9급 국가직 기계설계 기출문제 전 회차를 한 권으로 — PDF 전자책(문제집·정답해설집)

15년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 국가직 기계설계 기출문제모두CBT · moducbt.com

15년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

응력집중계수가 1.5인 노치가 있는 기계부품이 인장하중을 받고 있으며, 노치 부분에 걸리는 응력이 30 [MPa]이다. 이때의 공칭 응력[MPa]은?

120

245

30.05

467.5

정답 및 해설

공칭 응력은 20 MPa이다.

응력집중계수는 노치부 최대응력/공칭응력이다.
$\alpha_k=\dfrac{\sigma_{max}}{\sigma_n}\Rightarrow\sigma_n=\dfrac{30}{1.5}=20\,\mathrm{MPa}$

45 MPa 는 계수를 곱한 값으로, 공칭응력이 최대응력보다 커지는 모순이 생긴다.

문제 2

볼트의 호칭지름이 30 [mm]일 때, 보통높이너트의 높이[mm]로 가장 적합한 것은? (단, 볼트와 너트는 동일한 강재질이다)

115

227

335

460

정답 및 해설

보통높이너트의 높이로 가장 적합한 값은 27 mm이다.

볼트와 너트가 같은 강재이면 나사산의 전단강도와 볼트 축의 인장강도가 균형을 이루는 너트 높이는 호칭지름의 0.8~1배 정도다. 호칭지름 30 mm 이면 24~30 mm 범위다.

15 mm 는 호칭지름의 절반으로 얇은 너트 수준이라 나사산 강도가 부족하다.
35·60 mm 는 필요 이상으로 높아 재료만 낭비된다.

문제 3

원통 위에 감은 실을 풀 때, 실 위의 한 점이 그리는 궤적을 곡선으로 한 기어 치형의 특징으로 옳지 않은 것은?

1변형시킨 전위기어를 사용할 수 있다.

2맞물리는 두 기어의 중심거리가 다소 틀려도 속도비에는 영향이 없다.

3미끄럼률 및 마멸이 균일하며 운동이 원활하다.

4제작상의 오차 및 조립상의 오차가 다소 있더라도 사용에 큰 영향을 미치지 않는다.

정답 및 해설

인벌류트 치형의 특징으로 옳지 않은 것은 미끄럼률과 마멸이 균일하다는 것이다.

원통에 감은 실을 풀 때 실 끝이 그리는 곡선이 인벌류트다. 인벌류트 치형은 미끄럼률이 이뿌리·이끝에서 크고 피치점에서 0 이라 마멸이 고르지 않다. 미끄럼률이 일정한 것은 사이클로이드 치형의 특징이다.

전위기어를 만들 수 있다.
중심거리가 다소 달라져도 속도비가 변하지 않는다.
제작·조립 오차의 영향이 작고 호환성이 좋다.

문제 4

실린더형 공기스프링이 있다. 실린더의 지름이 30 [mm], 길이는 200 [mm]이고, 0.3 [MPa]로 압축된 공기가 채워져 있다. 실린더가 압축되는 방향으로 하중 500 [N]이 작용하여 평형을 이룰 때, 실린더의 이동거리[mm]는? (단, 압축된 공기는 이상기체이며, 온도는 일정한 것으로 가정하고, π＝3으로 한다)

179

281

3119

4121

정답 및 해설

실린더의 이동거리는 약 119 mm이다.

단면적은 $A=\dfrac{3\times30^2}{4}=675\,\mathrm{mm^2}$ 이다. 평형 상태의 공기 압력은 하중을 지탱해야 하므로
$p_2=\dfrac{500}{675}\approx0.741\,\mathrm{MPa}$

등온 변화이므로 $p_1L_1=p_2L_2$ (단면 일정)이다.
$L_2=\dfrac{0.3\times200}{0.741}\approx81\,\mathrm{mm}$

이동거리는 $200-81=119\,\mathrm{mm}$ 이다. 81 mm 는 남은 길이다.

문제 5

적절한 재료로 안전율 3을 적용하여 안지름이 600 [mm], 공급 유체의 내압이 4 [N/mm²]인 원통 용기를 설계한 결과, 용기의 두께가 8 [mm]로 되었다. 이 재료의 기준강도[N/mm²]는?

175

2150

3225

4450

정답 및 해설

재료의 기준강도는 450 N/ $\mathrm{mm}^{2}$ 이다.

