[9급 지방직 기계설계] 24년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

설명된 현상은 크리프(creep)이다.
고온에서 일정한 응력이 계속 작용할 때 시간이 지날수록 변형률이 증가하는 것이 크리프의 정의이며, 고온·장시간·일정 하중이 핵심 조건이다.
시효현상: 시간이 지나면서 재료의 경도·강도 등 성질이 변하는 현상으로, 일정 응력하 변형 증가와는 다르다.
피로현상: 반복(변동) 하중에 의해 정적 강도보다 낮은 응력에서 파괴되는 현상이다.
응력집중현상: 노치·구멍 등 단면 급변부에서 응력이 국부적으로 커지는 현상이다.

로케이터는 공작물의 위치를 설정(위치결정)하는 구성 요소이다.
지그·고정구에서 로케이터는 공작물을 기준면·기준점에 정확히 놓이게 하고, 이렇게 정해진 위치를 가공 중 유지하도록 붙잡는 것은 클램프의 역할이다.
각도를 측정하는 도구: 각도기 등 측정기의 설명이다.
공작물의 움직임을 제한하는 도구: 가공력에 의해 공작물이 움직이지 않게 고정하는 클램프의 설명이다.
공구의 경로를 제어하는 구성 요소: 드릴 부시 같은 공구 안내 요소의 설명이다.

커플링 설계 고려사항이 아닌 것은 운전 중 원활한 단속이 가능할 것이다.
운전 중에 동력을 끊고 잇는 기능은 클러치의 특징이며, 커플링은 축을 영구적으로 연결해 운전 중 단속할 수 없다.
설치·분해가 쉬워야 한다는 것은 커플링의 일반적인 설계 조건이다.
진동으로 이완되지 않아야 한다는 것도 체결 신뢰성 측면의 설계 조건이다.
소형이면서 충분한 전동능력을 갖추는 것도 커플링 설계의 목표이다.

코킹은 기밀(유밀)을 유지하기 위하여 사용된다.
리벳 이음 후 판 끝이나 리벳 머리 주위를 정 같은 공구로 때려 밀착시켜 틈새를 없애는 작업이며, 보일러·압력용기처럼 누설 방지가 필요한 곳에 쓴다.
리벳 구멍은 펀칭·드릴링으로 뚫으며 코킹과 무관하다.
패킹재료를 끼우는 것은 코킹의 목적이 아니며, 코킹은 판재끼리 직접 밀착시켜 기밀을 얻는다.
코킹은 판의 강도를 보강하는 작업이 아니라 밀폐를 위한 작업이다.

평행키의 전단응력은 $\tau=\dfrac{2T}{bld}$이다.
축 표면에서 키에 작용하는 접선력은 $F=\dfrac{2T}{d}$이고, 전단면적은 키의 폭 × 길이인 $bl$이다.
$\tau=\dfrac{F}{bl}=\dfrac{2T}{bld}$
분모에 높이 $h$가 들어간 식은 압축(면압)응력 계열의 식으로, 전단응력에는 폭 $b$를 쓴다.
분자가 $4T$이고 높이 $h$를 쓰는 식은 키 높이의 절반이 접촉한다고 볼 때의 압축응력 $\sigma_c=\dfrac{4T}{hld}$이다.
분자가 $4T$이고 폭 $b$를 쓰는 식은 접선력이나 전단면적을 잘못 잡은 형태로 성립하지 않는다.

원형 봉의 비틀림변형을 이용한 스프링은 토션 바이다.
토션 바는 봉의 한 끝을 고정하고 다른 끝에 비틀림모멘트를 가해 비틀림 탄성으로 에너지를 저장하며, 자동차 현가장치 등에 쓰인다.
겹판 스프링: 여러 장의 판을 겹쳐 굽힘변형을 이용하는 스프링이다.
태엽 스프링: 얇은 띠강을 나선형으로 감아 굽힘을 이용해 에너지를 저장하는 스프링이다.
벌류트 스프링: 띠강을 원뿔 모양으로 감은 스프링으로, 원형 봉의 비틀림을 이용하는 구조가 아니다.

설명된 밸브는 안전 밸브(safety valve)이다.
용기 내 압력이 설정압을 넘으면 자동으로 열려 유체를 방출하고, 압력이 내려가면 닫혀 과압을 방지한다.
스톱 밸브: 유로를 열고 닫거나 유량을 조절하는 밸브로 자동 압력 방출 기능이 없다.
체크 밸브: 유체를 한 방향으로만 흐르게 하여 역류를 막는 밸브이다.
게이트 밸브: 유로를 수직으로 가로막는 문(게이트)을 올리고 내려 개폐하는 밸브이다.

