm인 사각나사일 때, 물체를 들어올리기 위해 필요한 최소 힘 P[N]는? (단, 핸들의 지름은 180mm, 사각나사의 마찰계수는 0.1이며, π＝3.0으로 한다. 또한, 물체 M 외 다른 부품의 무게는 모두 무시한다)

  1. 0.5
  2. 0.7
  3. 1.0
  4. 2.0
(정답률: 47%)
  • 도르래 장치에 의해 물체 $M$에 작용하는 하중이 분산되며, 사각나사의 효율과 핸들의 회전력을 이용하여 필요한 힘 $P$를 구하는 문제입니다.
    먼저 도르래에 의해 나사에 전달되는 하중 $Q$는 $119.4 \div 2 = 59.7\text{ N}$입니다.
    나사를 돌리는 데 필요한 토크 $T$는 사각나사 공식 $\text{토크} = \frac{Q}{2}(d_2 p + \mu \pi d_2^2)$를 사용하며, 핸들의 반지름 $R$을 통해 $P = T \div R$로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P = \frac{Q(d_2 p + \mu \pi d_2^2)}{2 \times R}$
    ② [숫자 대입] $P = \frac{59.7(20 \times 3 + 0.1 \times 3 \times 20^2)}{2 \times 90}$
    ③ [최종 결과] $P = 1.0$
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8. 그림은 스프링의 변형을 이용하는 악력기이다. 스프링에 작용하는 주된 변형에너지는?

  1. 굽힘
  2. 압축
  3. 비틀림
  4. 인장
(정답률: 66%)
  • 제시된 악력기의 경우, 손잡이를 쥘 때 스프링의 중심축을 기준으로 양 끝단이 휘어지는 형태가 되므로 주된 변형에너지는 굽힘이 됩니다.
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9. 표준 스퍼기어를 사용하는 유성기어 장치에서 태양기어 잇수는 20이고, 유성기어 잇수는 25이다. 링기어를 고정하고 태양기어를 입력, 캐리어를 출력으로 사용하고자 할 때, 입력 토크가 90N·m이면 출력 토크[N·m]는? (단, 기어의 전동효율은 100%이다)

  1. 20
  2. 45
  3. 405
  4. 450
(정답률: 53%)
  • 유성기어 장치에서 링기어를 고정하고 태양기어를 입력, 캐리어를 출력으로 할 때의 토크비는 입력 잇수와 출력 잇수의 비율(속도비의 역수)로 결정됩니다. 링기어의 잇수 $Z_{r}$은 $Z_{s} + 2Z_{p}$로 계산됩니다.
    ① [기본 공식] $T_{out} = T_{in} \times \frac{Z_{s} + Z_{r}}{Z_{s}}$
    ② [숫자 대입] $T_{out} = 90 \times \frac{20 + (20 + 2 \times 25)}{20} = 90 \times \frac{90}{20}$
    ③ [최종 결과] $T_{out} = 405$
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10. 그림에서 ㉠∼㉣로 표시된 도면기호에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. ㉠－직각도 공차이며, 지시선의 화살표로 나타내는 면은 데이텀 A에 수직하고 0.015 mm만큼 떨어진 두 개의 가상 평행 평면 사이에 있어야 한다.
  2. ㉡－동축도 공차이며, 지시선의 화살표로 나타낸 구멍의 중심축은 데이텀 B의 중심축을 기준으로 하는 지름 0.013mm인 원통 안에 있어야 한다.
  3. ㉢－평행도 공차이며, 지시선의 화살표로 나타내는 지름 40mm 구멍의 중심축은 데이텀 A와 B에 평행한 지름 0.013mm의 원통 내에 있어야 한다.
  4. ㉣－표면 거칠기 기호이며, 선반이나 밀링 등에 의한 가공 흔적이 남아 있지 않은 상급 다듬질 면이어야 한다.
(정답률: 59%)
  • 도면 기호 ㉢은 평행도 공차를 나타내며, 지시선이 가리키는 대상은 구멍의 중심축이 아니라 구멍의 표면(원통면)입니다. 따라서 중심축이 원통 내에 있어야 한다는 설명은 옳지 않습니다.
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11. 관로에서 입구 단면적이 80 cm2이고, 출구 단면적은 20 cm2일 때, 입구에서 4m/s의 속도로 비압축성 유체가 흘러 들어가고 있다면, 출구에서 유체 속도[m/s]는?

  1. 4
  2. 8
  3. 12
  4. 16
(정답률: 70%)
  • 비압축성 유체가 흐르는 관로에서는 입구와 출구의 유량이 동일하다는 연속 방정식의 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $V_{1}A_{1} = V_{2}A_{2}$
    ② [숫자 대입] $4 \times 80 = V_{2} \times 20$
    ③ [최종 결과] $V_{2} = 16$
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12. 원판 모양의 디스크를 회전시켜 관을 개폐하는 방식의 밸브로서 디스크의 열림 각도를 변화시켜 유량을 조절하며, 지름이 큰 관로에 사용되는 것은?

  1. 버터플라이 밸브(butterfly valve)
  2. 체크 밸브(check valve)
  3. 리듀싱 밸브(reducing valve)
  4. 코크 밸브(cock valve)
(정답률: 77%)
  • 원판 모양의 디스크가 회전하며 개폐되는 밸브로, 디스크의 각도로 유량을 조절하며 대구경 관로에 주로 사용되는 것은 버터플라이 밸브(butterfly valve)입니다.
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13. 회전축의 위험속도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 굽힘과 비틀림 변형에너지가 축의 변형과 복원을 반복해서 일으키는 것과 관계가 있다.
  2. 진동현상이 발생되면 축이 파괴되기도 한다.
  3. 축의 상용회전수는 위험속도로부터 ± 20% 내에 들어야 한다.
  4. 세로진동은 비교적 위험성이 적으므로, 주로 휨진동과 비틀림진동을 고려해서 설계한다.
(정답률: 58%)
  • 회전축의 상용회전수는 공진으로 인한 파손을 막기 위해 위험속도와 충분히 떨어져 있어야 합니다.