원통 용기의 두께식 $t=\dfrac{pD}{2\sigma_a}$ 에서 허용응력을 구한다.
$\sigma_a=\dfrac{pD}{2t}=\dfrac{4\times600}{2\times8}=150\,\mathrm{N/mm^2}$

허용응력 = 기준강도/안전율이므로 $\sigma=150\times3=450\,\mathrm{N/mm^2}$ 이다. 150 은 허용응력이다.

문제 6

다음 글에서 설명하고 있는 운동용 나사는?

축 하중의 방향이 한쪽으로만 작용되는 경우에 사용하는 것으로 하중을 받는 면의 경사가 수직에 가까운 3 °이기 때문에 효율이 좋다. 바이스나 프레스 등의 이송 나사로 사용한다.

1톱니나사

2둥근나사

3사각나사

4사다리꼴나사

정답 및 해설

설명에 해당하는 나사는 톱니나사다.

톱니나사는 하중을 받는 면은 거의 수직, 반대 면은 경사지게 만든 비대칭 나사로, 한 방향 축하중을 효율 좋게 전달한다.

둥근나사는 산이 둥글어 먼지가 많은 곳이나 전구 소켓에 쓴다.
사각나사는 양방향 하중에 효율이 좋으나 가공이 어렵다.
사다리꼴나사는 산 각이 30° 정도로 양방향 이송에 쓴다.

문제 7

내접기어의 잇수가 72개, 태양기어의 잇수가 18개, 유성기어의 잇수가 27개인 유성기어장치에서, 내접기어를 고정하고 태양기어를 구동으로 하고, 캐리어를 종동으로 한다. 입력 토크가 10 [N·m]일 때, 출력 토크[N·m]는? (단, 동력 전달 시 손실이 없다고 가정한다)

215

340

450

정답 및 해설

출력 토크는 50 N·m이다.

내접기어를 고정하고 태양기어 입력·캐리어 출력이면 감속비는
$i=1+\dfrac{Z_r}{Z_s}=1+\dfrac{72}{18}=5$

손실이 없으면 출력 토크는 감속비만큼 커진다.
$T_{out}=10\times5=50\,\mathrm{N\cdot m}$

문제 8

번지점프에서 점프대는 로프 길이보다 충분히 높이 설치되어 있다. 로프 길이가 100 [m]이고, 사람이 점프대에 한쪽 끝이 고정된 로프의 끝을 발목에 매고 점프대에서 뛰어내릴 때, 로프의 최대 늘어난 길이[m]의 근삿값으로 가장 적합한 것은? (단, 로프의 스프링 상수 k＝1000 [N/m]이고, 사람의 무게는 1000 [N]이며, 로프의 무게는 무시한다)

215

320

425

정답 및 해설

로프의 최대 늘어난 길이는 약 15 m이다.

최저점에서 속도가 0 이므로 낙하한 위치에너지가 모두 로프의 탄성에너지로 바뀐다(에너지 보존).
$W(100+x)=\dfrac{1}{2}kx^2\Rightarrow1000(100+x)=500x^2$

$x^2-2x-200=0\Rightarrow x=1+\sqrt{201}\approx15.2\,\mathrm{m}$

정적 처짐 $W/k=1\,\mathrm{m}$ 만 계산하면 낙하의 운동에너지를 빠뜨린다.

문제 9

그림과 같이 하중 500 [kgf]이 너클조인트의 양단에 가해지고 있다. 이때 전단하중을 고려하여 설계 할 경우, 너클핀의 지름[mm]은? (단, 허용 전단응력은 5 [kgf/mm²]이다)

정답 및 해설

너클핀의 지름은 $d=\sqrt{\dfrac{200}{\pi}}\,\mathrm{mm}$ 이다.

그림처럼 핀은 가운데 아이와 양쪽 포크 사이의 두 단면에서 전단되는 복전단 상태다.
$W=2\tau\dfrac{\pi d^2}{4}$

$d^2=\dfrac{2W}{\pi\tau}=\dfrac{2\times500}{5\pi}=\dfrac{200}{\pi}$
한 단면만 전단되는 단전단으로 보면 $d^2=\dfrac{400}{\pi}$ 가 되어 지름을 과대하게 잡게 된다.

