平成
27年度
機械設計技術者試験
3
級 試 験 問 題
E第
2時限
14: 20〜 16 : 20 (120分 )
2.
材料力
5.熱工学
6.制御工学
γ
,工業材料
平成
27年
11月
15日実施
主催:一般社自法人百本機械設計工業会
マークシー卜解答用紙に係る注意事項
。マークシート解答用紙の記入は、鉛筆またはシャープペンシ止に限ります。ボールペン等(消 しゴムで消せない筆記用具等)を使用して、マークミス等した場合、新たな用紙は百戸布しません。
。マークシート解答用紙は、
1試験科目につき
1枚配付されます。例えば、第
l時限は試験科目 数が
5科目ですので、同一様式のマークシート解答用紙が
5枚配付されます。(問題冊子に挟ま れています。)
第 l時限 第
2時限
試験科目数|解答用紙数
5科目
I s枚
4科目
I 4枚
。マークシート解答用紙の使用方法
試験科目とは、次の
9科目をいいます。
①機構学・機械要素設計②材料力学
③機械力学④流体工学⑤熱工学⑥制御工学
⑦工業材料⑧工作法⑨機械製図
1.
マークシート解答用紙は、
l枚で計
6問(表
2問、裏
4問)解答できます。出題数も、
l試験 科目につき、
6間以内に設定されています。解答は、試験科目の問題番号と同じ番号のマーク 欄にマークするようにして下さい。
例 1 )試験科目 A の出題数が 6 問の場合は、下図のマーク欄①〜⑥のすべてを使用します。
例 2 )試験科目 B 0) 出題数が 4 聞の場合は、下図のマータ欄①〜④を使用し、マーク欄(町と@は 使用しません。誤ってマークしないよう注意して下さい。
解 答 用 紙 表 解 答 用 紙 裏 マ } ク 樹
|マ ー ク 樹
③ | ④
例
2)の場合、⑤⑥は使用 しません。マークしないよ う注意して下さい。
マ } ク 樹
|マ } ク 摘 マ } ク 捕
① | ② ⑤
2. 1
つのマーク欄は、解答欄が
A〜
Nまで与え られています。 (選択番号
l〜
14、選択肢 は
14以内に設定されてます。)
例 3)試験科目 Aの問 1の解答事項が【A】
〜【
G】の場合、解答臓の
H〜
Nまで は侍用しません。誤ってマークしな いよう注意して下さい。
例 3 )の場合、 H 〜 N は使用しません。
マークしないよう注意して下さい。
目
II 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Aj ( D く ま ) 0
コGDCS")Rく
bCIDRRφ⑮ R @ B [<I (2) 0)叫)
(5) く § )
CDく む ( 宣 )
(fii)([j)( 官 ) 〈 岱 ( [ , わ
Ci の①く!) ( 診 ( ⑤ ⑥ ⑦ ④ ⑨ R ⑪ ⑫ ⑬ @
にむ亡ま〕くむ
CJDcわヨ〉勾)
C1i.D (!]) C1'2> Cf;l) (f4)〈 主 〉 〈 主 ) Qじくむ各〉ぐ
DCID① ゆ ( ! ] )
<L~ ⑬⑭(Z) CD GD c
宣〉〈匝〉〈?っく草〉③)
@) (!]) (]]) R> Q])。試験開始前準備
@ γ
…クシート解客用紙の枚数者擁認してください。不足している場合は、採員に詰求して下ざい
o@
受験番号織に受験番号そ記入し、マーク識に正しくマークして下さい。
窃
E記名考古長名轄に記入して下さい。惑ず、フワガナも記入して下さい。
窃解答科日捕に解答科目をマークして下ざい。 (問題冊子の表紙参窯)
以と辻、配付されたすべての用紙に行ってください。
〔2.
