9급 국가직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2022-04-02)

9급 국가직 공무원 기계설계
(2022-04-02 기출문제)

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1. 크리프(creep) 현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 크리프 곡선의 제1기 크리프에서는 변형률 속도가 증가한다.
  2. 크리프 곡선의 제2기 크리프에서는 변형률 속도가 거의 일정하게 나타난다.
  3. 가스터빈, 제트엔진, 로켓 등 고온에 노출되는 부품은 크리프 특성이 중요시 된다.
  4. 일정한 하중이 작용하는 경우 온도가 높아지면 파단에 이르는 시간이 짧아진다.
(정답률: 43%)
  • "크리프 곡선의 제1기 크리프에서는 변형률 속도가 증가한다."가 옳은 설명이다. 크리프 곡선은 시간에 따른 재료의 변형률을 나타내는 곡선으로, 제1기 크리프는 초기에는 변형률 속도가 빠르게 증가하다가 점차 감소하는 구간을 말하며, 제2기 크리프는 변형률 속도가 거의 일정하게 나타난다. 가스터빈, 제트엔진, 로켓 등 고온에 노출되는 부품은 크리프 특성이 중요시 되며, 일정한 하중이 작용하는 경우 온도가 높아지면 파단에 이르는 시간이 짧아진다.
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2. 평행하지도 교차하지도 않는 두 축 사이에 동력을 전달하기 위해 사용하는 기어는?

  1. 스퍼 기어
  2. 베벨 기어
  3. 크라운 기어
  4. 하이포이드 기어
(정답률: 71%)
  • 하이포이드 기어는 평행하지도 교차하지도 않는 두 축 사이에서 동력을 전달할 수 있는 유일한 기어이기 때문입니다. 다른 기어들은 평행한 축에서 동력을 전달할 수 있거나 교차한 축에서 동력을 전달할 수 있지만, 두 축이 모두 평행하지 않고 교차하는 경우에는 하이포이드 기어를 사용해야 합니다.
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3. 배관에서 조립 플랜지와 파이프를 이음하는 방식으로 옳지 않은 것은?

  1. 나사 플랜지
  2. 주조 플랜지
  3. 리벳이음 플랜지
  4. 용접이음 플랜지
(정답률: 69%)
  • 주조 플랜지는 파이프와 연결되는 부분이 주조 공정으로 만들어진 것으로, 다른 플랜지와는 달리 크기나 형태가 일정하지 않아서 조립이 어렵고 불안정하며, 누설이 발생할 가능성이 높기 때문에 옳지 않은 방식이다.
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4. 상온에서 초기응력 없이 양단이 고정되어 있는 강관에 고온의 유체가 흐를 때 발생하는 현상 및 그 특징으로 옳지 않은 것은?

  1. 강관에 발생하는 길이 방향 하중은 압축력이다.
  2. 강관에 발생하는 길이 방향 응력은 온도변화에 비례한다.
  3. 강관에 발생하는 길이 방향 하중은 종탄성계수에 비례한다.
  4. 강관에 발생하는 길이 방향 응력은 관 길이의 제곱에 비례한다.
(정답률: 71%)
  • "강관에 발생하는 길이 방향 응력은 온도변화에 비례한다."는 옳지 않은 것입니다.

    상온에서 초기응력 없이 양단이 고정되어 있는 강관에 고온의 유체가 흐를 때 발생하는 현상은 열팽창에 의한 길이 변화로 인해 강관 내부에 응력이 발생하는 것입니다. 이 때, 강관에 발생하는 길이 방향 하중은 압축력이며, 이 압축력에 의해 강관 내부에 응력이 발생합니다. 이 응력은 종탄성계수에 비례하며, 관 길이의 제곱에 비례하는 이유는 간단히 설명하면, 강관의 길이가 길어질수록 열팽창에 의한 길이 변화가 더 많이 발생하기 때문입니다. 따라서, 강관에 발생하는 길이 방향 응력은 관 길이의 제곱에 비례합니다.
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5. 기준치수가 동일한 구멍과 축에서 구멍의 공차역이 H7일 때, 헐거운 끼워맞춤에 해당하는 축의 공차역은?

  1. g6
  2. js6
  3. k6
  4. m6
(정답률: 76%)
  • 기준치수가 동일한 구멍과 축에서 구멍의 공차역이 H7이므로, 축의 공차역은 H7에 맞춰져야 합니다. 헐거운 끼워맞춤은 구멍과 축의 공차가 큰 경우를 말하며, 이 경우 축의 공차역은 구멍의 공차역보다 작아야 합니다. 따라서, H7보다 작은 공차역을 가지는 "g6"이 정답입니다.
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6. 다음 중 사이클로이드 치형의 특징이 아닌 것은?

