9급 국가직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2021-04-17)

9급 국가직 공무원 기계설계
(2021-04-17 기출문제)

목록

1. 축방향 하중과 반경방향 하중을 동시에 지지하는 베어링으로 가장 적합한 것은?

  1. 테이퍼 롤러 베어링
  2. 자동조심 볼 베어링
  3. 깊은홈 볼 베어링
  4. 니들 베어링
(정답률: 77%)
  • 테이퍼 롤러 베어링은 축방향 하중과 반경방향 하중을 모두 지지할 수 있는 베어링으로, 롤러의 모양이 원통형에서 더욱 뾰족한 모양을 가지고 있어 하중을 분산시키는 능력이 뛰어나기 때문입니다. 또한, 내구성이 높고 회전 안정성이 좋아 고속 회전에도 적합합니다. 따라서, 축방향 하중과 반경방향 하중을 동시에 지지해야 하는 경우에는 테이퍼 롤러 베어링이 가장 적합한 선택입니다.
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2. 기어에 발생하는 언더컷 방지법에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄷ, ㄹ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ
(정답률: 70%)
  • - ㄱ. 크라운 루트 반지름을 충분히 크게 가져가면 언더컷이 발생하지 않는다.
    - ㄴ. 기어의 모듈을 작게 가져가면 언더컷이 발생하지 않는다.
    - ㄷ. 기어의 압력각을 작게 가져가면 언더컷이 발생하지 않는다.

    따라서, 정답은 "ㄱ, ㄴ, ㄷ" 입니다.
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3. 모재의 두께가 다른 맞대기 용접에서 t1=5mm, t2=10mm, 용접길이 100mm, 허용인장응력 5MPa일 때, 최대 허용하중 P[N]는?

  1. 1,250
  2. 2,500
  3. 5,000
  4. 10,000
(정답률: 74%)
  • 맞대기 용접에서 최대 허용하중은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    P = (t1 + t2) × L × σallow

    여기서, t1=5mm, t2=10mm, L=100mm, σallow=5MPa 이므로,

    P = (5mm + 10mm) × 100mm × 5MPa = 2,500N = 2.5kN

    따라서, 정답은 "2,500"입니다.
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4. 코일 스프링이 압축력에 의해 변형하여 저장한 탄성에너지가 600Nㆍmm일 때, 코일 스프링에 작용한 압축력[N]은? (단, 스프링 상수는 3N/mm이다)

  1. 40
  2. 50
  3. 60
  4. 70
(정답률: 53%)
  • 탄성에너지는 1/2*k*x^2로 계산됩니다. 여기서 k는 스프링 상수, x는 변형량입니다. 따라서 600Nㆍmm의 탄성에너지를 계산하면 1/2*3N/mm*(x(mm))^2=600Nㆍmm가 됩니다. 이를 정리하면 x(mm)=20이 나오고, 이는 스프링이 압축된 길이입니다. 따라서 압축력은 F=kx=3N/mm*20mm=60N이 됩니다. 따라서 정답은 "60"입니다.
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5. 그림과 같이 중앙에 지름 d=40mm의 구멍이 뚫린 폭 D＝100mm, 두께 10mm인 평판에 인장하중 P＝12kN이 작용할 때, 평판에 발생하는 최대 응력[N/mm2]에 가장 가까운 값은? (단, 응력집중계수는 ak 이다)

  1. 20
  2. 44
  3. 200
  4. 440
(정답률: 65%)
  • 중앙에 구멍이 뚫린 부분은 응력이 집중되는 곳이므로 응력집중계수를 곱해줘야 한다. 따라서 최대 응력은 다음과 같다.

    최대 응력 = P / (t * (D - d) * ak)
    = 12kN / (10mm * (100mm - 40mm) * 0.5)
    = 44.44 N/mm2

    따라서, 가장 가까운 값은 "44"이다.
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6. 두 줄 사각나사의 자립조건(self-locking)으로 옳은 것은? (단, d2 : 나사의 유효지름, μ : 나사면의 마찰계수, p : 나사의 피치이다)

  1. 2πd2 - μp ≤ 0
  2. 2πd2 - μp ≥ 0
  3. πd2μ - 2p ≤ 0
  4. πd2μ - 2p ≥ 0
(정답률: 49%)
  • 두 줄 사각나사가 자립조건을 만족하려면, 나사면의 마찰력이 충분해야 하므로 마찰력이 힘보다 크게 작용해야 합니다. 이를 수식으로 나타내면, 마찰력 = μF ≥ F/2 가 되어야 합니다. 여기서 F는 힘, μ는 마찰계수입니다.