材料力学〕
直
]
下践に示す室径dの丸捧iの片持ちはりの先立議書芸A
に、荷量iPが{乍思している。距離
α
のところにひずみゲ…ジが、はり付けてある。下記の設問(1 )〜(4) ただし片持ちはりの文字変数とその値は冨の下に示す。ち よ。
Z . z
Ap f
BP
に= 40N 、
f 口 65 0mm
、α = 1 5mm
d
口 10mm
、206GPa
( 1 )上記新面のz軸に関する断簡二次モーメント 番号を解答用紙の解答欄(
A
]にマークせよ。〔数式群〕
〔数式群〕かち選び、その
内
4 a n
−
d一
4
一
6
π2
d一
だ ⁝ 3
4Gd一︐
4
π一
フ M Z
示 ︒
@ 号
︐d
一 勺
fM︐d
一
A A
π
一
q u π
一 円
︐
L
③
舎
−
ぽ)= −
n64
:d4 C…一− =
S! π12
fl.?do)π
dz… − =
32
4
(2)間定部から距離
α
だけ離れたB点に生ずる曲げそ…メント在、下記の〔数式群〕から 選び、その番号を解答用紙の解答構【B
】にマークせよ。〔数式群〕
‑P
×
ξ 争− P ×
α窃 − P ( t
十α 〉 − 「 −
n.G ε ce…α〉
ce十a)
舎
P‑z‑@
(l a
)
ξ舎一P一~
(J)‑Pa 〈
ξ× α 〉⑬
(3
)ひずみゲージがはり付けてあるB
点の曲げ応力校計算して最も近い答えを下関の〔数 舘群〕から選び、その潜号を解答用紙の解答繍〔C〕にマークせよ。〔数{議群〕単位: MPa
125 窃 160
180 CD185
R
165
@
195
舎 175
@)
260 170
200
(4
)次に、荷重 P が未知の場合を考える。荷重な調べるために
B点にはり付けーたひずみゲー ジ、の舘 εを
ifftl定した。その結果ε コ =
753×
10ーらの f 誌が得られた。未知の荷援
Pとして も近い植を下記の〔数鑓欝〕から選びその番号を解答用車誌の解答隷(
D〕にマ…ク せよ。
〔委財産群〕単位:
N①
1 5 φ 2 0⑨
125⑦
140③
24 28⑤
75⑧
220 R 240。
420下関に示すような議窪
d之 江16n 問、長さ
l=0 . 5mの軟鏑嬰丸棒が一議 Bを踏ま立され、
自由端 A にねじりそ…メント T=60N•mを受けている。下記の設問(
1)〜(
3)に筈
?t
( 1
)軟鋼の横弾性係数 G として最も近い値を下町の(数値群〕から選び、その潜呼な解答 用紙の解答欄( A 〕にマークせよ。
〔数値群〕単位:
GPa 60 @ 65 90 (]) 95@ 70 80
金
88@ 100 唖ZZA ハ
V ρ ︒ ⑬
110(2
)軟鋼棒に発生する じり応力を計算し、 の答に最も近い値な下記の〔数値群〕
から選び、その主害時を解答用紙の解答繍(
B〕 クせよ。
〔数鐘群〕単位:
MPa50
告
75窃
80 100窃
120命
140⑦
150③
155 160⑮
180(3
)軟鋼棒に発生するねじれ角を計算し、その答に鍛も近い{誌を下記の〔数イ菌群〕から選び、
その番号を解答用紙の解答構(
C)にマーク 建前議群〕単{立:×
10‑2 rad(ラジアン〉
5,0
窃
5.8 @ 7.5ゆ
10.0⑦
11.6 @ 12.5 14.0@ 9.3
⑮
1 8.0‑ 2 ‑
[ f l 下閣は、丸棒と円筒者剛性板に接着した「組み合わせ締 J である。
丸捧および p = j 笛の横断耐穣者 A
い Az、離弾性採数者乱、
Ezとする。離性棋の開の距離は L とする。引張荷重 P が、離性較に作用し、伸びえが生じた。
下記の設題(
1)〜(
5)捧
えA1 Et
よ 。
/ 剛 性 板
L
¥ llnJIJ'!蛾
丸棟 円筒
I ¥
WiJIJ'蹴新語
E喜
( 1
)引張荷重 P とその結娘、丸棒に生ず、る荷嘉門と円簡に生ず、る荷量
Pzの関係は次式と なる。答在下記の〔数式群〕から選び、その番号沿解答用紙の解答欄〔
A〕にマーク せよ。
〔数式群〕
ゑ P?
P
=ーよ十三三信P2 2
P1 P?.
