5급 공채 2차

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]
  1. (1) 볼트의 초기 예하중이 0일 때와 60kN일 때, 볼트에 작용하는 평균응력, 응력진폭, 그리고 수정 굿맨선도를 사용한 안전율을 각각 계산하시오. (8점)
  2. (2) 볼트의 초기 예하중이 볼트의 피로수명에 미치는 영향을 설명하시오. (2점)
  3. (3) 피로응력집중계수 K_{f}의 정의를 기술하고, 이론적 응력집중계수 K_{t}와 노치민감도 q와의 관계를 나타내시오. (4점)
  4. (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]
\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}}
  1. (1) 평면변형률 상태가 무엇인지 설명하고, 평면변형률 상태에서 \sigma_{{z}}를 나타내시오. (5점)
  2. (2) 반경 r과 각도 \theta에 따른 주응력 \sigma_{{1}}, \sigma_{{2}}, \sigma_{{3}}을 구하시오. (8점)
  3. (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. (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]
  1. (1) 모터의 필요 동력[kW]과 회전속도[rpm]를 구하시오. (단, 로프의 지름은 무시한다) (4점)
  2. (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. (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. (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)
[그림]
  1. (1) 양쪽 베어링에 작용하는 하중[N]을 각각 계산하시오. (6점)
  2. (2) 베어링 온도 계수, 기어 계수, 하중 계수가 각각 1일 때, 양쪽 베어링의 수명시간[hour]을 계산하시오. (4점)
  3. (3) 굽힘모멘트 및 비틀림모멘트에 대한 동적효과계수가 각각 1.5, 1일 때, 축의 최소 지름[mm]을 구하시오. (10점)