문제 10

다음 그림과 같이 4.5 [ton]의 인장력을 맞대기 용접한 판에 작용 시킬 때, 용접부에 발생하는 인장응력[kgf/mm²]은?

119

225

327

442

정답 및 해설

용접부의 인장응력은 25 kgf/ $\mathrm{mm}^{2}$ 이다.

그림에서 판 폭(용접 길이)은 20 mm, 판 두께는 9 mm 이고 12 mm 는 덧살을 포함한 높이다. 맞대기 용접의 목두께는 덧살을 빼고 판 두께로 본다.

$\sigma=\dfrac{4500}{9\times20}=25\,\mathrm{kgf/mm^2}$

12 mm 를 쓰면 약 19 로 덧살까지 강도에 넣은 값이다.
14 mm 는 비드 폭으로 응력 단면과 무관하다.

문제 11

바흐(Bach)의 축공식에 대한 설명으로 옳은 것은?

1연강 축의 최대 처짐각이 0.001 [rad] 이하가 되도록 설계한다.

2연강 축의 길이가 축 지름의 20배일 때 비틀림으로 변형된 각도가 1 ° 이내가 되도록 설계한다.

3연강 축의 최대 처짐량은 축 길이의 0.00033배 이내이어야 한다.

4연강 축의 길이 1 [m]당, 비틀림으로 변형된 각도가 0.25 ° 이내가 되도록 설계한다.

정답 및 해설

바흐의 축공식은 연강 축 길이 1 m 당 비틀림각이 0.25° 이내가 되도록 설계하는 식이다.

비틀림 강성을 기준으로 한 식으로, 전동축의 비틀림 변형을 제한한다.

처짐각 0.001 rad 이하는 굽힘 강성(처짐각) 기준이다.
지름의 20배 길이에서 1° 는 다른 비틀림각 기준이다.
처짐량을 길이의 일정 비율로 제한하는 것은 굽힘 처짐 기준이다.

문제 12

다음 베어링 중 길이에 비하여 지름이 매우 작은 롤러를 사용한 것으로, 내·외륜의 두께가 얇아 바깥지름이 작으며, 단위 면적에 대한 강성이 커 좁은 장소에서 비교적 큰 하중을 받는 기계장치에 사용되는 것은?

1니들 롤러 베어링

2원통 롤러 베어링

3테이퍼 롤러 베어링

4자동 조심 롤러 베어링

정답 및 해설

설명에 해당하는 베어링은 니들 롤러 베어링이다.

니들 롤러 베어링은 길이에 비해 지름이 아주 작은 바늘 모양 롤러를 써서 내·외륜이 얇고 바깥지름이 작다. 좁은 공간에서 큰 레이디얼 하중을 받는다.

원통 롤러 베어링은 롤러 지름과 길이가 비슷해 바깥지름이 더 크다.
테이퍼 롤러 베어링은 원추형 롤러로 레이디얼·스러스트 하중을 함께 받는다.
자동 조심 롤러 베어링은 구면 궤도로 축의 기울기를 허용한다.

문제 13

크리프 현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1천이(transient) 크리프 동안에는 시간이 경과함에 따라 크리프 속도는 감소한다.

2일정한 온도에서 하중의 크기가 클수록 크리프 속도가 증가하여 파단에 이르는 시간이 짧아진다.

3고온, 고하중의 경우 크리프 속도가 증가하여 빨리 파단이 발생된다.

4크리프 속도가 최대가 될 때 크리프 한계응력이 발생한다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 크리프 속도가 최대일 때 크리프 한계응력이 발생한다는 것이다.

크리프 한계는 일정 온도에서 크리프가 실용상 멈추거나 정해진 시간에 허용 변형량을 넘지 않는 최대 응력이다. 크리프 속도가 최대가 되는 것은 파단 직전의 가속(3기) 크리프다.

천이(1기) 크리프에서는 가공경화로 크리프 속도가 점점 감소한다.
하중이 클수록 크리프 속도가 커져 파단 시간이 짧아진다.
고온·고하중일수록 크리프 속도가 커져 빨리 파단된다.

문제 14

헬리컬기어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1치직각 모듈은 축직각 모듈보다 작다.

2좌비틀림 헬리컬기어는 반드시 좌비틀림 헬리컬기어와 맞물려야 한다.

3치직각 단면에서 피치원은 타원이 되며, 타원의 곡률 반지름 중 가장 큰 반지름을 상당스퍼기어 반지름이라고 한다.

