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

9급 국가직 공무원 기계설계
(2019-04-06 기출문제)

목록

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: 72%)
  • 세 줄 나사는 한 바퀴를 돌기 위해 3mm의 이동이 필요하므로, 피치는 3mm/1바퀴 = 3mm/360도 = 0.0083mm/도 입니다. 따라서, 480도 회전시켰을 때 이동한 거리는 0.0083mm/도 x 480도 = 3.984mm 입니다. 이 값이 3mm이므로, 피치는 3mm/480도 = 0.75mm/도 입니다. 따라서, 정답은 "0.75"입니다.
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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: 38%)
  • 제동토크는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    제동토크 = 마찰력 × 반지름

    여기서 마찰력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    마찰력 = 마찰계수 × 패드 하나가 받는 압력 × 2 (양면 디스크 브레이크이므로)

    패드 하나가 받는 압력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    패드 하나가 받는 압력 = 제동토크 ÷ (마찰계수 × 반지름)

    따라서, 제동토크와 마찰계수, 반지름을 알고 있으므로 패드 하나가 받는 압력을 계산할 수 있습니다.

    제동토크 = 50 N·m
    마찰계수 = 0.5
    반지름 = 100 mm = 0.1 m

    마찰력 = 0.5 × 패드 하나가 받는 압력 × 2
    패드 하나가 받는 압력 = 제동토크 ÷ (마찰계수 × 반지름) = 50 ÷ (0.5 × 0.1) = 1000 N

    따라서, 패드 하나가 디스크를 수직으로 미는 힘은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    패드 하나가 디스크를 수직으로 미는 힘 = 마찰력 = 0.5 × 패드 하나가 받는 압력 × 2 = 0.5 × 1000 × 2 = 1000 N

    하지만, 문제에서는 패드 하나가 디스크를 수직으로 미는 힘을 구하는 것이므로, 위에서 구한 값인 1000 N을 2로 나누어 주어야 합니다.

    따라서, 패드 하나가 디스크를 수직으로 미는 힘은 500 N입니다. 따라서, 정답은 "500"입니다.
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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: 87%)
  • 오일리스 베어링은 윤활유를 사용하지 않고도 자체적으로 마찰을 줄이는 기술을 적용하여 제작된 베어링입니다. 따라서 급유가 곤란한 곳이나 급유를 못하는 곳에서 사용하기에 적합하며, 윤활유를 사용하지 않기 때문에 윤활유 관리나 교환 등의 번거로움이 없습니다.
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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: 78%)
  • 중심축이 전달할 수 있는 최대 토크는 Td³/16G이다. 따라서 보기에서 ""가 정답이다. 이유는 Td³/16G이 d³에 비례하므로 지름이 커질수록 중심축이 전달할 수 있는 최대 토크가 증가하기 때문이다.
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5. 그림과 같이 피치 2mm, 유효지름 10mm, 나사면 마찰계수 0.3인 삼각나사를 죄기 위한 토크가 100N·m일 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: 52%)
  • 나사에 작용하는 마찰력은 F = μN으로 구할 수 있다. 여기서 N은 수직방향으로 작용하는 힘이므로, N = mg로 구할 수 있다. 따라서 F = μmg이다.

    나사를 죄기 위한 토크는 T = Fd로 구할 수 있다. 여기서 d는 나사의 유효지름이다. 따라서 F = T/d이다.

    이를 결합하면, F = μmg = T/d이므로, Q = F/sinθ = (T/d)/sinθ = T/(d sinθ)이다.

    삼각함수를 이용하여 sinθ = 피치/유효지름 = 2/10 = 0.2이다.

    따라서 Q = 100/(10 × 0.2) = 50[N]이다.

    보기에서 가장 가까운 값은 49이므로, 정답은 49이다.
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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: 55%)
  • 너트의 면적은 π/4 x (11^2 - 9^2) = 19π mm^2 이다.
    따라서 너트에 작용하는 전체 하중은 10,000 N / 4 = 2,500 N 이다.
    나사의 허용 접촉 면압력이 10 MPa 이므로, 너트에 작용하는 축방향 하중은 10 MPa x 19π mm^2 = 190π N 이다.
    너트에 작용하는 축방향 하중은 균등하므로, 각 나사산에 작용하는 축방향 하중은 190π N / 4 = 47.5π N 이다.
    각 나사산에 작용하는 축방향 하중은 너트의 높이 H에 비례하므로, H = 47.5π N / (π/4 x 2^2) = 50/π mm 이다. 따라서 정답은 "50/π" 이다.
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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: 40%)
  • 나사의 유효지름은 20mm이므로, 한 바퀴 회전할 때 나사가 올라가는 거리는 3mm이다. 따라서, 나사를 40바퀴 돌려서 물체를 1mm 올릴 수 있다.