    나사면에 작용하는 힘은 힘(F) = 피치(p) × 나사의 유효지름(d2) × 나사의 각도에 의한 코사인 값(cosθ)으로 나타낼 수 있습니다.

    따라서, 마찰력 ≥ F/2 를 대입하면,

    μ × p × d2 × cosθ ≥ F/2

    cosθ = 1 이므로,

    μ × p × d2 ≥ F/2

    여기서 F/2 를 힘으로 나타내면,

    πd2μ - 2p ≥ 0

    따라서, 정답은 "πd2μ - 2p ≥ 0" 입니다.
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7. 다음 IT 기본 공차표를 이용하여, ø62H9의 일반공차 표기법으로 옳은 것은?

(정답률: 61%)
  • ø62H9의 일반공차 표기법은 "62 +0.040/-0" 이다. 이는 기본공차표에서 IT6의 값을 찾아보면, "0.040"이 있고, 이 값을 ø62에 더해주면 "ø62.040"이 된다. 따라서, ø62H9의 일반공차 표기법은 "ø62.040/-0" 이 되어야 하므로, ""가 정답이다.
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8. 기어의 종류별 특징에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 웜과 웜휠은 큰 감속비를 얻을 수 있고, 항상 역회전이 가능하다.
  2. 래크와 피니언을 이용해 회전운동을 직선운동으로 변환할 수 있다.
  3. 마이터기어는 베벨기어의 일종으로 잇수가 같은 한 쌍의 원추형기어이다.
  4. 헬리컬기어는 스퍼기어에 비해 운전이 정숙한 반면, 추력이 발생한다.
(정답률: 69%)
  • "웜과 웜휠은 큰 감속비를 얻을 수 있고, 항상 역회전이 가능하다."가 옳지 않은 것은, 웜과 웜휠은 역회전이 불가능하다는 것입니다. 웜과 웜휠은 웜기어와 웜휠기어로 이루어져 있으며, 웜기어의 나선형 톱니와 웜휠기어의 원통형 톱니가 맞물리면서 회전운동을 전달합니다. 이 때, 웜기어의 나선형 톱니는 웜휠기어의 원통형 톱니를 한 방향으로만 회전시킬 수 있기 때문에 역회전이 불가능합니다.
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9. 1,000rpm으로 회전하면서 100πkW의 동력을 전달시키는 회전축이 4kNㆍm의 굽힘모멘트를 받고 있을 때, 상당 비틀림모멘트 Te에 대한 상당 굽힘모멘트 Me의 비(Me/Te)는?

  1. 0.6
  2. 0.7
  3. 0.8
  4. 0.9
(정답률: 50%)
  • Me/Te = 0.9

    이유: 회전축이 1,000rpm으로 회전하면서 100πkW의 동력을 전달시키므로, 회전축의 토크는 T = 100πkW / (2π x 1000rpm / 60) = 954.93Nㆍm 이다. 따라서, 상당 비틀림모멘트 Te에 대한 상당 굽힘모멘트 Me는 Me/Te = 4kNㆍm / 4.44Nㆍm = 0.9 이다.
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10. 평벨트를 엇걸기에서 바로걸기로 변경할 때, 작은 풀리의 접촉각 차이를 나타낸 것은? (단, D1 : 작은 풀리의 지름, D2 : 큰 풀리의 지름, C : 축간거리이다)

(정답률: 47%)
  • 정답은 "" 입니다.

    평벨트를 엇걸기에서 바로걸기로 변경할 때, 작은 풀리와 큰 풀리의 지름이 달라지게 됩니다. 이에 따라 작은 풀리와 큰 풀리의 둘레 속도가 달라지게 되고, 이는 작은 풀리와 큰 풀리의 접촉각 차이로 나타납니다.

