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【기계기사】 기계기사 실기 필답형 문제

 

기계기사 실기 필답형 문제 

 

추천글 : 【기계기사】 기계기사 목차 


1. 개요 [본문]

2. 나사 [본문]

3. 키, 핀, 코터 [본문]

4. 리벳 이음 [본문]

5. 용접 이음 [본문]

6. [본문]

7. 축 이음 [본문]

8. 베어링 [본문]

9. 마찰차 [본문]

10. 기어 [본문]

11. 감아걸기 전동요소 [본문]

12. 브레이크 [본문]

13. 스프링 [본문]

14. 관, 플라이휠 [본문]

15. 참고 링크 [본문]


 

1. 개요 [목차]

공통 

① H' = Tω

② T = P × d / 2

⑵ 재료역학 기본

인장과 압축

② 전단

비틀림

굽힘

(참고) 형상 모델링 기법

① 와이어 프레임 모델링(wire frame modeling)

② 서피스 모델링(surface modeling)

③ 솔리드 모델링(solid modeling)

 

 

2. 나사 [목차]

⑴ 공통

① 나사의 자유물체도 

 

Figure. 1. 나사의 자유물체도

 

○ 축방향의 힘 : 축 방향으로 나사가 받고 있는 힘. Q로 표시

○ 나사의 회전력 : 나사에게 가해지는 힘. P로 표시

리드 (ℓ) : 한 바퀴 회전할 때 전진할 수 있는 거리. ℓ = πp

○ 리드각 (λ) : tan λ = ℓ / πde (de : 유효지름)

마찰각 (ρ) : 계산상의 편의를 위해 도입된 추상적인 개념. ρ = arctan μ

② 나사의 종류

 

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Figure. 2. 삼각나사 (왼쪽), 사다리꼴 나사 (가운데), 사각나사 (오른쪽)]

 

결합용 나사 : 삼각나사 

운동용 나사 : 사각나사, 사다리꼴나사

⑵ 사각나사

 

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Figure. 3. 사각나사]

 

① 개요

○ 안지름 : 골지름이라고도 함

유효지름 (de) : de = (d2 + d1) / 2 (단, d2 : 나사의 바깥지름, d1 : 나사의 안지름)

외경만 주어진 경우 di = 0.8 do (단, M3보다 클 것)

나사산의 높이 (h) = 접촉높이 = 피치 / 2

○ 피치 = d2 - d1 

② 나사를 죌 때

 

 

③ 나사를 풀 때 : ②와의 대칭성을 이용

 

 

④ 토크

○ T = T1 + T2

○ T1 : 자릿면 토크. 자릿면 마찰계수와 관련

 

 

○ T2 : 너트부 토크. 나사부 마찰계수, 너트부 마찰계수와 관련

 

 

⑤ 나사잭의 효율 = pQ / 2πT

○ pQ = 나사를 한 피치 이동시킬 때 필요한 에너지 = 출력

○ 2πT = 한 바퀴 회전시킬 때 필요한 토크 에너지 = 입력

T1 = 0인 경우 : 나사잭의 효율 = tan λ / tan (μ + λ)

 

 

○ tan λ : 마찰이 없을 때 나사를 한 피치 이동시키는 것과 관련 있는 것. 즉 출력

○ tan (μ + λ) : 마찰을 고려하여 나사를 한 피치 이동시키는 것과 관련 있는 것. 즉 입력

⑥ 면압력 

○ 정의 : 주변 구조물에서 나사를 둘러싸는 면에 가해지는 압력

○ 수식화 : 단위 축하중 / 단위 면적 = 축하중 × 피치 / (단위 면적 × 높이)

⑶ 삼각나사, 사다리꼴 나사

① 삼각나사 (=미터 나사)

○ M(호칭지름 x 피치)로 표시 : 호칭지름은 외경을 의미

○ 나사산의 각도 : 60°. Figure. 2. 참고

② 사다리꼴나사

○ TM(미터계) : 30°. Figure. 2. 참고

○ TW(미터계) : 29°. Figure. 2. 참고

 상당 마찰계수 : 계산상의 편의를 위해 도입된 추상적인 개념

 

 

⑷ 볼트 (나사잭)

① 축 하중만 받는 경우 : 원래는 4/π가 계수로 와야 하는데 안전하게 2로 올렸다고 보면 됨

 

 

② 축 하중과 비틀림을 동시에 받는 경우 : 비틀림 하중은 경험적으로 축 하중의 1/3

 