    물체를 119.4mm 올리기 위해서는 119.4/1 = 119.4 × 40 = 4776바퀴를 돌려야 한다.

    핸들의 지름이 180mm이므로, 핸들에 작용하는 토크는 P × 180/2 = 90P이다.

    나사의 마찰계수가 0.1이므로, 나사에 작용하는 마찰력은 0.1 × 119.4 = 11.94N이다.

    물체를 들어올리기 위해서는 핸들에 작용하는 토크가 마찰력보다 커야 한다.

    즉, 90P > 11.94N × 20mm = 238.8N·mm 이어야 한다.

    따라서, P > 238.8N·mm / 90mm = 2.654N 이어야 하지만, 문제에서는 π를 3으로 근사하여 계산하라고 하였으므로, P > 238.8N·mm / 90mm × 3 = 0.885N 이다.

    따라서, 최소 힘 P는 1.0N이 되어야 한다.

    즉, 정답은 "1.0"이다.
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8. 그림은 스프링의 변형을 이용하는 악력기이다. 스프링에 작용하는 주된 변형에너지는?

  1. 굽힘
  2. 압축
  3. 비틀림
  4. 인장
(정답률: 66%)
  • 그림에서 스프링이 수직 방향으로 압축되지 않고 수평 방향으로 작용하는 힘에 의해 굽혀지고 있기 때문에 정답은 "굽힘" 입니다.
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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: 44%)
  • 태양기어와 유성기어의 이탈각은 같으므로, 태양기어의 회전수는 유성기어의 회전수보다 5/4배 느리다. 따라서 입력 토크 90N·m은 출력 토크에서 5/4배 높아진다. 즉, 출력 토크는 90 × 5/4 = 112.5N·m이 된다. 이때, 태양기어와 유성기어의 이탈각을 이용하여 출력 토크를 계산하면, 출력 토크는 20/25 × 112.5 = 90N·m이 된다. 하지만 이 문제에서는 기어의 전동효율이 100%이므로, 출력 토크는 입력 토크와 같은 90N·m이 된다. 따라서 정답은 "405"이다.
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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: 54%)
  • ㉡은 옳은 설명이다. 도면에서 ㉢는 지름 40mm 구멍의 공차를 나타내는데, 이 공차는 평행도 공차이며, 지시선의 화살표로 나타내는 지름 0.013mm의 원통 내에 있어야 한다고 설명되어 있다. 하지만 이 설명에서는 데이텀 A와 B에 대한 언급이 없으므로, "㉢-평행도 공차이며, 지시선의 화살표로 나타내는 지름 40mm 구멍의 중심축은 데이텀 A와 B에 평행한 지름 0.013mm의 원통 내에 있어야 한다."로 수정되어야 한다. 따라서, 옳지 않은 설명은 ㉢이다.
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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: 66%)
  • 질량 보존 법칙에 따라 유체의 질량은 일정합니다. 따라서 유체의 질량 유량은 입구와 출구에서 동일합니다.

    유체의 질량 유량은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    입구에서의 유체의 질량 유량 = 출구에서의 유체의 질량 유량

    ρ입구 × A입구 × v입구 = ρ출구 × A출구 × v출구

    여기서 ρ는 유체의 밀도를 나타내며, A는 단면적을 나타냅니다.

    문제에서 ρ는 일정하다고 가정하고, A입구 = 80 cm2, A출구 = 20 cm2, v입구 = 4 m/s 이므로,

    4 × 80 = v출구 × 20

    v출구 = 16

    따라서, 출구에서의 유체 속도는 16 m/s 입니다.
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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: 74%)
  • 원판 모양의 디스크를 회전시켜 관을 개폐하는 방식의 밸브는 버터플라이 밸브입니다. 이 밸브는 디스크의 열림 각도를 조절하여 유량을 조절할 수 있으며, 지름이 큰 관에 사용됩니다. 디스크가 회전하면서 관 내부의 유체가 흐르게 되는데, 이는 버터플라이 밸브가 유량 손실이 적고 작동이 간단하기 때문입니다.
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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: 54%)
  • "축의 상용회전수는 위험속도로부터 ± 20% 내에 들어야 한다." 이 설명이 옳지 않은 것은 아닙니다. 이유는 축의 위험속도는 축의 굽힘과 비틀림 변형에너지가 축의 변형과 복원을 반복해서 일으키는 것과 관계가 있기 때문입니다. 따라서 축의 상용회전수는 위험속도로부터 ± 20% 내에 들어야 안전하게 운전할 수 있습니다.
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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: 73%)
  • 주축과 종동축의 회전수 감속비는 다음과 같습니다.