4헬리컬기어로 동력을 전달할 때는 일반적으로 축방향하중이 발생된다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 좌비틀림 기어는 좌비틀림 기어와 맞물려야 한다는 것이다.

평행축 헬리컬기어는 비틀림 방향이 서로 반대(좌-우)인 기어끼리 맞물린다.

치직각 모듈 $m_n=m_s\cos\beta$ 는 축직각 모듈보다 작다.
치직각 단면의 피치원은 타원이 되며 그 최대 곡률반지름으로 상당스퍼기어를 정한다.
이가 비틀려 있어 동력 전달 시 축방향 하중(스러스트)이 생긴다.

문제 15

원통마찰차의 원동차 지름이 300 [mm], 회전수 600 [rpm], 단위 길이[mm]당 허용수직힘이 2.5 [kgf/mm]일 때, 최대전달동력 9 [PS]를 전달하기 위해 필요한 바퀴의 최소 폭[mm]은? (단, 원동차의 표면재료는 목재, 종동차는 주철재이며, 마찰계수는 0.15, π＝3으로 한다)

1100

2150

3200

4300

정답 및 해설

필요한 바퀴의 최소 폭은 200 mm이다.

원주속도는 $v=\dfrac{\pi DN}{60}=\dfrac{3\times0.3\times600}{60}=9\,\mathrm{m/s}$ 이다. 9 PS 를 전달할 마찰력은
$\mu P=\dfrac{75H}{v}=\dfrac{75\times9}{9}=75\,\mathrm{kgf}\Rightarrow P=\dfrac{75}{0.15}=500\,\mathrm{kgf}$

단위 폭당 허용수직힘으로 나누면 $b=\dfrac{500}{2.5}=200\,\mathrm{mm}$ 이다. 1 PS = 75 kgf·m/s 를 쓴다.

문제 16

동력전달을 위한 평벨트 전동장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1직물벨트는 가죽벨트보다 가볍고 인장강도는 크나 유연성이 좋지 않아 전동능력이 떨어진다.

2바로걸기에서 벨트를 수평으로 걸어서 전동하는 경우 긴장측을 위쪽으로 하는 것이 좋다.

3운전 중에 벨트가 풀리에서 벗겨지지 않도록 풀리의 표면은 가운데를 약간 높게 한다.

4벨트 전동장치에서는 속도비를 일정하게 유지하기 곤란하다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 수평 바로걸기에서 긴장측을 위쪽으로 한다는 것이다.

수평 전동에서는 긴장측을 아래쪽, 이완측을 위쪽으로 둔다. 그러면 이완측이 자중으로 처져 풀리 접촉각이 커지고 전동능력이 좋아진다.

직물벨트는 가볍고 인장강도가 크지만 유연성이 떨어져 전동능력이 낮다.
풀리 표면을 가운데가 약간 높게(크라운) 하면 벨트가 벗겨지지 않는다.
벨트는 미끄럼이 있어 속도비를 정확히 유지하기 어렵다.

문제 17

다판 클러치에서 접촉면의 안지름이 100 [mm], 바깥지름이 300 [mm]이고, 접촉면압이 0.01 [kgf/mm²]일 경우, 50000 [kgf·mm]이상의 토크를 전달하기 위해 필요한 접촉면 수가 최소 몇 개인가? (단, 마찰계수는 0.2이며, 제동효율은 고려하지 않고, π＝3으로 한다)

정답 및 해설

필요한 접촉면 수는 최소 5개다.

접촉면 하나에 걸리는 축방향 힘은
$P=p\dfrac{\pi}{4}(D_2^2-D_1^2)=0.01\times\dfrac{3}{4}(300^2-100^2)=600\,\mathrm{kgf}$

평균 반지름 100 mm 에서 한 면이 전달하는 토크는 $\mu Pr_m=0.2\times600\times100=12\,000\,\mathrm{kgf\cdot mm}$ 이다.
$z\ge\dfrac{50\,000}{12\,000}\approx4.2$ 이므로 올림하여 5개다.

문제 18

로프의 인장력 1000 [kgf]이 걸려 있는 상태에서 최대 처짐량을 5 [cm] 정도로 유지하기 위한 로프 풀리의 두 축 사이의 거리[m]의 근사치로 가장 적당한 것은? (단, 로프의 단위길이당 무게는 1 [kgf/m]이다)

110

215

320

430

정답 및 해설

두 축 사이의 거리는 약 20 m이다.