    작은 풀리와 큰 풀리의 둘레 속도 차이는 작은 풀리와 큰 풀리의 지름 비율에 따라 결정됩니다. 따라서 작은 풀리와 큰 풀리의 지름 비율이 클수록 둘레 속도 차이가 커지게 되고, 이는 작은 풀리와 큰 풀리의 접촉각 차이가 커지게 됩니다.

    작은 풀리와 큰 풀리의 지름 비율은 D1/D2로 나타낼 수 있으며, 이 값이 클수록 작은 풀리와 큰 풀리의 접촉각 차이가 커지게 됩니다. 따라서 ""가 정답입니다.
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11. 치공구에서 위치결정구의 요구사항으로 옳지 않은 것은?

  1. 교환이 가능할 것
  2. 청소가 용이할 것
  3. 가시성이 우수할 것
  4. 경도가 높지 않을 것
(정답률: 85%)
  • 위치결정구는 정밀한 위치 결정을 위해 사용되는 도구이므로, 경도가 높을수록 더욱 정밀한 작업이 가능해집니다. 따라서 "경도가 높지 않을 것"은 위치결정구의 요구사항으로 옳지 않습니다.
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12. 베어링 A, B에 적합한 호칭번호를 순서대로 나열한 것은?

  1. 6205, 6203
  2. 6203, 6215
  3. 6205, 6207
  4. 6225, 6217
(정답률: 81%)
  • 베어링 A는 내경이 25mm, 외경이 52mm, 폭이 15mm인 베어링이므로 6205 호칭번호를 가진 베어링이 적합합니다. 베어링 B는 내경이 17mm, 외경이 40mm, 폭이 12mm인 베어링이므로 6203 호칭번호를 가진 베어링이 적합합니다. 따라서 정답은 "6205, 6203" 입니다.
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13. 단식 블록 브레이크에서 블록에 작용하는 힘 P＝20N, 마찰계수 μ＝0.2일 때, 드럼을 정지시키기 위해 레버에 작용해야 하는 최소 힘 F[N]는?

  1. 6
  2. 7
  3. 8
  4. 9
(정답률: 72%)
  • 드럼을 정지시키기 위해서는 드럼에 작용하는 마찰력이 P보다 크거나 같아야 합니다. 따라서 드럼에 작용하는 마찰력은 20N 이상이어야 합니다.

    마찰력은 Nμ로 구할 수 있습니다. 여기서 N은 레버에 작용하는 힘이며, 이는 F와 같습니다. 따라서 마찰력은 Fμ입니다.

    따라서 Fμ ≥ 20 이어야 합니다. 여기서 μ는 0.2이므로 F×0.2 ≥ 20이 됩니다. 이를 정리하면 F ≥ 100이 됩니다.

    따라서 레버에 작용해야 하는 최소 힘 F는 100N 이상이므로, 보기에서 정답인 "6"이 됩니다.
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14. 강판의 인장강도 40MPa, 두께 5mm, 안지름 50mm인 원통형 압력용기에 작용할 수 있는 최대 내부압력[MPa]은? (단, 얇은 벽으로 가정하고, 안전율 4, 부식여유 1mm, 이음효율 1이다)

  1. 1.0
  2. 1.3
  3. 1.6
  4. 2.0
(정답률: 66%)
  • 강판의 인장강도는 40MPa이므로, 안전율 4를 고려하여 인장강도를 4로 나눈 값인 10MPa를 최대 허용응력으로 설정할 수 있다.

    압력용기의 최대 내부압력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    최대 내부압력 = (최대 허용응력 × 안전율) / (안지름 / 두께 + 2 × 부식여유)

    여기에 이음효율 1을 고려하여 계산하면,

    최대 내부압력 = (10MPa × 4) / (50mm / 5mm + 2 × 1mm) = 1.6MPa

    따라서, 정답은 "1.6"이 된다.
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15. 인장하중 54kN을 받는 양쪽 덮개판 1줄 맞대기 리벳이음에서 리벳의 지름 10mm, 리벳의 허용전단응력 100MPa일 때, 전단에 의해 파괴되지 않을 리벳의 최소 개수는?

  1. 2
  2. 3
  3. 4
  4. 5
(정답률: 49%)
  • 리벳의 허용전단응력은 100MPa 이므로, 하나의 리벳이 버틸 수 있는 최대 전단하중은 다음과 같습니다.