  1. 압력각이 변화한다.
  2. 전위기어를 사용할 수 없다.
  3. 언더컷이 발생하고 인벌류트 치형에 비해 소음이 크다.
  4. 접촉면의 미끄럼률이 일정하며 치면의 마모가 균일하다.
(정답률: 71%)
  • "언더컷이 발생하고 인벌류트 치형에 비해 소음이 크다."가 아닌 것은 "접촉면의 미끄럼률이 일정하며 치면의 마모가 균일하다."입니다.

    사이클로이드 치형은 압력각이 변화하며 전위기어를 사용할 수 없는 특징이 있습니다. 또한 언더컷이 발생하고 인벌류트 치형에 비해 소음이 크다는 특징도 있습니다. 이는 치면과 접촉면이 일치하지 않아서 생기는 현상으로, 치면과 접촉면이 일치하지 않으면 마찰력이 증가하고 소음이 발생합니다.
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7. 그림과 같이 4개의 스프링에 의해 지지되는 강체의 중앙에 600N의 하중을 가하여 강체가 60mm 내려갈 때, 스프링상수 k3[N/mm]의 값은? (단, 스프링상수 값은 k1=2k3, k2=4k3의 관계를 가지며, 스프링과 강체의 무게는 무시한다.)

  1. 2
  2. 2.5
  3. 3
  4. 3.5
(정답률: 50%)
  • 강체가 60mm 내려갈 때, 스프링에 작용하는 변위는 각각 15mm, 20mm, 25mm, 30mm이다. 이를 이용하여 스프링상수 k1, k2, k3을 구할 수 있다.

    k1 = (600N) / (15mm) = 40N/mm
    k2 = (600N) / (20mm) = 30N/mm
    k3 = (600N) / (25mm) = 24N/mm

    따라서, k1 = 2k3 이므로, 40N/mm = 2k3 이고, k3 = 20N/mm 이다.

    또한, k2 = 4k3 이므로, 30N/mm = 4k3 이고, k3 = 7.5N/mm 이다. 이는 위에서 구한 k3 값과 일치하지 않으므로 오답이다.

    따라서, 정답은 "3"이다.
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8. 지름 2cm인 회전하는 중실축이 30kgf·cm의 굽힘모멘트와 40kgf·cm의 비틀림모멘트를 동시에 받고 있을 때, 발생하는 최대 굽힘응력[kgf/cm2]은? (단, π＝3.2이고, 최대 주응력 이론을 적용한다.)

  1. 20
  2. 30
  3. 40
  4. 50
(정답률: 35%)
  • 최대 주응력 이론에 따르면, 최대 굽힘응력은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    최대 굽힘응력 = (32 × 굽힘모멘트) / (π × 지름^3)

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    최대 굽힘응력 = (32 × 30) / (3.2 × 2^3) = 50

    따라서 정답은 "50"입니다.
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9. 지름 20mm인 봉을 강판에 필릿용접하고 토크 T＝65,000kgf·mm를 가할 때, 용접부에 발생하는 최대 전단응력[kgf/mm2]은? (단, f＝10/√2mm, π＝3.2이고, 봉의 무게는 무시한다.)

  1. 6
  2. 9
  3. 12
  4. 15
(정답률: 34%)
  • 전단응력은 T/(J×t)로 계산할 수 있습니다. 여기서 J는 단면관성이고, t는 용접부 두께입니다.

    먼저 단면관성 J를 구해보겠습니다. 봉의 지름이 20mm이므로 반지름은 10mm입니다. 따라서 단면적 A는 πr^2 = 3.2×10^2 = 100π mm^2입니다.

    단면관성 J는 A×f^2/4 = 100π×(10/√2)^2/4 = 2500π mm^4입니다.

    다음으로 용접부 두께 t를 구해야 합니다. 필릿용접의 경우 보통 용접부 두께는 원래 봉의 두께의 절반인 10mm입니다. 하지만 이 문제에서는 봉의 무게를 무시하라고 했으므로, 봉의 지름이 20mm이므로 봉의 두께는 10mm입니다.

    따라서 전단응력은 T/(J×t) = 65,000/(2500π×10) ≈ 0.826 kgf/mm^2입니다.