처짐이 작은 로프의 최대 처짐은 $\delta=\dfrac{wL^2}{8T}$ 로 근사한다.

$L=\sqrt{\dfrac{8T\delta}{w}}=\sqrt{\dfrac{8\times1000\times0.05}{1}}=\sqrt{400}=20\,\mathrm{m}$
처짐을 m 단위(0.05 m)로 넣어야 한다.

문제 19

접착이음에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1비금속재료 및 이종재료까지 접착이 가능하고, 진동 및 충격의 흡수가 가능하다.

2다량의 동시접착으로 자동화가 가능하나, 접착제의 내구성이 약하고 접착 강도의 평가가 어렵다.

3접착이음의 파괴는 계면파괴, 응집파괴 그리고 접착체 파괴로 구분되며, 계면파괴가 가장 흔하게 발생한다.

4접착이음의 강도를 향상시키려면 인장응력을 증가시키고 전단응력을 감소시키면 된다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 인장응력을 늘리고 전단응력을 줄이면 강도가 향상된다는 것이다.

접착층은 인장·박리에 약하고 전단에 강하다. 따라서 겹치기·스카프 이음처럼 하중이 전단으로 걸리도록 설계해야 한다.

비금속·이종재료도 접착할 수 있고 진동·충격을 흡수한다.
동시 접착으로 자동화가 가능하지만 내구성이 약하고 강도 평가가 어렵다.
파괴 형태는 계면파괴·응집파괴·피착재 파괴로 나뉜다.

문제 20

물림률이 1.5인 평기어에 대한 설명으로 옳은 것은?

1물림률이 1.5인 평기어는 물림길이에서 두 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 1의 비율이고 한 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 0.5의 비율이다.

2물림률이 1.5인 평기어는 물림길이에서 두 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 0.5의 비율이고 한 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 1의 비율이다.

3물림률이 1.5인 평기어는 항상 한 쌍의 기어 이가 물려서 회전한다.

4물림률이 1.5인 평기어는 항상 두 쌍의 기어 이가 물려서 회전한다.

정답 및 해설

물림률 1.5 는 물림길이 중 두 쌍 물림 구간이 1, 한 쌍 물림 구간이 0.5의 비율이라는 뜻이다.

물림길이는 법선피치의 1.5배다. 시작과 끝에서 각각 $(\varepsilon-1)p_b=0.5p_b$ 씩 두 쌍이 물리므로 두 쌍 구간은 합계 $1.0p_b$ , 가운데 한 쌍 구간은 $(2-\varepsilon)p_b=0.5p_b$ 이다.

두 쌍 0.5, 한 쌍 1 이라는 설명은 비율을 뒤바꾼 것이다.
항상 한 쌍 또는 항상 두 쌍만 물린다는 설명은 두 상태가 번갈아 나타나는 것과 맞지 않는다.

9급 국가직 기계설계 기출문제모두CBT · moducbt.com

15년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

응력집중계수가 1.5인 노치가 있는 기계부품이 인장하중을 받고 있으며, 노치 부분에 걸리는 응력이 30 [MPa]이다. 이때의 공칭 응력[MPa]은?

120

245

30.05

467.5

정답 및 해설

공칭 응력은 20 MPa이다.

응력집중계수는 노치부 최대응력/공칭응력이다.
$\alpha_k=\dfrac{\sigma_{max}}{\sigma_n}\Rightarrow\sigma_n=\dfrac{30}{1.5}=20\,\mathrm{MPa}$

45 MPa 는 계수를 곱한 값으로, 공칭응력이 최대응력보다 커지는 모순이 생긴다.

문제 2

볼트의 호칭지름이 30 [mm]일 때, 보통높이너트의 높이[mm]로 가장 적합한 것은? (단, 볼트와 너트는 동일한 강재질이다)

115

227

335

460

정답 및 해설

보통높이너트의 높이로 가장 적합한 값은 27 mm이다.

15 mm 는 호칭지름의 절반으로 얇은 너트 수준이라 나사산 강도가 부족하다.
35·60 mm 는 필요 이상으로 높아 재료만 낭비된다.

문제 3

원통 위에 감은 실을 풀 때, 실 위의 한 점이 그리는 궤적을 곡선으로 한 기어 치형의 특징으로 옳지 않은 것은?

