轴是机械传动中最常见的零件之一。齿轮装在轴上，轴承支撑着轴，电机驱动着轴。轴的设计质量，直接影响整个传动系统的可靠性和寿命。

很多设计人员画轴时，只关心“多粗、多长”，照着样本或上一台设备的结构抄一抄。结果样机装出来，轴断了；或者设备运行一段时间，轴承位磨损了；或者装配时发现，轴承装不进去，或者装进去太松。

轴的设计有成熟的方法和规范。按步骤来，不会出大问题；凭感觉画，后面总要返工。

一、轴的选材与热处理

常用轴材料

45钢是最常用的轴材料，价格低、综合性能好，适用于一般传动轴。调质处理HB220-250，然后精加工；重要配合面可表面淬火HRC45-50。

40Cr比45钢强度高、淬透性好，适用于重载、重要轴。调质处理HB250-280，表面淬火HRC50-55。

42CrMo强度更高，适用于高载荷、高可靠性要求的轴。调质处理HB280-320。

20CrMnTi适用于既承受冲击又要求表面耐磨的轴（如齿轮轴）。渗碳淬火，表面HRC58-62，心部HRC30-40。

不锈钢（304、316）用于腐蚀环境，强度只有碳钢的60%-70%，需要更大直径。

材料选用原则

一般传动、轻载选45钢。重载、重要轴选40Cr。高载荷、高可靠性选42CrMo。需要表面耐磨、心部韧性的选20CrMnTi。腐蚀环境选不锈钢，但要加大直径补偿强度损失。

二、轴的强度计算

按扭转强度估算最小直径

这是轴设计的起点。公式：d ≥ A × (P/n)^(1/3)

d为轴的最小直径（mm），P为传递功率（kW），n为转速（r/min），A为系数。

系数A的取值：纯扭转（没有弯曲）时A=120-130；有轻微弯曲时A=130-140；有较大弯曲时A=140-150。材料强度越高，A取越小。

按弯扭合成校核强度

轴同时承受弯矩和扭矩，需要校核危险截面的合成应力。

弯扭合成强度条件：σ_ca = (M^2 + (αT)^2)^(1/2) / W ≤ [σ-1]

M为弯矩，T为扭矩，α为扭矩折算系数（脉动循环取0.6，对称循环取1），W为抗弯截面系数，[σ-1]为材料的许用弯曲应力。

实际步骤

估算最小直径（用扭转强度公式），按轴上零件布置画出轴的结构草图，画出轴的受力简图、弯矩图、扭矩图，找出危险截面（弯矩大、扭矩大、截面小的地方），校核危险截面的弯扭合成强度。不满足就加大直径，重新校核。

三、轴的结构设计

轴的结构应满足：定位可靠、装拆方便、加工容易。

轴上零件的定位

轴向定位用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、弹性挡圈。轴肩是最常用的方式。轴肩高度h=(0.07-0.1)d，太高应力集中大，太低定位不可靠。轴肩处用圆角过渡，减小应力集中。轴环用于需要承受较大轴向力的场合，高度比轴肩大，但会占用更多空间。

套筒用于两个零件间距较小时的轴向定位，结构简单，不需要在轴上加工定位结构。圆螺母用于需要精确调整轴向位置的场合，需要配合止动垫圈防松。

周向定位用键、花键、过盈配合。平键是最常用的键连接，结构简单、成本低。花键用于载荷大、需要滑动或对中性要求高的场合。过盈配合用于不需要拆卸的场合，对中性最好。

轴颈的设计

轴承安装处的轴颈是关键。轴承内圈与轴颈的配合：旋转的轴颈用较紧的配合（如k6、m6），静止的轴颈用较松的配合（如h6、j6）。轴颈直径按轴承标准选取，不要自己定非标尺寸。轴承位有圆角，轴承内圈有倒角，轴肩圆角必须小于轴承内圈倒角，否则轴承装不到位。轴承位长度比轴承宽度略短0.5-1mm，保证轴承压紧。

轴的加工工艺性

同一轴上直径变化不宜太多，台阶越多，加工工序越多。轴上所有键槽设计在同一方向，减少换刀次数。砂轮越程槽、退刀槽要留够。螺纹端部有倒角，方便螺母拧入。轴的端部倒角，方便装配。

四、轴的刚度与振动

刚度不足的表现

轴太细，弯曲变形大。齿轮啮合不良、噪声大；轴承偏载，寿命短；密封失效，泄漏。

提高刚度的方法

增大直径是最直接有效的方法，刚度与直径的4次方成正比，直径增加10%，刚度增加46%。缩短支承跨距，跨距减短，弯曲变形减小。改用空心轴，相同外径下空心轴比实心轴刚度略低，但重量大幅降低。空径比0.5时，刚度约为实心的90%，重量只有实心的75%。

临界转速

当轴的转速接近其固有频率时，会发生剧烈振动，称为共振。工作转速应避开临界转速。刚性轴（工作转速低于一阶临界转速）是大多数工业轴的正常状态。柔性轴（工作转速高于一阶临界转速）用于高速旋转机械，需要通过临界转速区时快速通过。