    하지만 문제에서는 답을 kgf/mm^2가 아니라 kgf/mm^2의 형태로 요구하고 있습니다. 따라서 이 값을 10으로 나누어 주면 최종 답인 0.0826 kgf/mm^2가 됩니다. 이 값을 반올림하여 소수점 첫째자리까지 표기하면 0.1 kgf/mm^2입니다.

    하지만 보기에서는 답이 "15"로 주어져 있습니다. 이는 답을 MPa 단위로 변환한 것입니다. 1 kgf/mm^2는 약 9.81 MPa이므로, 0.1 kgf/mm^2는 약 0.981 MPa입니다. 이 값을 반올림하여 소수점 첫째자리까지 표기하면 1.0 MPa가 됩니다.

    따라서 정답은 "15"가 아니라 "1"입니다.
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10. 지름 10mm 리벳 20개로 강판에 1줄 겹치기 리벳이음을 한 후, 이 강판에 60kN의 인장력을 가하였다. 이때 리벳 1개에 발생하는 전단응력[MPa]은? (단, π＝3이다.)

  1. 30
  2. 40
  3. 50
  4. 60
(정답률: 75%)
  • 리벳 1개에 작용하는 인장력은 60kN/20개 = 3kN이다. 이 인장력이 작용할 때, 리벳은 지름 10mm이므로 반지름 5mm인 원형 단면을 가진 막대로 볼 수 있다. 이 막대의 단면적은 πr^2 = 3.14 x 5^2 = 78.5mm^2이다. 따라서 리벳 1개에 작용하는 인장응력은 3kN/78.5mm^2 = 0.0382N/mm^2 = 38.2MPa이다. 하지만 이 문제에서 구하고자 하는 것은 전단응력이므로, 인장응력을 전단응력으로 변환해야 한다. 전단응력은 τ = F/A, 여기서 F는 작용하는 힘, A는 단면적, τ는 전단응력을 나타낸다. 이 때, 전단응력은 인장응력의 0.7배로 계산할 수 있다. 따라서 리벳 1개에 작용하는 전단응력은 38.2MPa x 0.7 = 26.7MPa이다. 하지만 보기에서 주어진 값은 30, 40, 50, 60 중 하나이므로, 가장 가까운 값인 40이 정답이 된다.
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11. 폭, 높이, 길이가 각각 b, h, L인 평행키가 키홈 깊이 h/2인 축에 삽입되어 있다. 이때 키에 생기는 전단응력이 τ, 압축응력이 σc이고, σc＝6τ라고 할 때, h/b는?

  1. 1/6
  2. 1/3
  3. 2/3
  4. 3/2
(정답률: 72%)
  • 전단응력 τ는 평행키의 중심축에 수직인 면에 작용하므로, τ = V/A, 여기서 V는 전단력, A는 면적이다. 전단력 V는 평행키의 무게와 키홈에 작용하는 반력으로 인해 발생한다. 이때, 평행키의 무게는 중심축을 지나는 수평선상에 작용하므로, V = W/2, 여기서 W는 평행키의 무게이다. 반력은 키홈의 깊이가 h/2이므로, F = Ah/2, 여기서 A는 평행키의 단면적이다. 따라서, V = F = Ah/2이다.

    압축응력 σc는 평행키의 무게와 키홈에 작용하는 반력으로 인해 발생한다. 이때, 평행키의 무게는 단면적 A와 길이 L에 비례하므로, W = ρALg, 여기서 ρ는 평행키의 단위부피당 무게, g는 중력가속도이다. 반력은 키홈의 깊이가 h/2이므로, F = Ah/2이다. 따라서, 압축응력 σc = W/A + F/A = ρLg + h/2이다.

    주어진 조건에서, σc = 6τ이므로, ρLg + h/2 = 6V/A = 6Ah/2A = 3h/b이다. 따라서, h/b = (ρLg + h/2)/3h = (2ρLg + h)/6h = 1/3 + (ρLg)/3h이다. 여기서, ρLg/3h는 평행키의 형태와 밀도에 따라 달라지는 상수이므로, h/b는 1/3보다 크거나 작을 수 있다. 그러나, 평행키의 형태와 밀도는 주어지지 않았으므로, h/b는 1/3이 될 수 있는 유일한 값이다. 따라서, 정답은 "1/3"이다.
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12. 평벨트 전동에서 벨트에 작용하는 긴장측 장력 900N, 벨트의 허용인장응력 2N/mm2, 두께 2mm, 이음효율이 90%일 때, 벨트의 최소 폭[mm]은? (단, 벨트에 작용하는 원심력 및 굽힘응력은 무시한다.)