1변형시킨 전위기어를 사용할 수 있다.

2맞물리는 두 기어의 중심거리가 다소 틀려도 속도비에는 영향이 없다.

3미끄럼률 및 마멸이 균일하며 운동이 원활하다.

4제작상의 오차 및 조립상의 오차가 다소 있더라도 사용에 큰 영향을 미치지 않는다.

정답 및 해설

인벌류트 치형의 특징으로 옳지 않은 것은 미끄럼률과 마멸이 균일하다는 것이다.

전위기어를 만들 수 있다.
중심거리가 다소 달라져도 속도비가 변하지 않는다.
제작·조립 오차의 영향이 작고 호환성이 좋다.

문제 4

179

281

3119

4121

정답 및 해설

실린더의 이동거리는 약 119 mm이다.

단면적은 $A=\dfrac{3\times30^2}{4}=675\,\mathrm{mm^2}$ 이다. 평형 상태의 공기 압력은 하중을 지탱해야 하므로
$p_2=\dfrac{500}{675}\approx0.741\,\mathrm{MPa}$

등온 변화이므로 $p_1L_1=p_2L_2$ (단면 일정)이다.
$L_2=\dfrac{0.3\times200}{0.741}\approx81\,\mathrm{mm}$

이동거리는 $200-81=119\,\mathrm{mm}$ 이다. 81 mm 는 남은 길이다.

문제 5

175

2150

3225

4450

정답 및 해설

재료의 기준강도는 450 N/ $\mathrm{mm}^{2}$ 이다.

원통 용기의 두께식 $t=\dfrac{pD}{2\sigma_a}$ 에서 허용응력을 구한다.
$\sigma_a=\dfrac{pD}{2t}=\dfrac{4\times600}{2\times8}=150\,\mathrm{N/mm^2}$

허용응력 = 기준강도/안전율이므로 $\sigma=150\times3=450\,\mathrm{N/mm^2}$ 이다. 150 은 허용응력이다.

문제 6

다음 글에서 설명하고 있는 운동용 나사는?

1톱니나사

2둥근나사

3사각나사

4사다리꼴나사

정답 및 해설

설명에 해당하는 나사는 톱니나사다.

톱니나사는 하중을 받는 면은 거의 수직, 반대 면은 경사지게 만든 비대칭 나사로, 한 방향 축하중을 효율 좋게 전달한다.

둥근나사는 산이 둥글어 먼지가 많은 곳이나 전구 소켓에 쓴다.
사각나사는 양방향 하중에 효율이 좋으나 가공이 어렵다.
사다리꼴나사는 산 각이 30° 정도로 양방향 이송에 쓴다.

문제 7

215

340

450

정답 및 해설

출력 토크는 50 N·m이다.

내접기어를 고정하고 태양기어 입력·캐리어 출력이면 감속비는
$i=1+\dfrac{Z_r}{Z_s}=1+\dfrac{72}{18}=5$

손실이 없으면 출력 토크는 감속비만큼 커진다.
$T_{out}=10\times5=50\,\mathrm{N\cdot m}$

문제 8

215

320

425

정답 및 해설

로프의 최대 늘어난 길이는 약 15 m이다.

최저점에서 속도가 0 이므로 낙하한 위치에너지가 모두 로프의 탄성에너지로 바뀐다(에너지 보존).
$W(100+x)=\dfrac{1}{2}kx^2\Rightarrow1000(100+x)=500x^2$

$x^2-2x-200=0\Rightarrow x=1+\sqrt{201}\approx15.2\,\mathrm{m}$

정적 처짐 $W/k=1\,\mathrm{m}$ 만 계산하면 낙하의 운동에너지를 빠뜨린다.

문제 9

정답 및 해설

너클핀의 지름은 $d=\sqrt{\dfrac{200}{\pi}}\,\mathrm{mm}$ 이다.

그림처럼 핀은 가운데 아이와 양쪽 포크 사이의 두 단면에서 전단되는 복전단 상태다.
$W=2\tau\dfrac{\pi d^2}{4}$

$d^2=\dfrac{2W}{\pi\tau}=\dfrac{2\times500}{5\pi}=\dfrac{200}{\pi}$
한 단면만 전단되는 단전단으로 보면 $d^2=\dfrac{400}{\pi}$ 가 되어 지름을 과대하게 잡게 된다.