 

⑸ 너트 : 난이도는 쉬운 편

(참고) 기타 

① 나사/볼트/너트의 풀림방지법

 멈춤 나사(set screw)

와셔 (스프링, 고무, 턱붙이, 이붙이, 혀붙이 등)

로크 너트(lock nut)

자동 조임 너트(self-locking nut)

분할 핀(split pin)

고정 판(locking plate)

플라스틱 플러그(plastic plug)

 태핑 나사(tapping screw) 

몸체를 침탄 담금질 처리하여 경화시킨 작은 나사

○ 드릴 구멍에 끼워 암나사를 내면서 죄는 나사

로크 너트(lock nut)

너트의 풀림을 방지하기 위한 너트로, 2개의 너트를 끼워 아래에 위치한 너트

리머 볼트(reamer bolt)

 담금질한 볼트로, 리머 다듬질한 구멍에 넣어 체결하는 볼트

 

 

3. 키, 핀, 코터 [목차]

⑴ 묻힘 키(sunk key)

 

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Figure. 4. 묻힘 키

 

① 키의 호칭은 b × h × ℓ로 표시함 

② 압축강도 (압축응력)

 

 

③ 전단강도 (전단응력) 

 

 

⑵ 스플라인 키(spline key)

① 접촉효율

일반적으로 0.75 정도

○ 실제 가해지는 토크를 0.75 정도 작게 함 

② 면압력

○ 정의 : 주변 구조물에서 나사를 둘러싸는 면에 가해지는 압력

필렛의 정도 c 값을 유의해야 함 : 단, c = 0으로 주어지는 경우도 많음

 

 

⑶ 핀 (너클 핀)

⑷ 코터

 

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Figure. 5. 코터]

 

 

4. 리벳 이음(rivet joint) [목차]

⑴ 공통 

 

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Figure. 6. 리벳 이음의 예시

 

① 피치 : 리벳과 리벳 사이의 거리  

② 종류

 겹치기 이음 (단일 전단면) : 가중치 = 1

○ 한쪽 덮개판 한줄 맞대기 이음 (단일 전단면) : 가중치 = 1

○ 양쪽 덮개판 한줄 맞대기 이음 (복 전단면) : 가중치 = 1.8

⑵ 중심하중 리벳 이음

⑶ 편심하중 리벳 이음

① 직접 전단하중 (F1)

② 모멘트 전단하중 (F2)

③ 전체 전단하중 (Ftot) : 제2코사인 법칙을 활용

 

 

④ 특정 리벳에 걸리는 토크 : 그 리벳이 리벳들의 중심으로부터 거리가 ri만큼 떨어져 있을 때,

 

 

 

5. 용접 이음(welded joint) [목차]

⑴ 개요

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Figure. 7. 용접 이음의 예시]

 

맞대기 용접 이음

필렛 용접 이음

⑵ 중심하중 용접 이음 

⑶ 편심하중 용접 이음

① 특정 미소 면적 dS에 걸리는 토크 : 그 미소 면적이 용접 이음들의 중심으로부터 거리가 ri만큼 떨어져 있을 때, 

 

(참고) 용접부의 잔류응력 완화법

① 풀림(annealing) 처리

② 저온 응력완화법

③ 기계적 응력완화법

④ 피닝(peening)법

 

 

6. 축(shaft) [목차]

⑴ 강도 설계

① 굽힘모멘트만 받는 축

② 비틀림모멘트만 받는 축

③ 굽힘모멘트와 비틀림모멘트를 동시에 받는 축

⑵ 강성 설계

① 비틀림 강성

② 굽힘 강성

③ 위험 속도

○ 던커레이 실험식 : 여러 개의 회전체를 가진 축에 대한 식 

 

 

⑶ 위험 속도

① 중앙에 1개의 회전체를 가진 축

② 여러개의 회전체를 가진 축

 

 

7. 축 이음 [목차]

⑴ 커플링

① 원통 커플링

2개의 축을 분할된 반원통으로 감싸고 그 조임력에 의한 마찰력으로 동력을 전달하는 장치

P = μπQ가 성립 ( 원통으로 둘러싸이므로) 

② 클램프 커플링 (분할 원통 커플링)

P = μπQ가 성립 ( 원통으로 둘러싸이므로) 

③ 플랜지 커플링 

P = μQ 

○ 볼트 구멍의 피치원 지름 : 중심으로부터 볼트 구멍이 떨어진 거리

⑵ 클러치

① 원판 클러치

○ 단판 클러치

○ 다판 클러치

② 원추 클러치

 