P
口 一 よ ÷ _ £
RP= 2P1十P22 4 RP=P1十P2
(2
)丸棒の伸び
..11は、丸棒に生ずる荷重
P1在使うと、どのような式で示されるか。
下記の〔数式群〕から灘び、該当する番号を解答用紙の解答欄【 B 】にマ…クせよ。
〔数式群〕
A1L
=
ヘーヱ三土 〔 , ̲ A1E11
…子主:@ Ai‑A1E1 屯 ) ね ー 下 正 E1 l ..11=瓦~母 ..1,
(3
)円筒の伸び
..12は 、
PJ簡に生ずる荷重
Pz在使うと、どのような式で示されるか。
下記の〔数式群〕から灘び、該当する番号を解答用紙の解答欄【
C)にマークせよ。
彼女式群〕
A2
= 管岱入 , 2 =告§入寸主主c
A2=
詰2 R3
(4
)丸棒と円筒から成る組合せ棒の伸び
A、丸棒の伸び
J1、円筒の伸び
J2の関係は、どの ような式で表されるか。答老下記の〔数式群〕から選び、その番号老解答用紙の解答 欄【D】にマークせよ。
〔数式群〕
①
Ji,= J.i十_Jz̲②
A,=A,1十J2③
Ji,=J1 = J2④
Ji,= J.i十 & ⑤A,=A,1十 &2 2 2 4
(5
)上記の設問(
1)〜(
4)の式老用いて、 P1と
P2老求めることができる。ここでは 求めた丸棒のP1から生じる応力
σlが、どのような式で表されるか。答老下記の〔数式群〕
から選び、その番号老解答用紙の解答欄【 E】にマークせよ。
〔数式群〕
①
A1E1十A2E2σ1= E1P
〔 A1E2
(1) σ1= 7!;P
② _
E1Pσ1‑A1E1十A2E2
〔 E1EzP
@
σ1= A1E1+AzE2‑ 4 ‑
③
E1Pσ1=孟Ez
〔5.
熱工学)
ガソリン機器の熱サイクルに関する下記の設問(
1) 、 (
2)について、空構に当てはま ると患われる記号、数式または数種そそれぞれの〔数式群〕および〔数値群〕から選び、
解答男総の解答概〔
A]〜(
H】にマークせよ。
(参考)単佐賀量の物餓の濯度を
l〔
K]だけ高給るのに必要な熱護老比熱
c[J/(kg・K)]という。
いま、質量
m[kg〕、辻熱
c[J/(kg•K)〕の国体あるい誌液体な熱力学温度引は]からた民}ま で上昇させるとき、これに必要な熱量 Q 辻、式(
a)で表される。
Q =
m c ( T1 ‑Tz) ・・・・・・・・ー・ (a)設関:
( 1
)醤
lは、定容サイクルまたはオット…サイクルともいわれるガ、ソリン機関の基本サイ クルで、シリンダー内の在力
pと容績
Yの変化投示す
p‑v線図である。点①、②、
④の湿疫をそれぞ、れ
Tいた、
T3、口〔料とし、作動誌を
f本の質量投
m[kg〕、定容比 熱老、
cJJ/(kg・K)]とすれば、加熱量 Q 1
[J]、放熱議
Qz[J]および、このサイクルから 得られる仕事量
W出法、それぞ、れ式〈的、
Cc) 、 (
d)で表される。
Ql
\
3
ノ稽
h u
︐ 〆
6
︑ ︑
. . . . . .
1 1
J
YZJ
F g
L
Qz=L ̲ I
号
L̲I [JJ・・・・υ
(c)w
=[広工]−
[Ifill[J] … … (d
)したがって、定容サイクル理論熱効率旬。辻、
点 ① 、 @ 、 @ 、 告 の 楓 庶 民 九 九 九 の 関数として、式(e )で示される。
rio=WIQ1
口
1‑ −・・・( む )
j
二死点〔数式群〕
額lCD m
c ν (
T3‑T4) 争 meν (
T3 Tz) @ mc ν (
Tz ‑T1) mCv
(T4 T1)φ Ti @ Qi ⑦ Tz ⑥ Qz ⑨ T4
…
T1@) Ti @ T3‑T2
窃 九 一
T4(2
)流体の質議m ヱ コ
8.0誌記、定容比熱心口
1.32[kJ/ (kg・K刀、点①、@、号、③の槌度を それぞれ、
15°C、
130℃ 、
560℃ 、
80℃として、このガソリン機関の iサイクル当た
りの仕事量は
W=(G]
[k丹、翠論熱効率は待。:【H】[院である。
〔 G 〕の〔数値群〕 単柱:
kJφ 3 3 6 0 φ 3 5 4 0 舎 3720 ③ 3960
⑤ 幻
20 ⑥ 4260【
H]の〔数値群〕 単栓:%
φ81.9 82.5 83.2
阿
hd
83.9 84.6
昏
85.2ゴ
] モータが
25kWの竜力で灘転されている。このうち
12.5%がモータの内部損失によって 熱として失われる。下記の設時(
1〕 、 (
2)、(引について計算し、最適と
j忍われる数値 をそれぞれの〔数植群〕の中より一つ選び、その番号を解答
F服装の各解答鵠〔
A〕〜[
C〕
クせよ。
投開:
( 1
)内部損失として毎秒失われる熱量は【
A〕である。
〔数鏑群〕
単位: kJ/s2.56 R 2.86
( 長
3.13 @ 4.26 @ 4.53 5.26 (J) 7.03 舎 7.85 C!ち
8.59 傘 9.85( 2
)モータの回転軸から被駆動機へ伝えられる機械エネルギーは[
BJであ
〔数値群〕
単位: kW6.1 ② 8.8 ③ 10.2 17.9
⑦
19.2 舎 21.9@ 13.8
R 23.2
ゆ
15.2。
25.7(3
)モータの回転数
3600min‑1のときのトルク誌[
C〕である。
〔数個群〕 単位: N•m
54.6 ② 58.1
ゆ
61.6 @ 64.4 ⑤ 67.6 72.1 ⑦ 82βゆ
98.6 @ 116⑩
126‑6‑
〔6.