옳은 것은 외접 마찰차 사이에 중간차를 넣으면 종동차의 회전방향을 바꿀 수 있다는 설명이다.
외접 마찰차는 서로 반대로 돌므로, 중간차를 하나 넣으면 원동차와 종동차가 같은 방향으로 회전하게 된다.
마찰차는 미끄럼이 생기므로 각속도비가 정확히 일정하게 유지되지 않는다.
구름 접촉 시 각속도비는 지름비와 같은 것이 아니라 지름의 역비이다($\omega_A/\omega_B=D_B/D_A$).
중심거리는 외접이면 $(D_A+D_B)/2$, 내접이면 $|D_A-D_B|/2$로 서로 다르다.

옳지 않은 관계식은 모듈 = 원주피치 × π이다.
원주피치는 $p=\pi m$이므로 모듈은 $m=\dfrac{p}{\pi}$, 즉 원주피치를 π로 나눈 값이다.
총이높이 = 이끝높이 + 이뿌리높이는 정의 그대로 옳다.
피치원지름 $D=mz$로 옳다.
보통이의 이끝높이는 $m$이므로 이끝원지름 $D_o=mz+2m=m(z+2)$로 옳다.

설명된 키는 안장키(saddle key)이다.
안장키는 축에 홈을 파지 않고 보스에만 키 홈을 내어, 축과 키 사이의 마찰력만으로 토크를 전달하므로 큰 토크에는 미끄러지기 쉽다.
평키: 축의 키 자리를 평평하게 깎아 키를 얹으므로 안장키보다 큰 토크를 전달할 수 있다.
평행키: 축과 보스 양쪽에 키 홈을 파서 끼우는 가장 일반적인 묻힘키 계열이다.
접선키: 축의 접선 방향으로 두 쌍의 경사키를 박아 큰 토크와 역회전에 대응하는 키이다.

설명된 핀은 너클 핀이다.
너클 핀 이음은 한쪽 축 끝을 포크(fork), 다른 쪽을 아이(eye)로 만들고 핀을 끼워 축방향 인장하중을 전달하며, 핀은 이중 전단을 받는다.
스프링 핀: 판을 원통형으로 말아 탄성으로 구멍에 고정되는 핀이다.
스플릿 핀: 너트 등이 풀리지 않게 구멍에 꽂고 끝을 벌려 고정하는 분할 핀이다.
테이퍼 핀: 테이퍼를 이용해 부품의 위치결정·고정에 쓰는 핀이다.

옳지 않은 것은 강관의 물에 대한 내식성이 주철관보다 뛰어나다는 설명이다.
강관은 주철관보다 가볍고 강하지만 부식에 약해, 수도관 등에서는 아연도금이나 피복을 해서 사용한다.
강관은 고온·고압에 견뎌 보일러용 관으로도 사용된다.
강관은 용접 이음이 가능하다.
강관은 주철관보다 가볍고 인장강도가 크다.

안전 응력 진폭은 조더버그선 < 굿맨선 < 거버선 순으로 커진다.
세 선 모두 피로한도에서 출발하지만, 조더버그선은 항복강도까지 직선, 굿맨선은 극한강도까지 직선, 거버선은 극한강도까지 위로 볼록한 포물선이다.
따라서 같은 평균 응력에서 허용 응력 진폭은 조더버그선이 가장 작고(가장 보수적), 거버선이 가장 크다.
거버선, 굿맨선, 조더버그선: 순서를 정반대로 나열한 것으로, 포물선인 거버선이 가장 바깥에 있다는 점과 맞지 않는다.
굿맨선, 거버선, 조더버그선: 굿맨선을 가장 작게 두었으나 항복강도 기준인 조더버그선이 굿맨선보다 안쪽에 있다.
굿맨선, 조더버그선, 거버선: 굿맨선과 조더버그선의 순서가 뒤바뀌었다.

엇걸기 벨트의 접촉각은 $\pi+2\sin^{-1}\left(\dfrac{D_1+D_2}{2C}\right)$이다.
엇걸기는 벨트가 두 풀리 사이에서 교차하므로 두 풀리의 접촉각이 같고, 기울기 각은 $\sin\phi=\dfrac{D_1+D_2}{2C}$로 반지름의 합으로 정해진다.
분모에 $4C$를 쓰고 계수 4를 붙인 합(+) 형태는 기하학적으로 유도되지 않는 식이다.
$\pi-2\sin^{-1}\left(\dfrac{D_1-D_2}{2C}\right)$는 바로걸기에서 작은 풀리의 접촉각이다.
계수 4와 $4C$를 쓴 차(−) 형태도 바로걸기 식을 잘못 변형한 것이다.

