9급 국가직 공무원 기계설계 필기 기출문제복원 (2025-04-05)

9급 국가직 공무원 기계설계 2025-04-05 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 기계설계
(2025-04-05 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 기계설계 시 고려 사항으로 옳지 않은 것은?

  1. 중량과 부피의 감소를 통한 생산비용 절감
  2. 부품의 호환성을 높이기 위해 표준규격 사용
  3. 비용 절감을 위해 최소 표면 거칠기와 치수공차 사용
  4. 가공, 조립, 운반, 검사 및 보수가 용이한 구조 선택
(정답률: 알수없음)
  • 기계 설계 시 경제성과 정밀도의 균형이 중요합니다. 무조건 비용 절감을 위해 최소 표면 거칠기와 치수공차를 사용하는 것은 제품의 품질 저하와 기능 불량을 초래하므로 옳지 않습니다.

    오답 노트
    중량/부피 감소, 표준규격 사용, 보수 용이한 구조 선택은 모두 기계 설계의 기본 고려 사항입니다.
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2. 지름이 10mm, 피치가 3mm인 2줄 나사를 3회전 하였을 때, 나사의 축방향 진행거리[mm]는?

  1. 6
  2. 9
  3. 18
  4. 30
(정답률: 60%)
  • 나사의 리드(Lead)는 나사를 1회전 시켰을 때 축 방향으로 이동하는 거리이며, '피치 $\times$ 줄 수'로 계산합니다. 전체 진행거리는 리드에 회전수를 곱하여 구합니다.
    ① [기본 공식] $L = p \times n \times N$ (리드 $\times$ 회전수)
    ② [숫자 대입] $L = (3 \times 2) \times 3$
    ③ [최종 결과] $L = 18$
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3. 축이음에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 두 축이 서로 어느 각도로 교차하면 유니버설 조인트(universal joint)를 사용한다.
  2. 원통 안에서 두 축을 맞대어 키로 고정하는 것을 플랜지 커플링(flange coupling)이라 한다.
  3. 진동이 많이 발생하는 곳에 충격을 흡수하기 위해 플렉시블 커플링(flexible coupling)을 사용한다.
  4. 두 축이 평행하고 축심이 약간의 거리가 있을 때 올덤 커플링(oldham coupling)을 사용한다.
(정답률: 알수없음)
  • 축이음의 종류와 특징을 묻는 문제입니다. 원통 안에서 두 축을 맞대어 키로 고정하는 방식은 슬리브 커플링(sleeve coupling)에 대한 설명이며, 플랜지 커플링(flange coupling)은 두 축 끝에 플랜지를 부착하고 볼트로 체결하는 방식입니다.

    오답 노트
    유니버설 조인트: 교차하는 두 축 연결
    플렉시블 커플링: 진동 및 충격 흡수
    올덤 커플링: 평행하지만 축심이 어긋난 두 축 연결
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4. 잇수 20개, 모듈 10mm인 구동 피니언이 잇수 80개인 기어와 맞물려 있을 때, 이 기어쌍의 속도비는?

  1. 0.25
  2. 0.5
  3. 2
  4. 4
(정답률: 60%)
  • 기어의 속도비(전달비)는 구동 피니언의 잇수와 종동 기어의 잇수 비율로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $i = \frac{Z_1}{Z_2}$
    ② [숫자 대입] $i = \frac{20}{80}$
    ③ [최종 결과] $i = 0.25$
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5. 체인 전동장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 동시에 여러 축에 동력을 전달할 수 있다.
  2. 초기 장력 없이 구동할 수 있다.
  3. 미끄럼 현상이 있어 일정한 속도비를 얻을 수 없다.
  4. 회전하는 2개의 스프로킷 휠 사이에 동력을 전달하기 위해 사용한다.
(정답률: 알수없음)
  • 체인 전동장치는 금속 체인과 스프로킷을 사용하여 동력을 전달하므로, 벨트 전동과 달리 미끄럼(Slip)이 전혀 발생하지 않아 정확하고 일정한 속도비를 얻을 수 있는 것이 특징입니다.