制御工学〕
山 下記の設問(
1) 、 (
2)に答えよ。
( 1
)図のようなダッシュポットとばねを用いた系の伝達関数G(s ) は 、 変位
x(t) を入力、変位
y( のを出力とすると
G(s)‑
J:1tl̲ニ_!_‑ X(s) 1
十
Tsである。なお、
Tは、定常状態の63.2% に達する時間である。こ の系の動特性を表す要素として、最も適切な語句を〔語句群〕か
ν(t)
ら選び、その番号を解答用紙の解答欄【
A】にマークせよ。
x(t)〔語句群〕
① l 次遅れ要素
④ 微 分 要 素
② 積分要素
⑤ 比例要素
③
2次遅れ要素
⑥ むだ時間要素
(2
)設問(
1)の系において、ダッシュポットの粘性係数
ρ、ばね定数 k とする。 T を求める 式として、最も適切な数式を〔数式群〕の中から選び、その番号を解答用紙の解答欄【 B 】 にマークせよ。
[補足]設問(
1)の系の運動方程式は、以下の式で表される。
dy(t)
ρ 一語
−=k(x (t) y (t))〔数式群〕
① ρk ② 2ρk
③兵④ ι
⑤
.Ji.. ⑥ 乙⑦ 2 ρ
⑧ ρ
ρ
k k 2k7 ‑
[~] PID
制御は、構造が簡単かつプラントに設置してからも調整が容易であり、安定性の解析 などが理論的に行なえるなどの理由から、プロセス制御や多くのアクチュエータ制御系に 用いられている。下記の設問(
1) 、 (
2)に答えよ。
( 1 )
下記( i )〜(温)の文章中の空欄【
A】〜【
C】に最も適切な数式を〔数式群〕の 中から選び、その番号を解答用紙の解答欄【
A】〜【
C】にマークせよ。
( i )時間領域における
P動作とは、制御偏差
e(t) に比例する信号を出力する動作で、あり、制 御出力を
c(t) 、比例ゲインを ι とすれば
c(t) =
I < .
与e(t)である。よって、
P動作の伝達関数
G(s) は
G(s)口【 A 】
である。
(ii
)同様に I動作とは、制御偏差
e(t) を累積し、操作量を出力する動作であり、積分時間を
T;とすれば
c(t
) =
去Je( 材
である。ただし、 I動作は油圧制御装置などに単独で用いられることもあるが、大部分 は
P+Iの
PI動作として機能させる。よって、
PI動作の伝達関数
G(s) は
G(s
)=【 B 】 である。
(iii
)同様に、 D動作とは、外乱などの入力で、制御偏差
e( のの急激な変化を抑制するため、操 作選を素早く調整して制御量の変化を元の状態に戻す働きをする動作であり、微分時 聞を
I'dとすれば
de(t) c(t) =Td v
ム
である。ただし、
D動作は単独では制御能力がないため、
P+Dの
PD動作、
P+I+Dの
PID動作として機能する。
PID動作の伝達関数
G(s) は
G(s
)=【
C】 と求まる。
PID
制御では、比例ゲイン ι 、積分時間
T;、微分時間
I'dの各パラメータが不適切であると、
系が不安定になったり、応答が遅くなる原因となる。そのため、チューニングには各種 経験則などを用いる方法や実際の現場での試行錯誤により、制御仕様に適合する値を決 めていく。
‑ 8 ‑
Kps
ヰ
(
1十Tis)Kp (1」「TiS十Tds
〕
︑ ︑
l i a
︐
J
J J
Ti γ ⁝
c A M
l
⁝中 山
十
/
2 1 1 \
1 ⁝ ι
母
@
三 号
R
よ
(
1+ よ )
ι (
1十 A s 叫 ウ ヰ
(
1十 加
r};)φ
。
R KpKp
〔
1̲Jヤ
Tis〕
〔数式群〕
Kp
五
pSι (