 

8. 베어링 [목차]

⑴ 개요 : 베어링은 규격화가 많이 되어 있어 규격표를 이용한 문제가 많이 나옴

종류 1. 미끄럼 베어링 

 

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Figure. 8. 미끄럼 베어링의 종류]

 

1-1. 엔드 저널 (끝 저널)

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Figure. 9. 엔드 저널의 굽힘 분석]

 

 

1-2. 중간 저널 

1-3. 피봇 저널

종류 2. 구름 베어링 

 

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Figure. 10. 구름 베어링의 종류]

 

① 베어링 번호 뒤 두 자리에서 5를 곱하면 내경을 구할 수 있음

○ 예 : 6010 볼베어링은 10 × 5 = 50 mm의 내경을 가짐 

② 베어링 하중 (P)

○ 레이디얼 등가하중 = XVPr + YPt

○ 스러스트 등가하중 = XPr + YPt 

○ X : 레이디얼 계수

○ Y : 스러스트 계수

○ V : 회전계수 

③ 수명회전수 (Ln)

 

 

○ C : 기본 동 정격하중

○ P : 베어링 하중

○ r : 지수. 볼베어링은 3, 롤러 베어링은 10/3

○ fw : 하중계수 

④ 한계속도지수 d × N 

○ N : 베어링의 최대 사용 회전수 

 

 

9. 마찰차(friction wheel) [목차]

종류 1. 원통 마찰차

 

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Figure. 11. 원통 마찰차]

 

 접선 마찰로 동력이 전달되는 장치

종류 2. 홈 마찰차 

 

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Figure. 12. V홈 마찰차]

 

 

① f : 선압력. 원기둥 둘레가 바닥에 닿아 있는 경우 접촉면적보다는 접촉선이 더 적절함

② 회전 방향으로 홈이 나 있는 점에서 기어와 다름 

종류 3. 원추 마찰차

 

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Figure. 13. 원추 마찰차]

 

 원동차 (입력단), 종동차 (출력단)

② 감속비 i = 입력 속도 / 출력 속도 = 종동차 직경 / 원동차 직경

③ α + β = θ

종류 4. 무단변속 마찰차

4-1. 원판

4-2. 크라운

 

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Figure. 14. 크라운 마찰차

 

 4-3. 에반스 : 주동차, 종동차, 가죽 벨트로 구성

 

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Figure. 15. 에반스 마찰

 

 

10. 기어 [목차]

종류 1. 스퍼기어 (표준기어, 평기어)

 

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Figure. 16. 평기어 ]

 

① 용어 

기초원지름 : 이를 만들기 시작하는 원지름

피치원지름 : 양 기어의 접촉점을 원으로 이은 원지름

이끝원지름

이뿌리지름

이높이

② 루이스 굽힘강도식

 

 

○ P : 허용 하중 (단위 : N)

○ fv : 속도계수 (단위 : A.U.)

○ fw : 하중계수 (단위 : A.U.) 

○ σb : 굽힘응력 (단위 : Pa)

○ p : 피치 (단위 : mm)

○ b :(단위 : mm)

○ y, Y : 치형계수 (단위 : A.U.)

○ m : 모듈 (단위 : mm)

③ 헤르츠 면압강도식

 

 

○ P : 허용하중

○ K : 접촉면 응력계수, 허용 접촉면 응력

○ Zi : 잇수 

종류 2. 헬리컬 기어(helical gear)

 

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Figure. 17. 헬리컬 기어]

 

① 개요

장점 : 평기어에 비해 소음이 작고 물림률이 큼

단점 : 스러스트 하중 베어링이 필요

평기어는 저속용에 적합하고 헬리컬 기어는 고속용에 적합

② 치직각 

○ 정의 : 기어의 이의 방향으로 치수를 해석한 것

○ 맞물리는 두 개의 헬리컬 기어는 서로 치직각 모듈이 같아야 함 

③ 축직각

○ 정의 : 축과 수직한 방향으로 치수를 해석한 것

○ 치직각 피치(p)와 축직각 피치(ps)의 관계식

 

 

④ 외경 (Do) = Ds + 2m

⑤ 루이스 굽힘강도식

 

 

⑥ 헤르츠 면압강도식

 

 

○ Cw : 공작 정밀도 계수. 0.75 또는 1

종류 3. 웜 기어

 

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Figure. 18. 웜 기어]

 

