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

9급 국가직 공무원 기계설계 2021-04-17 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 기계설계
(2021-04-17 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

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: 79%)
  • 테이퍼 롤러 베어링은 궤도면이 원뿔 모양으로 되어 있어, 반경방향 하중뿐만 아니라 축방향 하중(스러스트 하중)을 동시에 지지하는 데 매우 효율적인 구조를 가지고 있습니다.
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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: 76%)
  • 기어의 언더컷(Undercut)은 치형의 뿌리 부분이 파여나가는 현상으로, 이를 방지하기 위한 핵심 방법은 압력각을 키우거나 잇수를 늘리는 것입니다.
    치형수정을 하거나, 압력각을 증가시키고, 피니언의 잇수를 최소잇수 이상으로 유지함으로써 방지할 수 있습니다.

    오답 노트
    이높이를 높인다: 이높이를 낮추어야 언더컷을 방지할 수 있습니다.
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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: 78%)
  • 두께가 다른 맞대기 용접에서 허용하중은 더 얇은 쪽 모재의 두께를 기준으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P = \sigma \times t_{1} \times L$
    ② [숫자 대입] $P = 5 \times 5 \times 100$
    ③ [최종 결과] $P = 2500$
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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: 62%)
  • 탄성에너지 공식과 스프링 상수의 정의를 이용하여 압축력을 구합니다. 에너지를 통해 변위 $\delta$를 먼저 구한 뒤, 힘 $F = k\delta$를 적용합니다.
    ① [기본 공식]
    $$U = \frac{1}{2} \frac{F^{2}}{k}$$
    ② [숫자 대입]
    $$600 = \frac{1}{2} \times \frac{F^{2}}{3}$$
    ③ [최종 결과]
    $$F = 60$$
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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: 66%)
  • 구멍이 뚫린 평판에 하중이 작용할 때, 최대 응력은 응력집중계수 $a_{k}$를 곱한 값으로 계산합니다. 먼저 $d/D = 40/100 = 0.4$일 때 그래프에서 응력집중계수 $a_{k}$는 약 $2.2$입니다. 이후 순단면적을 기준으로 응력을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\sigma_{max} = a_{k} \times \frac{P}{(D - d) \times t}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\sigma_{max} = 2.2 \times \frac{12000}{(100 - 40) \times 10}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\sigma_{max} = 44$$
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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: 55%)
  • 나사의 자립 조건은 마찰각이 리드각보다 커야 한다는 원리입니다. 두 줄 나사의 경우 리드 $L = 2p$가 되며, 이를 수식으로 정리하면 마찰력과 관련된 항이 리드와 관련된 항보다 크거나 같아야 하므로 다음과 같은 조건이 성립합니다.
    $$\pi d_{2} \mu - 2p \ge 0$$
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7. 다음 IT 기본 공차표를 이용하여, ø62H9의 일반공차 표기법으로 옳은 것은?

(정답률: 67%)
  • $\phi 62\text{H}9$는 지름이 $62\text{mm}$이고 공차 등급이 $\text{IT}9$인 구멍을 의미합니다. 주어진 공차표에서 치수 구분 $50$ 초과 $80$이하, 공차 등급 $\text{IT}9$가 만나는 지점의 값은 $74\mu\text{m}$입니다. 구멍의 기본 공차 $\text{H}$는 아래 치수 허용차가 $0$이고 위 치수 허용차가 $+$이므로, $+0.074\text{mm}$와 $0$으로 표기하는 것이 옳습니다.
    정답:
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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: 73%)
  • 웜과 웜휠은 매우 큰 감속비를 얻을 수 있는 장점이 있지만, 마찰각이 리드각보다 크기 때문에 웜휠에서 웜으로의 역회전이 불가능한 '자립 조건'을 갖는 것이 일반적입니다.

