2024년 5급 공채 기술 2차 기계설계
문제 4개 · 100점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.
제1문 (20점)
그림과 같이 강판을 볼트로 체결한 결합체에 0에서 15kN 사이의 반복하중 P \,가 작용하고 있다. 볼트의 유효단면적(A_{s})은 150mm2이고, 볼트의 스프링계수 k_{b}에 대한 강판의 스프링계수 k_{p}의 비( k_{{p}} / k_{{b}} )는 4이다. 볼트의 항복강도는 600MPa, 인장강도는 800MPa, 나사산부의 피로응력집중계수 K_{f}를 고려하여 완전 보정된 내구한도는 100MPa이다. 다음 물음에 답하시오. (총 20점)
[그림]
[그림]
- (1) 볼트의 초기 예하중이 0일 때와 60kN일 때, 볼트에 작용하는 평균응력, 응력진폭, 그리고 수정 굿맨선도를 사용한 안전율을 각각 계산하시오. (8점)
- (2) 볼트의 초기 예하중이 볼트의 피로수명에 미치는 영향을 설명하시오. (2점)
- (3) 피로응력집중계수 K_{f}의 정의를 기술하고, 이론적 응력집중계수 K_{t}와 노치민감도 q와의 관계를 나타내시오. (4점)
- (4) 노치민감도가 노치반지름과 재료강도에 따라 변화하는 일반적인 경향을 각각 기술하고, 그 이유를 설명하시오. (6점)
제2문 (25점)
그림과 같이 내부 균열의 길이가 2 a인 무한 평판에 응력 \sigma가 가해지고 있다. 평면변형률 상태를 가정할 때, 균열 근처의 응력장은 아래 수식과 같이 나타낼 수 있다. 다음 물음에 답하시오. (단, \nu는 푸아송비, K_{{I}} \,는 응력확대계수이다) (총 25점)
[그림]
[그림]
\sigma_{{x}} = \frac{{K_{{I}}}}{{\sqrt{{2 \pi r}}}} \cos \frac{{\theta}}{{2}} \left( 1 - \sin \frac{{\theta}}{{2}} \sin \frac{{3 \theta}}{{2}} \right)
\sigma_{{y}} = \frac{{K_{{I}}}}{{\sqrt{{2 \pi r}}}} \cos \frac{{\theta}}{{2}} \left( 1 + \sin \frac{{\theta}}{{2}} \sin \frac{{3 \theta}}{{2}} \right)
\tau_{{xy}} = \frac{{K_{{I}}}}{{\sqrt{{2 \pi r}}}} \sin \frac{{\theta}}{{2}} \cos \frac{{\theta}}{{2}} \cos \frac{{3 \theta}}{{2}}
\sigma_{{y}} = \frac{{K_{{I}}}}{{\sqrt{{2 \pi r}}}} \cos \frac{{\theta}}{{2}} \left( 1 + \sin \frac{{\theta}}{{2}} \sin \frac{{3 \theta}}{{2}} \right)
\tau_{{xy}} = \frac{{K_{{I}}}}{{\sqrt{{2 \pi r}}}} \sin \frac{{\theta}}{{2}} \cos \frac{{\theta}}{{2}} \cos \frac{{3 \theta}}{{2}}
- (1) 평면변형률 상태가 무엇인지 설명하고, 평면변형률 상태에서 \sigma_{{z}}를 나타내시오. (5점)
- (2) 반경 r과 각도 \theta에 따른 주응력 \sigma_{{1}}, \sigma_{{2}}, \sigma_{{3}}을 구하시오. (8점)
- (3) \theta = 0°에서 최대변형에너지 파손이론과 최대전단응력 파손이론을 사용하여 안전계수를 각각 구하고 결과를 비교하시오. (단, \nu < 0.5이고 재료의 항복강도는 S_{{y}}이며, 안전계수는 \sigma와 a를 포함하여 표시해야 한다) (7점)
- (4) 안전계수를 임계응력확대계수(K_{{IC}} \,), \sigma, a를 사용하여 나타내시오. (5점)
제3문 (35점)
10kN 무게의 엘리베이터를 최대속도 3m/s로 올릴 수 있는 엘리베이터용 윈치에서 구동 모터의 동력은 기어감속기(감속비 1/10, 전동효율 90%)를 거쳐 직경 286mm의 윈치드럼에 전달된다. 윈치드럼의 축 끝단에 설치된 복동식 블록브레이크의 레버 및 블록은 좌우가 대칭이고 힌지가 바닥에 고정되어 있으며, 윈치를 제동하기 위해 사용한다. 다음 물음에 답하시오. (총 35점)
[그림]
[그림]
- (1) 모터의 필요 동력[kW]과 회전속도[rpm]를 구하시오. (단, 로프의 지름은 무시한다) (4점)
- (2) 드럼이 시계방향으로 회전하여 엘리베이터가 올라가고 있는 것을 복동식 블록 브레이크가 제동할 때, 블록을 포함한 레버의 자유물체도를 그리시오. 레버에 의해 힌지에 작용하는 합력[N]을 구하고, 브레이크 제동에 필요한 스프링 인장하중[N]을 구하시오. (단, 드럼과 블록의 마찰계수는 0.35, 브레이크 드럼 직경은 320mm이다) (13점)
- (3) 블록의 허용면압이 2MPa일 때 브레이크 용량을 구하고, 블록의 깊이 방향 최소 폭[mm]을 구하시오. (단, 블록과 드럼의 접촉 길이는 80mm이고, 좌우 블록의 크기는 같다) (5점)
- (4) 인장코일스프링은 4개를 병렬로 사용하고, 각 스프링의 스프링지수 C \,가 4, 전단탄성계수가 83GPa, 허용전단응력이 580MPa이고 Wahl의 응력수정계수를 사용할 때, 인장코일스프링 소선의 최소 직경[mm]을 구하시오. 이때, 인장코일스프링에서 길이 변화를 30mm 이내로 하기 위한 최대 유효 감김수를 구하시오. (단, 스프링 소선의 최소 직경과 감김수는 소수점 첫째 자리까지 표시하며, Wahl의 응력수정계수 K_{{w}} = \frac{{4 C - 1}}{{4 C - 4}} + \frac{{0.615}}{{C}}이다) (13점)
제4문 (20점)
잇수 25, 모듈 4, 압력각 20°인 표준 스퍼기어(spur gear)가 10kW의 동력을 축을 통해 모터로부터 전달받아 1,000rpm으로 회전하고 있다. 허용 전단응력이 100MPa인 연강으로 만들어진 축 양단을 기본동정격하중 13,500N인 단열 깊은 홈 볼 베어링이 지지하고 있을 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 볼베어링에 의한 축 지지 형태는 양단 단순지지 조건이며, 스퍼기어 및 축의 자중은 무시한다) (총 20점)
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[그림]
- (1) 양쪽 베어링에 작용하는 하중[N]을 각각 계산하시오. (6점)
- (2) 베어링 온도 계수, 기어 계수, 하중 계수가 각각 1일 때, 양쪽 베어링의 수명시간[hour]을 계산하시오. (4점)
- (3) 굽힘모멘트 및 비틀림모멘트에 대한 동적효과계수가 각각 1.5, 1일 때, 축의 최소 지름[mm]을 구하시오. (10점)