轴是机械传动中的核心零件。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。

轴的设计有成熟的方法和规范，按步骤来做不会出大问题。

一、轴的选材与热处理

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。

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

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，但需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

公式为 d ≥ A × (P/n)^(1/3)，其中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。纯扭转（没有弯曲）时A取120-130，有轻微弯曲时取130-140，有较大弯曲时取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。弯扭合成强度条件为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：用扭转强度公式估算最小直径，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，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的情况，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。