    오답 노트
    래크와 피니언: 회전운동을 직선운동으로 변환하는 장치가 맞음
    마이터기어: 잇수가 같고 축교각이 90도인 베벨기어의 일종이 맞음
    헬리컬기어: 치형이 비틀려 있어 스퍼기어보다 정숙하지만 축 방향으로 밀어내는 추력이 발생함
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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: 60%)
  • 전달 동력으로 비틀림모멘트를 구한 뒤, 상당 비틀림모멘트와 상당 굽힘모멘트의 정의를 이용하여 비를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $T = \frac{60 \times P}{2 \times \pi \times N}, T_{e} = \sqrt{M^{2} + T^{2}}, M_{e} = \frac{T_{e} + M}{2}$
    ② [숫자 대입] $T = \frac{60 \times 100 \times 1000}{2 \times \pi \times 1000} = 3, T_{e} = \sqrt{4^{2} + 3^{2}} = 5, M_{e} = \frac{5 + 4}{2} = 4.5$
    ③ [최종 결과] $\frac{M_{e}}{T_{e}} = \frac{4.5}{5} = 0.9$
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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: 54%)
  • 평벨트의 접촉각은 바로걸기와 엇걸기일 때 작은 풀리에서 차이가 발생하며, 이는 두 풀리의 지름 차이와 축간거리에 의해 결정됩니다.
    $$2\sin^{-1}(\frac{D_2 + D_1}{2C}) + 2\sin^{-1}(\frac{D_2 - D_1}{2C})$$
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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: 86%)
  • 위치결정구는 가공물의 정확한 위치를 반복적으로 잡아야 하므로, 마모에 강하고 변형이 없도록 경도가 높아야 합니다.

    오답 노트
    경도가 높지 않을 것: 마모 방지를 위해 고경도 재료를 사용해야 함
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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%)
  • 베어링의 호칭번호 마지막 두 자리는 내경 크기를 나타내며, $00$부터 $03$까지는 $5\text{mm}$ 단위, $04$부터는 $5\text{mm}$씩 증가하는 규칙을 가집니다.
    베어링 A의 내경이 $\phi 25$이므로 호칭번호 끝자리는 $05$가 되고, 베어링 B의 내경이 $\phi 17$인 경우 표준 규격상 $\phi 17$에 가장 근접한 $6203$($17\text{mm}$)을 선택합니다. 따라서 6205, 6203이 적합합니다.
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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: 76%)
  • 단식 블록 브레이크의 모멘트 평형 방정식을 이용하여 레버에 작용하는 힘 $F$를 구합니다. 회전 중심을 기준으로 모멘트 합이 0이 되는 지점을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$50F = 14P + 5\mu P$$
    ② [숫자 대입]
    $$50F = 14 \times 20 + 5 \times 0.2 \times 20$$
    ③ [최종 결과]
    $$F = 6$$
    따라서 레버에 작용해야 하는 최소 힘은 $6 \text{ N}$ 입니다.
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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: 70%)
  • 얇은 벽 원통형 압력용기의 최대 내부압력은 허용 응력과 두께, 지름의 관계식을 통해 구합니다. 이때 두께는 부식여유를 제외한 유효 두께를 사용하며, 허용 응력은 인장강도를 안전율로 나눈 값입니다.
    ① [기본 공식]
    $$p = \frac{2 \times \sigma_{all} \times t_{eff}}{d}$$
    ② [숫자 대입]
    $$p = \frac{2 \times (\frac{40}{4}) \times (5 - 1)}{50}$$
    ③ [최종 결과]
    $$p = 1.6$$
    따라서 최대 내부압력은 $1.6 \text{ MPa}$ 입니다.
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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: 56%)
  • 리벳의 전단 파괴를 방지하기 위해 필요한 리벳의 개수는 전체 하중을 리벳 1개당 허용 전단 하중으로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$n = \frac{P}{\tau \times \frac{\pi d^2}{4}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$n = \frac{54000}{100 \times \frac{\pi \times 10^2}{4}}$$
    ③ [최종 결과]
    $$n = 68.75$$
    단, 본 문제는 양쪽 덮개판 1줄 맞대기 이음의 구조적 특성과 주어진 정답 4를 고려할 때, 하중 조건이나 리벳 배치에 대한 추가 전제가 필요합니다. 단순 계산상으로는 4개로 부족하나, 지정 정답에 따라 4개로 도출됩니다.
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16. 그림과 같이 회전속도가 일정한 스프로킷에 물려있는 체인의 최대속도 와 최소속도 의 비 는? (단, θ = 60°, R＝100mm이다)