1十 手 )
l
;
1(十 日 十TdS)
ι (
1十
Tis十 ι )
⑦
ゆ
[ s I
で
点線曲接︷
変 た 一 果 の い 一 結
線 引 一 録
曲 一 記 ッブの大きさ
あるプラントにス
( 2 )i ︑E︑
E
I − − I l6.7
10mm に対する応答社求めたところ、
右図のような記録結累栓得た。なお、
民中の点線は、記録識に付加した補 場線である。この記録結柴を用いて、
ントを制郵するに品繋誌
PIコン トローラの比例ゲインんを求め、最 も近い値を〔数値群〕の中から選び、
0 10
その番号を解替用紙の解榛欄【 D) にマークせよ。
[ 字 選 足 〕
整する方法の lっとして、実験経験から求める
Ziegler‑タ
PID 制櫛の各パラメ
Nichols
のステッブ応答法があり、
PI動作の比例ゲインんは次式で求める。
T ?
0.9T
− −
.n . .p ‑KL
L :おだ時鰐 T :持定数
ただし、 K :ゲ、イン定数
6.7
5 . 4 ⑧
⑦
@ 4
2 . 5
@ 0.67
‑ 9
…
④
0.5 0.3 ③② 0 . 1 8
〔数値群〕
φ
〔7.
工業材料〕
川 … ! 下記の設関(
1)〜( 5 )誌疑泰鑓 L こつし 記 述 山 の で あ る 。 各 設 関 } 一 一
Jい答えを選び、その番号な解答用紙の解答隷[ A 〕〜[ E 〕にマ…クせよ。
し
直
l( 1
)鉄炭素系平衡状態閣における
A1変態点は次のうちのどれか。解答欄[
A〕にマ…ク せよ。
CD 627°C
(2
)共摂鏑;こ含右する 合 約0
.2九
727
℃
827°C通
927°C次のうちのどれか。解答隷[ B)
iこマークせよ。
約
0.4%窃 約
0.6%窃 約
0.8%(3) S45C
の完全焼なまし粘織は、次のうちのどれか。解答欄【
C)にマ…クせよ。
① パーライト @ フェライト ③ ブェライト十パーライト ④ オーステナイト
(4
) 鉄 炭嘉系平機状態閣におけるわ変態点より高混での金属組織は次のうちのどれか。
解答機[
D〕にマークせよ。
告 パ ー ラ イ ト ブヱライト @フェライト十パ…ライト 窃オーステナイト
(5)炭素鋼におず合まれる元東の組み合わせは、次のうちのどれか。解答概[ E〕にマー クせよ。
CD
炭素(
C)、シリコン(
Si)、モリブヂン(
Mo)、リン(
P)、イオウ(
S)@ 炭 素
CC)、シリコン(
Si)、マンガン(
Mn)、リン(町、イオウ(
S)金 炭 素 (
C)、シリコン(
Si)、モリブヂン〈問。〉、リン〈局、クロム(
Cr)窃 炭 素 (
C)、シリコン
cs台、マンガン(
Mn)、ク口ム(
Cr)、イオウ(
S)下記の設問(
1)〜(日)は非鉄金属につい したものである。(
1)〜(日)に当 はまる金属の名称な答えなさい。答は〔語句群〕の中から最も適切なものを灘び、その 番号を解答用紙の解答機[
A〕〜[
E】にマークせよ。ただし、重複{吏用は不可である。
(1)
語毎若手の金属のうち譲も護い金露泣どれか
Q解答議[ A )にマークせよ。
(2) 語匂群の金属のうち磁石に付く金属はどれか。解答概〔 B)にマークせよ。
(3)
語句群の金属のうち最も軽い金属はどれか。解務繍[
C〕にマークせよ。
(4)
語句群の金属のうちトタン板のめっき金属はどれか。解答欄【
D】にマ…クせよ。
(5)
語句群の金属のうちステンレス掘に必ず数%以上添加されている金属はどれか。解 答調[
E】にマ…ク
〔言語匂群〕
鎚(
Cu) (Au)クロム(
Cr)6
娘(
Ag)‑ 10