문제 10

다음 그림과 같이 4.5 [ton]의 인장력을 맞대기 용접한 판에 작용 시킬 때, 용접부에 발생하는 인장응력[kgf/mm²]은?

119

225

327

442

정답 및 해설

용접부의 인장응력은 25 kgf/ $\mathrm{mm}^{2}$ 이다.

그림에서 판 폭(용접 길이)은 20 mm, 판 두께는 9 mm 이고 12 mm 는 덧살을 포함한 높이다. 맞대기 용접의 목두께는 덧살을 빼고 판 두께로 본다.

$\sigma=\dfrac{4500}{9\times20}=25\,\mathrm{kgf/mm^2}$

12 mm 를 쓰면 약 19 로 덧살까지 강도에 넣은 값이다.
14 mm 는 비드 폭으로 응력 단면과 무관하다.

문제 11

바흐(Bach)의 축공식에 대한 설명으로 옳은 것은?

1연강 축의 최대 처짐각이 0.001 [rad] 이하가 되도록 설계한다.

2연강 축의 길이가 축 지름의 20배일 때 비틀림으로 변형된 각도가 1 ° 이내가 되도록 설계한다.

3연강 축의 최대 처짐량은 축 길이의 0.00033배 이내이어야 한다.

4연강 축의 길이 1 [m]당, 비틀림으로 변형된 각도가 0.25 ° 이내가 되도록 설계한다.

정답 및 해설

바흐의 축공식은 연강 축 길이 1 m 당 비틀림각이 0.25° 이내가 되도록 설계하는 식이다.

비틀림 강성을 기준으로 한 식으로, 전동축의 비틀림 변형을 제한한다.

처짐각 0.001 rad 이하는 굽힘 강성(처짐각) 기준이다.
지름의 20배 길이에서 1° 는 다른 비틀림각 기준이다.
처짐량을 길이의 일정 비율로 제한하는 것은 굽힘 처짐 기준이다.

문제 12

1니들 롤러 베어링

2원통 롤러 베어링

3테이퍼 롤러 베어링

4자동 조심 롤러 베어링

정답 및 해설

설명에 해당하는 베어링은 니들 롤러 베어링이다.

원통 롤러 베어링은 롤러 지름과 길이가 비슷해 바깥지름이 더 크다.
테이퍼 롤러 베어링은 원추형 롤러로 레이디얼·스러스트 하중을 함께 받는다.
자동 조심 롤러 베어링은 구면 궤도로 축의 기울기를 허용한다.

문제 13

크리프 현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1천이(transient) 크리프 동안에는 시간이 경과함에 따라 크리프 속도는 감소한다.

2일정한 온도에서 하중의 크기가 클수록 크리프 속도가 증가하여 파단에 이르는 시간이 짧아진다.

3고온, 고하중의 경우 크리프 속도가 증가하여 빨리 파단이 발생된다.

4크리프 속도가 최대가 될 때 크리프 한계응력이 발생한다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 크리프 속도가 최대일 때 크리프 한계응력이 발생한다는 것이다.

천이(1기) 크리프에서는 가공경화로 크리프 속도가 점점 감소한다.
하중이 클수록 크리프 속도가 커져 파단 시간이 짧아진다.
고온·고하중일수록 크리프 속도가 커져 빨리 파단된다.

문제 14

헬리컬기어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1치직각 모듈은 축직각 모듈보다 작다.

2좌비틀림 헬리컬기어는 반드시 좌비틀림 헬리컬기어와 맞물려야 한다.

3치직각 단면에서 피치원은 타원이 되며, 타원의 곡률 반지름 중 가장 큰 반지름을 상당스퍼기어 반지름이라고 한다.

4헬리컬기어로 동력을 전달할 때는 일반적으로 축방향하중이 발생된다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 좌비틀림 기어는 좌비틀림 기어와 맞물려야 한다는 것이다.

평행축 헬리컬기어는 비틀림 방향이 서로 반대(좌-우)인 기어끼리 맞물린다.

치직각 모듈 $m_n=m_s\cos\beta$ 는 축직각 모듈보다 작다.
치직각 단면의 피치원은 타원이 되며 그 최대 곡률반지름으로 상당스퍼기어를 정한다.
이가 비틀려 있어 동력 전달 시 축방향 하중(스러스트)이 생긴다.

문제 15

1100

2150

3200

4300

정답 및 해설

필요한 바퀴의 최소 폭은 200 mm이다.