① 개요 

○ 웜이 웜 기어에게 동력을 전달하는 장치

 긴급제동장치에 활용

웜과 웜휠의 맞물림을 위해 비틀림각과 리드각이 동일함

웜과 웜휠의 방향이 수직하기 때문에 잇수비 ≠ 직경비 

② 속도비 

 

 

○ Zw : 웜의 잇수

○ Zg : 웜휠의 잇수

○ Zw : 웜의 회전수

○ Ng : 웜휠의 회전수 

③ 압력각

 

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Figure. 19. 웜 기어의 압력각]

 

④ 웜의 전달력 

 

 

○ Pw : 웜에 작용하는 접선력. 나사에서 P와 대응

○ Pg : 웜휠에 작용하는 접선력. 나사에서 Q와 대응

○ Pn : 전체 하중

웜기어의 효율

 

 

⑥ 웜휠의 굽힘강도

 

 

 종류 4. 베벨 기어

종류 5. 전위기어(profile shifted gear)

① 기어를 절삭할 때 공구 모양을 바꾸지 않고 위치를 옮겨 절삭하는 방법 

② 목적

○ 이의 언더컷 방지

○ 인벌류트 표준기어의 결점을 개선

 물림률(접촉률) 증가

 이의 강도 증가

 축간 거리 조정 (축간 거리 수정 용이)

 표준기어에 비해 최소 잇수 감소 

③ 수식화

 

 

○ α' : 백래시가 0이 되도록 하는 물림 압력각 

(참고) 기타 

언더컷(undercut)

 이의 간섭이 일어나는 한 쌍의 기어를 회전시킬 때, 큰 기어의 이 끝 부분이 작은 기어의 이뿌리를 갉아버리는 현상

언더컷의 방지법 

 압력각을 크게 함 (20° 이상으로 함)

 기어의 이 높이를 줄임

 기어의 잇수를 한계 잇수 이하로 줄임

 피니언의 잇수를 최소 잇수 이상으로 증가

 기어와 피니언의 잇수비를 작게 함 

백래시(backlash)

 기어의 원활한 회전을 위해, 이와 이 사이에 주는 약간의 여유 틈새

 

 

11. 감아걸기 전동요소 [목차]

⑴ 벨트

① 접촉각 : 벨트가 한쪽 풀리를 감싸는 각변위

 

 

② 벨트의 길이

바로걸기

 

 

○ 엇걸기

 

 

③ 평벨트 : μ를 활용

경우 1. v < 10 m/s

 

 

경우 2. v  ≥  10 m/s

 

 

④ V벨트 

평벨트에서 μ 대신 μ'을 활용. 즉, 홈의 각도는 40°이므로

 

 

○ 벨트 가닥수 

 

 

○ H : 전체의 전달동력

○ H0 : 1가닥의 전달동력

○ k1 : 접촉각 수정계수

○ k2 : 부하 수정계수

⑵ 로프

① 장력

 

 

○ w : 단위길이당 무게

○ ℓ : 중심 간 거리

○ h : 처짐량

② 길이

 

 

○ ℓ : 중심 간 거리

○ h : 처짐량

⑶ 체인

① 스프로킷 휠

② 롤러 체인

 

 

12. 브레이크 [목차]

⑴ 블록 브레이크

⑵ 내확 브레이크 (드럼 브레이크)

⑶ 축압 브레이크

① 원판 브레이크

② 원추 브레이크

⑷ 밴드 브레이크

Figure. 20. 밴드 브레이크 역학

 

 

 

13. 스프링 [목차]

⑴ 코일 스프링

① 왈의 응력 수정 계수

 

 

○ K : 왈의 응력 수정 계수 

② 처짐량, 탄성계수

 

 

○ δ : 처짐량

○ k : 탄성계수 

겹판 스프링

① 목적 : 전체적으로 균등한 힘이 가해지도록 함

 유효길이 : 밴드의 죔폭이 주어지면 주어진 길이 대신 유효길이를 써야 함

 

○ e : 밴드의 죔폭

③ 굽힘응력

 

 

④ 처짐량, 탄성계수 

 

 

○ δ : 처짐량

○ k : 탄성계수

 

 

14. 관, 플라이휠 [목차]

⑴ 관

① 원주방향 응력

 

 

② 축방향 응력

 

 

⑵ 플라이 휠

 

 

15. 참고 링크 [목차]

Raf 기계스토리

띵굴/필답형  

기계의 神 

 

입력: 2021.11.02 22:46