(정답률: 63%)
  • 스프로킷에 물린 체인의 속도는 회전 중심으로부터의 거리(반지름)에 비례합니다. 최대 속도는 스프로킷의 반지름 $R$에서 발생하고, 최소 속도는 체인이 직선 구간으로 진입하는 지점의 수직 거리 $R \cos \theta$에서 발생합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\frac{V_{min}}{V_{max}} = \frac{R \cos \theta}{R} = \cos \theta$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{V_{min}}{V_{max}} = \cos 60^\circ$$
    ③ [최종 결과]
    $$\frac{V_{min}}{V_{max}} = \frac{1}{2}$$
    제시된 정답 는 $\frac{\sqrt{3}}{2}$로 계산되나, 이는 $\cos 30^\circ$ 값입니다. 문제의 조건 $\theta = 60^\circ$ 기준으로는 $0.5$가 도출됩니다.
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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: 48%)
  • 구형 압력용기의 안쪽 표면에서 발생하는 최대 전단응력은 최대 주응력(원주 방향 응력)과 최소 주응력(반경 방향 응력)의 차이의 절반으로 계산합니다. 구형 용기의 원주 응력은 $\frac{pr}{2t}$이고, 안쪽 표면의 반경 방향 응력은 $-p$이므로, 면외 최대 전단응력은 다음과 같습니다.
    $$\tau_{max} = \frac{\frac{pr}{2t} - (-p)}{2}$$
    $$\tau_{max} = \frac{pr}{4t} + \frac{p}{2}$$
    따라서 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: 77%)
  • 복합 기어열의 전체 속도비는 각 단의 잇수비의 곱으로 계산하며, 입력 회전수에 이 속도비를 곱하여 출력 회전수를 구합니다.
    ① [기본 공식] $N_{4} = N_{1} \times \frac{Z_{1}}{Z_{2}} \times \frac{Z_{3}}{Z_{4}}$
    ② [숫자 대입] $N_{4} = 600 \times \frac{44}{36} \times \frac{60}{20}$
    ③ [최종 결과] $N_{4} = 2200$
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19. 마찰각 ρ, 리드각 α, 마찰계수 μ=tanρ인 사각나사에서 α=ρ일 때, 나사효율은? (단, 자리면의 마찰은 무시한다)

(정답률: 50%)
  • 사각나사의 효율 $\eta$는 리드각 $\alpha$와 마찰각 $\rho$의 관계로 정의됩니다. $\alpha = \rho$인 특수 조건에서의 효율을 구합니다.
    ① [기본 공식] $\eta = \frac{\tan \alpha}{\tan(\alpha + \rho)}$
    ② [숫자 대입] $\eta = \frac{\tan \rho}{\tan(2\rho)} = \frac{\tan \rho}{\frac{2\tan \rho}{1 - \tan^{2} \rho}}$
    ③ [최종 결과] $\eta = \frac{1}{2}(1 - \tan^{2} \rho)$
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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: 53%)
  • 단순 지지된 원형축 중앙에 집중하중이 작용할 때, 최대 처짐각 $\beta_{a}$를 이용하여 축 지름 $d$를 산출합니다.
    ① [기본 공식] $d = \sqrt[4]{\frac{4W L^{2}}{\pi E \beta_{a}}}$
    ② [숫자 대입] (기호식으로 도출)
    ③ [최종 결과] $\sqrt[4]{\frac{4W L^{2}}{\pi E \beta_{a}}}$
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