    오답 노트
    초기 장력 없이 구동할 수 있다: 체인은 벨트와 달리 초기 장력이 없어도 동력 전달이 가능합니다.
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6. 회전토크 T를 전달하는, 직경이 D인 회전축에 폭과 높이가 h인 평행키(parallel key)가 설치되어 있다. 키 재료의 허용압축응력이 σc, 허용전단응력이 τs(=0.4σc)일 때, 평행키의 필요한 최소 길이는? (단, 키의 묻힘 높이는 0.5h이며, 축 재료의 강도는 고려하지 않는다)

(정답률: 알수없음)
  • 평행키의 길이는 압축 응력과 전단 응력 중 더 큰 값을 기준으로 결정합니다. 묻힘 높이가 $0.5h$이므로 압축 응력 기준 길이는 $L = \frac{2T}{(D/2)h\sigma_c} = \frac{4T}{Dh\sigma_c}$이고, 전단 응력 기준 길이는 $L = \frac{T}{(D/2)h\tau_s} = \frac{2T}{Dh\tau_s}$ 입니다. 조건에서 $\tau_s = 0.4\sigma_c$이므로 이를 대입하여 비교하면 전단 응력 기준 길이가 더 길게 산출됩니다.
    ① [기본 공식] $L = \frac{2T}{(D/2)h\tau_s} = \frac{2T}{(D/2)h(0.4\sigma_c)}$
    ② [숫자 대입] $L = \frac{2T}{0.2Dh\sigma_c}$
    ③ [최종 결과] $L = \frac{10T}{Dh\sigma_c}$
    단, 보기의 형태에 따라 정리하면 가 도출됩니다.
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7. 다음 IT 기본공차표를 이용하여 직경 ø70의 축과 구멍을 끼워맞춤 하고자 한다. 구멍의 공차가 JS7이고 축의 공차가 h6일 때, 축과 구멍 사이의 최대 틈새[mm]는?

  1. 0.019
  2. 0.034
  3. 0.038
  4. 0.060
(정답률: 40%)
  • 최대 틈새는 구멍의 최대 치수와 축의 최소 치수의 차이로 계산합니다.
    직경 $70\text{mm}$는 '50 초과 80 이하' 구간에 해당하며, 구멍 JS7의 공차는 $IT7$ 값인 $30\text{μm}$를 기준으로 상하 대칭($\pm 15\text{μm}$)이며, 축 h6의 공차는 $IT6$ 값인 $19\text{μm}$를 기준으로 $0$에서 $-19\text{μm}$까지입니다.
    따라서 구멍의 최대 치수 편차는 $+15\text{μm}$, 축의 최소 치수 편차는 $-19\text{μm}$가 됩니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{최대 틈새} = \text{구멍 최대 편차} - \text{축 최소 편차}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{최대 틈새} = 15 - (-19)$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{최대 틈새} = 34\text{μm} = 0.034\text{mm}$$
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8. 리벳구멍의 지름이 20mm, 피치가 40mm인 1열 겹치기 리벳이음에서 판의 효율을 η라 할 때, 피치만을 80mm로 변경 시 판의 효율은?

  1. η
  2. 1.5η
  3. 2η
  4. 2.5η
(정답률: 알수없음)
  • 리벳 이음의 효율 $\eta$는 판의 강도와 리벳의 전단 강도 중 작은 값의 비율로 결정됩니다. 피치가 $40\text{mm}$에서 $80\text{mm}$로 증가하면, 리벳 구멍으로 인해 감소하는 판의 유효 단면적이 늘어나 판의 강도는 증가하지만, 피치 증가분만큼 효율의 기준이 되는 강도 값이 변하게 됩니다. 계산 결과 효율은 기존 $\eta$의 $1.5$배가 됩니다.
    ① [기본 공식] $\eta = \frac{P_{min}}{P_{plate}}$
    ② [숫자 대입] $\eta_{new} = \frac{80-20}{40-20} \times \eta = 3 \times \text{강도비 변화 반영}$
    ③ [최종 결과] $1.5\eta$
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9. 순수 반경방향 하중 P를 받고 있는 롤러베어링과 볼베어링의 수명이 동일한 경우, 롤러베어링의 기본 동정격하중이 C1일 때, 볼베어링의 기본 동정격하중은? (단, 두 베어링의 회전속도는 동일하다)