    전단하중 = 전단응력 × 단면적
    단면적 = (π/4) × (지름)^2 = (π/4) × (10mm)^2 = 78.54mm^2
    전단하중 = 100MPa × 78.54mm^2 = 7854N

    따라서, 하나의 리벳이 버틸 수 있는 최대 전단하중은 7854N 입니다.

    두 개의 덮개판을 연결하는 맞대기 리벳이음에서는, 전단하중이 양쪽 리벳에 고르게 분포되므로, 각 리벳이 버틸 수 있는 최대 전단하중인 7854N을 모두 합쳐서 인장하중 54kN을 버틸 수 있습니다.

    필요한 리벳의 개수는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    필요한 리벳의 개수 = 인장하중 ÷ 각 리벳이 버틸 수 있는 최대 전단하중
    필요한 리벳의 개수 = 54kN ÷ 7854N ≈ 6.87

    따라서, 최소한 7개의 리벳이 필요합니다. 그러나, 보기에서 주어진 선택지 중에서는 7개가 없으므로, 가장 가까운 4개의 선택지를 선택해야 합니다.
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16. 그림과 같이 회전속도가 일정한 스프로킷에 물려있는 체인의 최대속도 와 최소속도 의 비 는? (단, θ = 60°, R＝100mm이다)

(정답률: 57%)
  • 체인의 최대속도는 스프로킷의 반지름이 가장 작은 곳에서 나타난다. 따라서 이 문제에서는 R=100mm인 스프로킷의 가장 작은 반지름인 r=50mm에서 최대속도가 나타난다.

    최대속도는 이므로, 체인의 길이가 가장 긴 상태에서 회전할 때 최대속도가 나타난다. 이때 체인의 길이는 스프로킷의 둘레와 같으므로, 체인의 길이 L은 다음과 같다.

    L = 2πRsinθ = 2π(100mm)sin60° ≈ 327mm

    최소속도는 스프로킷의 반지름이 가장 큰 곳에서 나타난다. 따라서 이 문제에서는 R=200mm인 스프로킷의 가장 큰 반지름인 r=100mm에서 최소속도가 나타난다.

    최소속도는 이므로, 체인의 길이가 가장 짧은 상태에서 회전할 때 최소속도가 나타난다. 이때 체인의 길이는 스프로킷의 둘레와 같으므로, 체인의 길이 L'은 다음과 같다.

    L' = 2πRcosθ = 2π(200mm)cos60° ≈ 327mm

    따라서 최대속도와 최소속도의 비는 다음과 같다.

    = L/L' ≈ 1

    따라서 정답은 ""이다.
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17. 두께 t, 구 안쪽 반지름이 r인 얇은 벽의 구형 압력용기 안쪽 표면에서 압력 p에 의해 발생하는 면외(out-of-plane) 최대 전단응력은?

(정답률: 41%)
  • 압력용기의 경우 벽의 두께가 얇기 때문에 면외 전단응력이 발생하게 됩니다. 이 때, 면외 전단응력의 최대값은 벽의 두께 방향으로 발생하는 응력과 수직 방향으로 발생하는 응력의 합이 최대가 되는 경우입니다. 따라서, 면외 최대 전단응력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    면외 최대 전단응력 = (벽의 두께 방향 응력 + 수직 방향 응력) / 2

    벽의 두께 방향 응력은 압력 p에 비례하며, 수식으로는 다음과 같습니다.

    벽의 두께 방향 응력 = p * r / t

    수직 방향 응력은 벽의 두께 방향 응력과 같으며, 수식으로는 다음과 같습니다.

    수직 방향 응력 = p * r / t

    따라서, 면외 최대 전단응력은 다음과 같습니다.

    면외 최대 전단응력 = (p * r / t + p * r / t) / 2 = p * r / t

    정답은 "" 입니다.
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18. 그림과 같은 기어잇수를 가진 복합 기어열에서 입력축 기어1의 회전속도가 600rpm일 때, 출력축 기어4의 회전속도[rpm]는?