마찰차를 누르는 힘은 2.5 kN이다.
전달 동력은 마찰력 × 원주속도이다.
$H=\mu Pv$
$P=\dfrac{H}{\mu v}=\dfrac{2000}{0.2\times 4}=2500\,\mathrm{N}$
따라서 $P=2.5\,\mathrm{kN}$이다.
1.5 kN: $H=\mu Pv$에 대입하면 전달 동력이 $1.2\,\mathrm{kW}$에 그쳐 부족하다.
4 kN: 전달 동력이 $3.2\,\mathrm{kW}$로 요구값과 맞지 않는다.
5 kN: 전달 동력이 $4\,\mathrm{kW}$가 되어 요구값의 2배이다.

자립조건을 만족하는 최소 유효지름은 20 mm이다.
사각나사의 자립조건은 리드각이 마찰각 이하, 즉 $\tan\lambda\le\mu$이다.
$\tan\lambda=\dfrac{p}{\pi d_e}\le\mu$
$d_e\ge\dfrac{p}{\pi\mu}=\dfrac{9}{3\times 0.15}=20\,\mathrm{mm}$
12 mm: $\tan\lambda=\dfrac{9}{36}=0.25\gt 0.15$로 자립하지 않는다.
16 mm: $\tan\lambda=\dfrac{9}{48}\approx 0.19\gt 0.15$로 자립하지 않는다.
24 mm: 자립하지만 최솟값이 아니다.

축의 지름은 $\sqrt[3]{400}\,\mathrm{mm}$이다.
중실축의 굽힘응력은 $\sigma_b=\dfrac{M}{Z}=\dfrac{32M}{\pi d^3}$이다.
$d^3=\dfrac{32M}{\pi\sigma_b}$
$d^3=\dfrac{32\times 2400}{3\times 64}=\dfrac{76800}{192}=400$
따라서 $d=\sqrt[3]{400}\,\mathrm{mm}$이다.
$\sqrt[3]{50}$: 필요 지름보다 작아 굽힘응력이 허용값의 8배가 된다.
$\sqrt[3]{100}$: 굽힘응력이 허용값의 4배가 된다.
$\sqrt[3]{200}$: 단면계수를 $\pi d^3/16$으로 잘못 잡은 값으로, 굽힘응력이 허용값의 2배가 된다.

위험속도는 $\dfrac{1}{\sqrt{2}}$배가 된다.
축의 위험속도는 자중에 의한 정적 처짐 $\delta$와 $\omega_c=\sqrt{\dfrac{g}{\delta}}$의 관계, 즉 $N_c\propto\dfrac{1}{\sqrt{\delta}}$이다.
처짐이 2배이면 $\dfrac{N_c'}{N_c}=\sqrt{\dfrac{\delta}{2\delta}}=\dfrac{1}{\sqrt{2}}$이다.
1/2배는 위험속도가 처짐에 반비례한다고 잘못 본 경우이다.
$\sqrt{2}$배: 처짐이 커질수록 위험속도가 커진다고 본 것으로, 처짐이 커지면 위험속도는 낮아진다.
2배: 위험속도가 처짐에 비례한다고 본 것으로 관계가 반대이다.

베어링의 수명시간은 900 hr이다.
볼 베어링의 수명은 $L_n=\left(\dfrac{C}{P}\right)^3\times 10^6$ 회전이고, 시간으로는 $L_h=\dfrac{L_n}{60N}$이다.
$L_n=\left(\dfrac{2700}{900}\right)^3\times 10^6=27\times 10^6$
$L_h=\dfrac{27\times 10^6}{60\times 500}=900\,\mathrm{hr}$
300 hr: 수명지수를 3 대신 2로 잡은 값($3^2\times 10^6/(60\times 500)=300$)이다.
600 hr: 수명지수 3을 적용한 900 hr와 맞지 않는다.
1,800 hr: 900 hr의 2배로, 회전수를 250 rpm으로 잘못 대입한 값이다.

종동축 비틀림모멘트의 최댓값은 $\dfrac{T_1}{\cos\alpha}$이다.
손실이 없으므로 두 축의 동력이 같다.
$T_1\omega_1=T_2\omega_2 \Rightarrow T_2=\dfrac{T_1\omega_1}{\omega_2}$
$T_2$는 $\omega_2$에 반비례하므로 종동축 각속도가 최소인 $\omega_2=\omega_1\cos\alpha$일 때 최대가 된다.
$T_{2,\max}=\dfrac{T_1\omega_1}{\omega_1\cos\alpha}=\dfrac{T_1}{\cos\alpha}$
$T_1\cos\alpha$: 종동축 각속도가 최대($\omega_1/\cos\alpha$)일 때의 최솟값이다.
$T_1\sin\alpha$, $T_1/\sin\alpha$: 각속도 변동 범위가 코사인으로 주어지므로 사인 항은 나오지 않는다.