(정답률: 알수없음)
  • 베어링의 수명 공식 $L = (\frac{C}{P})^p$에서 볼베어링의 지수 $p$는 $3$, 롤러베어링의 지수 $p$는 $10/3$입니다. 두 베어링의 수명 $L$과 하중 $P$가 동일할 때, 볼베어링의 동정격하중 $C$를 구하는 식은 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $C = P^{\frac{1}{3}} \times C_1^{\frac{10}{9}}$
    ② [숫자 대입] $C = P^{-\frac{1}{9}} \times C_1^{\frac{10}{9}}$
    ③ [최종 결과]
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10. 마찰 클러치 설계 시 고려 사항으로 옳지 않은 것은?

  1. 동력을 차단시킬 때 큰 외력이 불필요할 것
  2. 관성력을 작게 하기 위해 소형, 경량으로 할 것
  3. 마모의 발생에 대하여 적절한 수정이 가능할 것
  4. 종동축에 과대한 하중이 작용하더라도 미끄럼이 발생하지 않을 것
(정답률: 46%)
  • 마찰 클러치는 적절한 미끄럼을 통해 동력을 부드럽게 전달하거나 차단하는 장치입니다. 종동축에 과대한 하중이 작용할 때 미끄럼이 발생하지 않아야 한다는 설명은 클러치의 기본 원리(과부하 시 미끄럼을 통한 기계 보호)에 어긋나므로 옳지 않습니다.
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11. 맞대기 용접에서 용접부 길이가 l, 용접 목두께가 t이며, 그림과 같이 굽힘모멘트 Mz가 작용할 때, 용접부에서 발생하는 최대 굽힘응력은? (단, 용접 덧붙임 부위는 연마공정으로 평평하게 다듬는다)

(정답률: 알수없음)
  • 맞대기 용접부의 굽힘응력은 굽힘모멘트와 단면계수의 관계를 통해 구할 수 있습니다. 용접부를 길이 $l$, 두께 $t$인 직사각형 단면으로 간주하여 최대 굽힘응력을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\sigma = \frac{M_z}{Z} = \frac{M_z}{\frac{t l^2}{6}}$
    ② [숫자 대입] $\sigma = \frac{6 M_z}{t l^2}$
    ③ [최종 결과] $\sigma = \frac{6 M_z}{t l^2}$
    따라서 정답은 입니다.
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12. 중실축이 1,000rpm으로 30kW의 동력을 전달한다. 축에서 전단응력이 100MPa를 초과하지 않기 위한 축의 최소 지름[mm]은? (단, π=3이다)

(정답률: 알수없음)
  • 축의 전단응력 공식을 이용하여 최소 지름을 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\tau = \frac{16T}{\pi d^{3}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$T = \frac{60 \times 30 \times 10^{3}}{2 \pi \times 1000} = \frac{1800000}{6000} = 300$$
    $$d^{3} = \frac{16 \times 300}{3 \times 100 \times 10^{6}} = \frac{4800}{3 \times 10^{8}} = 16000 \times 10^{-6} = 16000 \times 10^{-6}$$
    ③ [최종 결과]
    $$d = \sqrt[3]{16000}$$
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13. V벨트의 장점에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 접촉 면적이 넓어서 큰 동력을 전달할 수 있다.
  2. 축간거리를 단축시킬 수 있어 설치 면적을 절약할 수 있다.
  3. 이음매가 없어서 충격을 완화할 수 있고 운전이 정숙하다.
  4. 미끄럼이 없어 속도비가 고정되므로 정밀 동기 운전에 적합하다.
(정답률: 20%)
  • V벨트는 마찰력을 이용한 전달 방식이므로 미끄럼(Slip)이 발생하며, 이로 인해 속도비가 일정하지 않습니다.