    오답 노트
    축의 상용회전수는 위험속도로부터 $\pm 20\%$ 내에 들어야 한다 $\rightarrow$ 위험속도 범위 밖($\pm 25\%$이상)으로 설계해야 함
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14. 두 개의 표준 스퍼기어를 사용하여 주축의 회전수가 3000 rpm일 때, 종동축의 회전수를 2000 rpm으로 감속하고자 한다. 양축의 중심거리는 300mm이고, 기어 모듈을 3으로 하였을 때, 사용할 기어의 잇수는?

  1. 20, 30
  2. 40, 60
  3. 60, 90
  4. 80, 120
(정답률: 76%)
  • 기어의 중심거리 공식과 회전수 비(잇수 비)를 이용하여 각 기어의 잇수를 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $$C = \frac{m(z_1 + z_2)}{2}, \quad \frac{n_1}{n_2} = \frac{z_2}{z_1}$$
    ② [숫자 대입]
    $$300 = \frac{3(z_1 + z_2)}{2}, \quad \frac{3000}{2000} = \frac{z_2}{z_1}$$
    ③ [최종 결과]
    $$z_1 = 80, \quad z_2 = 120$$
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15. 축의 원통 외면 또는 구멍의 원통 내면에 조립되는 부품을 축방향으로 고정하거나 이탈을 방지하는 기계요소로 고정링, 혹은 멈춤링으로 불리는 것은?

  1. 키
  2. 스냅링
  3. 록너트
  4. 코터
(정답률: 65%)
  • 축의 외면이나 구멍의 내면에 홈을 파서 끼워 넣어 부품의 축방향 이탈을 방지하는 고정링을 스냅링이라고 합니다.
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16. 두께가 얇은 내경 d, 두께 t를 갖는 원통형 압력용기에 내압 p가 작용하고 있다. 길이방향 응력이 벽 두께에 걸쳐 균일하게 분포할 때, 응력의 크기를 계산하는 식은?

(정답률: 57%)
  • 얇은 원통형 압력용기에서 길이방향 응력(종방향 응력)은 내압에 의한 힘을 원통의 단면적으로 나눈 값입니다.
    $$\sigma_L = \frac{p \times \frac{\pi d^2}{4}}{\pi d t}$$
    위 식을 정리하면 다음과 같습니다.
    $$\sigma_L = \frac{pd}{4t}$$
    따라서 정답은 입니다.
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17. 두 개의 스프로켓이 수평으로 설치된 체인 전동장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 이완측 체인에서 처짐이 부족한 경우 빠른 마모가 진행된다.
  2. 긴장측은 위쪽에 위치하고, 이완측은 아래쪽에 위치한다.
  3. 체인의 피치가 작으면 낮은 부하와 고속에 적합하다.
  4. 양방향회전의 경우에는 긴장측과 이완측의 체인 안쪽에 아이들러를 각각 설치한다.
(정답률: 41%)
  • 양방향 회전 시에는 체인의 이탈을 방지하고 장력을 유지하기 위해 아이들러를 긴장측과 이완측의 안쪽뿐만 아니라 바깥쪽에도 각각 설치해야 합니다.
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18. 균일분포하중을 받는 축에서 양단의 경계조건이 단순지지일 경우 최대처짐각이 1도였다면, 경계조건이 고정/자유지지로 바뀔 경우 최대처짐각은?

  1. 1도
  2. 2도
  3. 3도
  4. 4도
(정답률: 55%)
  • 균일분포하중을 받는 보의 경계조건에 따른 최대처짐각 공식에서, 단순지지 조건보다 고정/자유지지(캔틸레버) 조건의 처짐각 계수가 4배 더 큽니다.
    ① [기본 공식] $\theta_{fixed} = 4 \times \theta_{simple}$
    ② [숫자 대입] $\theta_{fixed} = 4 \times 1$
    ③ [최종 결과] $\theta_{fixed} = 4$
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19. 다음은 유체 토크 컨버터(fluid torque converter)의 작동원리에 대한 설명이다. ㉠∼㉢의 들어갈 말을 옳게 짝 지은 것은? (순서대로 ㉠, ㉡, ㉢)

  1. 스테이터, 펌프 임펠러, 터빈 러너
  2. 펌프 임펠러, 터빈 러너, 스테이터
  3. 펌프 임펠러, 스테이터, 터빈 러너
  4. 유체 클러치, 커플링, 펌프 임펠러
(정답률: 54%)
  • 유체 토크 컨버터의 동력 전달 순서는 엔진과 연결된 펌프 임펠러가 유체를 가속시키고, 이 유체가 터빈 러너를 회전시킨 후, 스테이터를 통해 다시 펌프로 되돌아오는 구조입니다.
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20. 금속재료의 기계적 성질 중 단위가 같은 것만을 모두 고른 것은?

  1. ㄴ, ㄷ
  2. ㄴ, ㄷ, ㄹ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ
(정답률: 66%)
  • 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 피로한도 모두 응력(Stress)의 개념으로, 단위는 동일하게 $\text{Pa}$ 또는 $\text{N/m}^2$ (또는 $\text{MPa}$)를 사용합니다.
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