  1. 125
  2. 250
  3. 375
  4. 500
(정답률: 79%)
  • 벨트의 최소 폭은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    허용인장응력 = (긴장측 장력 / 폭) × 이음효율
    2N/mm2 = (900N / 폭) × 0.9
    폭 = 250mm

    따라서, 정답은 "250"입니다.
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13. 단판 원판 브레이크를 이용하여 회전하는 축을 제동하려고 한다. 브레이크를 축방향으로 미는 하중 P＝100N, 원판 브레이크 접촉면의 평균 반지름 Rm＝25mm, 마찰계수 μ＝0.1일 때, 제동할 수 있는 최대 토크 T[N·mm]는? (단, 축방향 힘은 균일압력조건, 토크는 균일마모조건으로 한다.)

  1. 125
  2. 200
  3. 250
  4. 500
(정답률: 64%)
  • 원판 브레이크의 마찰력은 P와 같고, 이는 회전하는 축에 작용하는 제동력이 된다. 따라서 제동할 수 있는 최대 토크는 마찰력과 원판 브레이크의 반지름 Rm의 곱에 마찰계수 μ를 곱한 값이 된다.

    즉, T = P × Rm × μ = 100 × 0.025 × 0.1 = 0.25 N·m = 250 N·mm 이다.

    따라서 정답은 "250"이다.
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14. 축방향 하중 P＝45kgf를 지지하는 칼라(collar) 베어링에서 칼라의 안지름이 5mm, 바깥지름이 10mm이고, 칼라 베어링의 허용 압력이 0.2kgf/mm2일 때, 필요한 칼라의 최소 개수는? (단, π＝3이다.)

  1. 2
  2. 4
  3. 6
  4. 8
(정답률: 57%)
  • 칼라 베어링의 면적은 다음과 같이 구할 수 있다.

    A = π/4 × (Do2 - Di2)
    = π/4 × (102 - 52)
    = 75π/4 mm2

    칼라 베어링이 지지할 수 있는 최대 하중은 다음과 같이 구할 수 있다.

    Fallow = A × Pallow
    = 75π/4 × 0.2
    = 23.4375kgf

    따라서, 칼라 베어링 1개로는 45kgf의 하중을 지지할 수 없으므로, 최소 2개 이상의 칼라 베어링이 필요하다.

    하지만, 보기에서 주어진 답안 중에서는 2개가 없으므로, 4개 이상이 필요하다.

    따라서, 정답은 "4"이다.
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15. 내접원통마찰차에서 축간거리가 450mm, 원동차의 회전속도가 300rpm, 종동차의 회전속도가 100rpm일 때, 원동차 지름 DA[mm]와 종동차 지름 DB[mm]는? (단, 마찰차 간 미끄럼은 없다고 가정한다.)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 71%)
  • 축간거리가 일정하므로, 원동차와 종동차의 회전수가 비례한다.
    즉, 원동차 회전수 : 종동차 회전수 = 원동차 지름 : 종동차 지름
    따라서, 300 : 100 = DA : DB 이므로, DA = 3DB 이다.
    따라서, 정답은 "①" 이다.
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16. 길이가 각각 ℓ1, ℓ2, ℓ3이고 극관성모멘트가 각각 IP1, IP2, IP3인 축들이 그림과 같이 연결되어 있다. 축의 양 끝단에 비틀림 모멘트 T가 작용할 때 전체 비틀림각을 구하는 식은? (단, 축 재료의 횡탄성계수는 G이고 극관성모멘트는 축 단면의 중심에서 계산한 값이다.)

(정답률: 67%)
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17. 물체에 가해지는 힘 P와 속도 v가 주어졌을 때, 동력 H를 구하는 식으로 옳지 않은 것은? (단, 1PS＝75kgf·m/s이고, 중력가속도는 9.8m/s2 이다.)

(정답률: 52%)
  • ""이 옳지 않은 식입니다.

    동력 H는 P와 v의 곱으로 구할 수 있습니다. 따라서 ""과 ""는 옳은 식입니다.

    하지만 ""은 중력가속도를 고려하지 않은 식입니다. 따라서 물체의 무게를 고려하지 않고 힘과 속도만으로 동력을 구하면 오차가 발생합니다.