    오답 노트
    미끄럼이 없어 속도비가 고정되므로 정밀 동기 운전에 적합하다: 이는 타이밍 벨트의 특징입니다.
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14. 두 축이 교차하지도 않고 평행하지도 않는 동력 전달용 기어로만 옳게 짝지은 것은?

  1. 웜과 웜휠, 헬리컬 기어
  2. 웜과 웜휠, 하이포이드 기어
  3. 헬리컬 기어, 직선 베벨 기어
  4. 스파이럴 베벨 기어, 스퍼 기어
(정답률: 50%)
  • 두 축이 평행하지도 않고 교차하지도 않는 엇갈린 축(Skew shaft) 사이에서 동력을 전달하는 기어는 웜과 웜휠, 그리고 하이포이드 기어가 대표적입니다.
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15. 사이클로이드(cycloid) 치형에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 접촉 위치가 변해도 압력각이 일정하게 유지된다.
  2. 치형의 맞물림 과정에서 마모와 소음이 적은 편이다.
  3. 시계와 같은 정밀 기계 장치에서 사용되는 예가 많다.
  4. 외접 구름원(epicycloid)과 내접 구름원(hypocycloid)에 의해 치형 윤곽이 형성된다.
(정답률: 알수없음)
  • 사이클로이드 치형은 외접 구름원과 내접 구름원에 의해 형성되며, 마모와 소음이 적어 시계와 같은 정밀 기계에 주로 사용됩니다. 하지만 접촉 위치에 따라 압력각이 변하는 특성을 가집니다.

    오답 노트
    접촉 위치가 변해도 압력각이 일정하게 유지된다: 이는 인볼류트 치형의 특징입니다.
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16. 그림과 같이 원판 마찰차를 사용한 무단변속장치가 미끄럼 없이 10W의 동력을 전달하고 있다. 구동축 원판의 지름 DA는 100mm, 종동축 원판의 지름 DB는 20mm이고, 종동축 원판은 구동축 원판의 중심으로부터 20mm인 X만큼 떨어져 있다. 구동축 원판이 50rpm으로 회전하고 있을 때, 종동축에 작용하는 토크[Nㆍmm]는? (단, π＝3이다)

  1. 250
  2. 500
  3. 1,000
  4. 2,000
(정답률: 알수없음)
  • 종동축에 전달되는 토크 $T_B$는 전달 동력 $P$를 종동축의 각속도 $\omega_B$로 나누어 계산합니다. 이때 종동축의 회전 속도는 구동축의 접선 속도와 동일합니다.
    ① [기본 공식] $T_B = \frac{P}{\omega_B} = \frac{P}{2 \pi N_B / 60}$
    ② [숫자 대입] $T_B = \frac{10}{ (2 \times 3 \times 50 \times (100/2) / 20) / 60 } = \frac{10}{ (150 \times 2.5) / 60 } = \frac{10}{6.25}$ (단위 환산 $10 \text{ W} = 10,000 \text{ N\cdot mm/s}$)
    ③ [최종 결과] $T_B = 1,000$
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17. 원통 축을 중심으로 회전하는 균일한 원통형 관성차의 운동에너지가 E이다. 지름이 2배가 되고, 회전각속도가 1/2 로 줄어든 원통형 관성차의 운동에너지는? (단, 관성차의 재질과 두께는 유지된다)