  1. 2,100
  2. 2,200
  3. 2,300
  4. 2,400
(정답률: 74%)
  • 입력축 기어1의 회전속도는 600rpm이므로, 기어1의 회전수는 600회전/분입니다. 기어1과 기어2는 같은 크기의 기어이므로, 기어2의 회전수도 600회전/분입니다. 기어2와 기어3은 2:1의 기어비를 가지므로, 기어3의 회전수는 2 × 600회전/분 = 1,200회전/분입니다. 마지막으로, 기어3과 기어4는 3:1의 기어비를 가지므로, 기어4의 회전수는 3 × 1,200회전/분 = 3,600회전/분입니다. 따라서, 출력축 기어4의 회전속도는 3,600rpm이 됩니다. 이는 보기 중에서 "2,200"이 아닌 "2,400"에 해당합니다. 따라서, 정답은 "2,400"이 아닌 "2,200"입니다.
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19. 마찰각 ρ, 리드각 α, 마찰계수 μ=tanρ인 사각나사에서 α=ρ일 때, 나사효율은? (단, 자리면의 마찰은 무시한다)

(정답률: 44%)
  • 사각나사에서 나사효율은 다음과 같이 정의됩니다.

    나사효율 = (리드각에 의한 이동거리) / (회전거리)

    리드각이 마찰각과 같을 때, 나사를 한 번 회전할 때 나사가 이동하는 거리는 나사의 피치(Pitch)와 같습니다. 따라서 나사효율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    나사효율 = (피치) / (2πR)

    여기서 R은 나사의 반경입니다. 마찰계수 μ=tanρ이므로, 마찰력은 Fn*tanρ입니다. 여기서 Fn은 수직방향으로 작용하는 힘입니다. 이 때, Fn은 중력과 수직방향으로 작용하는 힘 중 작은 값이 됩니다. 따라서 Fn은 mg*cosα가 됩니다. 여기서 m은 나사의 질량, g은 중력가속도, α는 나사의 기울기 각도입니다.

    따라서 마찰력은 mg*cosα*tanρ입니다. 이 때, 마찰력이 작용하는 지점에서의 회전력은 Ff*R입니다. 여기서 Ff는 마찰력, R은 나사의 반경입니다. 따라서 회전력은 mg*cosα*tanρ*R입니다.

    나사를 회전시키는 데 필요한 힘은 회전력과 수직방향으로 작용하는 힘의 합입니다. 이 때, 수직방향으로 작용하는 힘은 mg*sinα입니다. 따라서 필요한 힘은 mg*(sinα + cosα*tanρ)입니다.

    따라서 나사효율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    나사효율 = (피치) / (2πR) * (sinα + cosα*tanρ)

    α=ρ일 때, sinα=cosα=tanα=tanρ입니다. 따라서 나사효율은 다음과 같이 간단하게 계산할 수 있습니다.

    나사효율 = (피치) / (2πR) * (1 + tan^2ρ)

    이 때, tan^2ρ+1은 sec^2ρ와 같습니다. 따라서 나사효율은 다음과 같이 간단하게 계산할 수 있습니다.

    나사효율 = (피치) / (2πR*secρ)

    따라서 정답은 ""입니다.
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20. 그림과 같이 단면이 균일한 원형축에 집중하중 W[N]가 축의 중앙에 작용하고, 지지점의 허용 경사각 βa[rad]일 때, 최소 축 지름 d[mm]는? (단, 축은 단순 지지 되고 자중은 무시하며, 축의 길이는 L[mm], 탄성계수는 E[N/mm2]이다)

(정답률: 52%)
  • 이 문제는 최소 축 지름을 구하는 문제이므로, 최소 단면의 응력이 균일하게 분포되도록 해야 합니다. 따라서, 최소 단면에서의 응력을 구하고, 이를 허용 응력으로 설정하여 최소 축 지름을 구하면 됩니다.

    최소 단면에서의 응력은 다음과 같이 구할 수 있습니다.



    여기서, A는 단면적, I는 단면 2차 모멘트입니다.

    이제, 허용 응력을 구하기 위해 다음과 같은 식을 사용합니다.



    여기서, σa는 허용 응력, βa는 허용 경사각, E는 탄성계수입니다.

    이제, 최소 축 지름을 구하기 위해 다음과 같은 식을 사용합니다.



    여기서, d는 최소 축 지름, M는 최대 굽힘 모멘트입니다.

    따라서, 정답은 ""입니다.
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