단위 폭당 허용수직힘으로 나누면 $b=\dfrac{500}{2.5}=200\,\mathrm{mm}$ 이다. 1 PS = 75 kgf·m/s 를 쓴다.

문제 16

동력전달을 위한 평벨트 전동장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1직물벨트는 가죽벨트보다 가볍고 인장강도는 크나 유연성이 좋지 않아 전동능력이 떨어진다.

2바로걸기에서 벨트를 수평으로 걸어서 전동하는 경우 긴장측을 위쪽으로 하는 것이 좋다.

3운전 중에 벨트가 풀리에서 벗겨지지 않도록 풀리의 표면은 가운데를 약간 높게 한다.

4벨트 전동장치에서는 속도비를 일정하게 유지하기 곤란하다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 수평 바로걸기에서 긴장측을 위쪽으로 한다는 것이다.

수평 전동에서는 긴장측을 아래쪽, 이완측을 위쪽으로 둔다. 그러면 이완측이 자중으로 처져 풀리 접촉각이 커지고 전동능력이 좋아진다.

직물벨트는 가볍고 인장강도가 크지만 유연성이 떨어져 전동능력이 낮다.
풀리 표면을 가운데가 약간 높게(크라운) 하면 벨트가 벗겨지지 않는다.
벨트는 미끄럼이 있어 속도비를 정확히 유지하기 어렵다.

문제 17

정답 및 해설

필요한 접촉면 수는 최소 5개다.

접촉면 하나에 걸리는 축방향 힘은
$P=p\dfrac{\pi}{4}(D_2^2-D_1^2)=0.01\times\dfrac{3}{4}(300^2-100^2)=600\,\mathrm{kgf}$

문제 18

110

215

320

430

정답 및 해설

두 축 사이의 거리는 약 20 m이다.

처짐이 작은 로프의 최대 처짐은 $\delta=\dfrac{wL^2}{8T}$ 로 근사한다.

$L=\sqrt{\dfrac{8T\delta}{w}}=\sqrt{\dfrac{8\times1000\times0.05}{1}}=\sqrt{400}=20\,\mathrm{m}$
처짐을 m 단위(0.05 m)로 넣어야 한다.

문제 19

접착이음에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1비금속재료 및 이종재료까지 접착이 가능하고, 진동 및 충격의 흡수가 가능하다.

2다량의 동시접착으로 자동화가 가능하나, 접착제의 내구성이 약하고 접착 강도의 평가가 어렵다.

3접착이음의 파괴는 계면파괴, 응집파괴 그리고 접착체 파괴로 구분되며, 계면파괴가 가장 흔하게 발생한다.

4접착이음의 강도를 향상시키려면 인장응력을 증가시키고 전단응력을 감소시키면 된다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 인장응력을 늘리고 전단응력을 줄이면 강도가 향상된다는 것이다.

접착층은 인장·박리에 약하고 전단에 강하다. 따라서 겹치기·스카프 이음처럼 하중이 전단으로 걸리도록 설계해야 한다.

비금속·이종재료도 접착할 수 있고 진동·충격을 흡수한다.
동시 접착으로 자동화가 가능하지만 내구성이 약하고 강도 평가가 어렵다.
파괴 형태는 계면파괴·응집파괴·피착재 파괴로 나뉜다.

문제 20

물림률이 1.5인 평기어에 대한 설명으로 옳은 것은?

1물림률이 1.5인 평기어는 물림길이에서 두 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 1의 비율이고 한 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 0.5의 비율이다.

2물림률이 1.5인 평기어는 물림길이에서 두 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 0.5의 비율이고 한 쌍의 기어 이가 물리는 길이는 1의 비율이다.

3물림률이 1.5인 평기어는 항상 한 쌍의 기어 이가 물려서 회전한다.

4물림률이 1.5인 평기어는 항상 두 쌍의 기어 이가 물려서 회전한다.

정답 및 해설

물림률 1.5 는 물림길이 중 두 쌍 물림 구간이 1, 한 쌍 물림 구간이 0.5의 비율이라는 뜻이다.

두 쌍 0.5, 한 쌍 1 이라는 설명은 비율을 뒤바꾼 것이다.
항상 한 쌍 또는 항상 두 쌍만 물린다는 설명은 두 상태가 번갈아 나타나는 것과 맞지 않는다.