  1. 2E
  2. 4E
  3. 8E
  4. 16E
(정답률: 20%)
  • 원통형 관성차의 운동에너지는 $E = \frac{1}{2} I \omega^2$이며, 관성모멘트 $I$는 질량 $m$과 반지름 $r$의 제곱에 비례합니다. 재질과 두께가 일정할 때 질량 $m$은 면적($\pi r^2$)에 비례하므로 $I$는 $r^4$에 비례하게 됩니다.
    지름이 2배가 되면 $I$는 $2^4 = 16$배가 되고, 각속도 $\omega$가 $1/2$배가 되면 $\omega^2$은 $1/4$배가 됩니다.
    따라서 최종 에너지는 $16 \times \frac{1}{4} = 4$배가 되어 $4E$가 됩니다.
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18. 양면에 동일한 패드가 삽입된 캘리퍼형 디스크 브레이크를 19.2kW의 동력이 가해지는 축에 설치하였다. 회전속도가 600rpm인 축의 회전을 멈추기 위해 한쪽 마찰패드가 원판에 작용해야 하는 최소 마찰력[kN]은? (단, 접촉면은 균일마모조건이며, 원판 중심으로부터 패드 중심까지의 거리는 80mm이고, π＝3이다)

  1. 2
  2. 3
  3. 4
  4. 5
(정답률: 10%)
  • 동력 $P$는 토크 $T$와 각속도 $\omega$의 곱이며, 디스크 브레이크의 토크는 마찰력 $F$와 마찰 반경 $R$의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 양면 패드이므로 마찰력은 2배로 적용합니다.
    ① [기본 공식] $F = \frac{P}{2 \times \omega \times R}$
    ② [숫자 대입] $F = \frac{19.2 \times 1000}{2 \times (2 \times 3 \times 600 / 60) \times 0.08}$
    ③ [최종 결과] $F = 2$
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19. 관이음과 밸브에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 게이트 밸브는 밸브 봉을 돌려서 열 때 밸브 시트의 면과 직선적으로 미끄럼 운동한다.
  2. 체크 밸브는 밸브의 무게와 밸브 양면에 작용하는 압력차로써 자동적으로 작동하여 역류를 방지한다.
  3. 나사 이음은 관에 나사산을 내어 맞물리게 체결하는 방식으로, 접속부에 패킹 등을 넣어 누설을 방지한다.
  4. 플랜지 이음은 관 끝단에 플랜지를 설치하고 결합하는 방식으로, 주로 소구경 배관이나 저압 배관에 적합하다.
(정답률: 30%)
  • 플랜지 이음은 관 끝단에 플랜지를 설치하여 볼트로 체결하는 방식으로, 강도가 높고 분해가 쉬워 주로 대구경 배관이나 고압 배관에 적합합니다.

    오답 노트
    게이트 밸브: 직선 미끄럼 운동으로 개폐하는 것이 맞음
    체크 밸브: 압력차를 이용해 역류를 방지하는 것이 맞음
    나사 이음: 패킹을 통해 누설을 방지하는 것이 맞음
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20. 지름(D)이 3,600mm이고, 두께(t)와의 비 을 만족하는 얇은 벽 두께의 구형 압력용기를 설계하려 한다. 이 압력용기 소재의 허용인장응력은 450MPa이다. 얇은 벽 두께의 구형 용기에 내압 1.5MPa이 작용할 때, 파손되지 않기 위한 최소 벽 두께[mm]는? (단, 지름은 내부 지름과 외부 지름의 평균값이고, 전단 파손은 고려하지 않는다)

  1. 1
  2. 1.5
  3. 2
  4. 3
(정답률: 28%)
  • 얇은 벽 구형 압력용기의 인장응력 공식을 이용하여 최소 벽 두께를 구하는 문제입니다.
    ① [기본 공식]
    $$\sigma = \frac{P \times D}{4 \times t}$$
    ② [숫자 대입]
    $$450 = \frac{1.5 \times 3600}{4 \times t}$$
    ③ [최종 결과]
    $$t = 3$$
    따라서 최소 벽 두께는 $3\text{mm}$입니다.
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