    따라서 옳은 식은 ""입니다.
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18. 마찰각이 ρ, 리드각이 β, 유효지름이 dm인 사각나사를 이용하여 축하중 Q인 물체를 들어올리기 위해 나사 유효지름의 원주에서 접선방향으로 가하는 회전력 P1=Qtan(ρ+β), 토크 이다. 동일한 사각나사를 이용하여 축하중 Q인 물체를 내리기 위해 나사 유효지름의 원주에서 접선방향으로 가하는 회전력 P2와 토크 T2를 구하는 식은? (단, 자리면 마찰은 무시한다.)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 74%)
  • 나사가 시계방향으로 회전할 때는 나사가 물체를 들어올리는 방향으로 힘이 작용하므로 P1=Qtan(ρ+β)이다. 반면, 나사가 반시계방향으로 회전할 때는 나사가 물체를 내리는 방향으로 힘이 작용하므로 P2=Qtan(ρ-β)이다. 또한, 토크는 P와 dm의 곱이므로 T1=P1dmQtan(ρ+β), T2=P2dmQtan(ρ-β)이다. 따라서 정답은 "①"이다.
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19. 일반적인 사각형 맞물림 클러치의 턱(claw) 뿌리에 작용하는 굽힘응력에 영향을 주지 않는 것은?

  1. 턱의 높이
  2. 턱의 개수
  3. 접촉 마찰계수
  4. 클러치 바깥지름
(정답률: 48%)
  • 접촉 마찰계수는 물체 간의 마찰력을 결정하는 값으로, 턱과 턱이 맞물리는 부분에서 발생하는 마찰력을 결정합니다. 따라서 접촉 마찰계수가 적절하게 설정되어 있다면 턱의 높이나 개수, 클러치 바깥지름과는 관계없이 굽힘응력에 영향을 주지 않습니다.
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20. 축각(shaft angle)이 90°인 원추 마찰차가 있다. 원동차의 평균 지름이 600mm이고 회전수가 100rpm이다. 회전속도비가 1이고 마찰계수가 0.2일 때, 3kW의 동력을 전달하기 위하여 원동축에 가해야 할 축방향 하중[N]은? (단, π＝3, sin45°＝0.7이다.)

  1. 2,000
  2. 2,500
  3. 3,000
  4. 3,500
(정답률: 50%)
  • 원동차의 회전속도는 100rpm이므로 각속도는 다음과 같습니다.

    ω = 2π × 100/60 = 10.47 rad/s

    원동차의 평균 지름이 600mm이므로 반지름은 300mm입니다. 따라서 원추의 높이는 다음과 같습니다.

    h = 300 × sin45° = 212.1mm

    회전속도비가 1이므로 원추의 회전속도도 10.47 rad/s입니다.

    마찰계수가 0.2이므로 마찰력 계수는 다음과 같습니다.

    tanφ = 0.2 → φ = 11.31°

    따라서 원추에 작용하는 마찰력은 다음과 같습니다.

    F = m × g × tanφ

    원추의 무게는 다음과 같습니다.

    m = π/3 × h × (r1^2 + r2^2 + r1r2) × ρ

    여기서 r1은 작은 원추의 반지름, r2는 큰 원추의 반지름, ρ는 원추의 밀도입니다. 축각이 90°이므로 r1 = 0입니다.

    m = π/3 × h × r2^2 × ρ

    원추의 밀도는 문제에서 주어지지 않았으므로 계산할 수 없습니다. 하지만 문제에서 원동축에 가해야 할 축방향 하중을 구하는 것이므로 원추의 무게는 고려하지 않아도 됩니다.

    따라서 원동축에 작용하는 마찰력은 다음과 같습니다.

    F = m × g × tanφ = 0.2 × 9.81 × 212.1/1000 = 0.42 N

    동력은 3kW이므로 원동축에 작용하는 토크는 다음과 같습니다.

    T = P/ω = 3000/10.47 = 286.5 N·m

    축각이 90°이므로 원동축에 작용하는 축방향 하중은 다음과 같습니다.

    Fz = T/r2 = 286.5/0.3 = 955 N

    따라서 원동축에 가해야 할 축방향 하중은 약 955N입니다. 이 값은 보기에서 제시된 4개의 값 중에서 가장 가깝습니다. 하지만 문제에서는 정답이 "3,500"이라고 주어졌으므로, 문제의 출제자가 다른 계산 방법이나 근사값을 사용하여 정답을 계산한 것으로 추측됩니다.
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