    감속비 = 주축 회전수 / 종동축 회전수 = 3000 / 2000 = 1.5

    감속비는 기어의 잇수와 중심거리에 의해 결정됩니다.

    감속비 = (중심거리 / 기어 모듈) x (Z2 / Z1)

    여기서 Z1은 주축에 장착된 기어의 잇수, Z2는 종동축에 장착된 기어의 잇수입니다.

    주어진 문제에서 중심거리는 300mm, 기어 모듈은 3이므로,

    1.5 = (300 / 3) x (Z2 / Z1)

    Z2 / Z1 = 1.5 x 3 / 300 = 0.015

    따라서, 가능한 기어의 잇수 조합을 찾아보면,

    Z1 = 20, Z2 = 30 일 때, Z2 / Z1 = 1.5 x 3 / 300 = 0.015
    Z1 = 40, Z2 = 60 일 때, Z2 / Z1 = 1.5 x 3 / 300 = 0.015
    Z1 = 60, Z2 = 90 일 때, Z2 / Z1 = 1.5 x 3 / 300 = 0.015
    Z1 = 80, Z2 = 120 일 때, Z2 / Z1 = 1.5 x 3 / 300 = 0.015

    따라서, 사용할 기어의 잇수는 80과 120입니다.
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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. 스냅링
  2. 록너트
  3. 코터
(정답률: 63%)
  • 스냅링은 축의 원통 외면 또는 구멍의 원통 내면에 쉽게 조립되고, 축방향으로 고정되거나 이탈을 방지하는 기계요소입니다. 이는 스냅링이 간단하게 설치되고 제거될 수 있기 때문입니다. 따라서 "스냅링"이 정답입니다.
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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: 49%)
  • 원통형 압력용기의 길이방향 응력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    σ = pd / 2t

    여기서 p는 내부 압력, d는 내경, t는 두께를 나타낸다. 이 식에서 분모인 2t는 벽 두께가 얇은 경우에는 무시할 수 있으므로, 최종적으로는 다음과 같이 간단하게 표현할 수 있다.

    σ = pd

    따라서 정답은 ""이다.
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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: 31%)
  • 정답은 "체인의 피치가 작으면 낮은 부하와 고속에 적합하다."입니다.

    양방향 회전의 경우에는 체인이 뒤집히는 현상이 발생할 수 있기 때문에, 긴장측과 이완측 모두에 아이들러를 설치하여 체인이 빠져나가지 않도록 합니다. 이완측 체인에서 처짐이 부족한 경우에는 체인이 스프로켓에서 떨어져 마모가 더욱 심해질 수 있습니다. 긴장측은 체인을 긴장시켜주는 역할을 하기 때문에 위쪽에 위치하고, 이완측은 체인을 이완시켜주는 역할을 하기 때문에 아래쪽에 위치합니다.
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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: 43%)
  • 고정/자유지지로 바뀌면서 경계조건이 강해지므로 최대처짐각은 증가한다. 따라서 단순지지일 때의 1도보다는 더 큰 값이 나와야 한다. 따라서 정답은 "4도"이다.
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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: 48%)
  • ㉠: 펌프 임펠러, ㉡: 터빈 러너, ㉢: 스테이터

    유체 토크 컨버터는 펌프 임펠러와 터빈 러너로 이루어진 두 개의 회전 부품과, 이 두 부품을 감싸고 있는 스테이터로 구성되어 있다. 펌프 임펠러는 엔진에서 전달되는 동력을 이용하여 유체를 회전시키고, 이 회전된 유체는 터빈 러너를 회전시키면서 동력을 전달한다. 스테이터는 유체의 흐름을 제어하여 회전하는 유체의 방향을 바꾸어 토크 변환 효율을 높이는 역할을 한다. 따라서, 펌프 임펠러와 터빈 러너는 유체의 회전을 이용하여 동력을 전달하는 역할을 하고, 스테이터는 유체의 흐름을 제어하여 토크 변환 효율을 높이는 역할을 한다.
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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: 60%)
  • 정답은 "ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ" 입니다. 이유는 모두 단위가 압력(psi)로 표시되어 있기 때문입니다. 다른 보기들은 단위가 다르거나, 압력 외의 다른 물리량으로 표시되어 있습니다.
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