轴类零件是机械传动系统中的核心部件，主要用于支撑旋转零件（如齿轮、皮带轮）并传递扭矩，其设计质量直接决定了整个机械系统的运行稳定性和可靠性。设计轴类零件时，需从结构设计、强度计算、材料选择及配合设计等方面全面考量。
轴的结构设计需满足零件装配和使用需求。根据轴上零件的装配顺序和定位要求，合理设置轴肩、轴环、退刀槽、越程槽等结构。轴肩和轴环可用于确定零件在轴上的轴向位置，保证零件的准确安装，如齿轮在轴上的定位，需通过轴肩实现轴向固定，防止齿轮在运转过程中轴向窜动；退刀槽和越程槽的设置则方便刀具加工，避免在加工过程中出现刀具碰撞或加工不完整的情况，同时也便于零件的拆装。轴的结构应尽量简化，减少应力集中，在轴的直径变化处，需采用圆角过渡，圆角半径一般为 0.5 - 2mm，可有效降低应力集中系数，提高轴的疲劳强度。
轴的强度计算是确保轴安全运行的关键。需根据轴所承受的载荷类型（扭矩、弯矩或复合载荷），采用相应的强度计算方法。对于只承受扭矩的传动轴，如汽车的传动轴，可按扭转强度条件计算轴的直径，公式为 d≥16T/(π[τ])^(1/3)（其中 d 为轴的直径，T 为扭矩，[τ] 为许用切应力）；对于同时承受扭矩和弯矩的转轴，如机床主轴，需按弯扭组合强度条件计算，考虑扭矩和弯矩的综合作用，引入应力修正系数 α，计算轴的当量弯矩，再根据当量弯矩确定轴的直径。在强度计算过程中，需合理选取许用应力，许用应力的大小与轴的材料、工作条件及安全系数有关，一般对于 45 号钢，许用切应力 [τ] 取 40 - 55MPa，许用弯曲应力 [σ] 取 60 - 80MPa。
轴的材料选择需综合考虑强度、韧性、耐磨性及经济性。45 号钢是轴类零件的常用材料，其力学性能适中，经调质处理后，抗拉强度可达 600MPa 以上，屈服强度超过 350MPa，能满足多数通用设备的需求，且成本较低；对于要求较高的轴，如精密机床主轴、航空发动机轴，可选用 40Cr、38CrMoAl 等合金钢，40Cr 钢经调质处理后，强度和韧性均优于 45 号钢，38CrMoAl 钢经渗氮处理后，表面硬度可达 HRC65 以上，耐磨性和耐腐蚀性优异。轴上若有配合要求较高的部位，如与轴承配合的轴颈，需进行精加工，表面粗糙度一般为 Ra0.8 - 1.6μm，确保配合精度。
轴与其他零件的配合设计也很重要。轴与齿轮、皮带轮等零件的连接通常采用键连接，键的类型和尺寸需根据轴的直径和传递的扭矩确定。平键连接结构简单、拆装方便，适用于多数场合，如轴与齿轮的连接，平键的宽度和高度需根据轴的直径从标准中选取，键的长度则根据轮毂的长度确定，一般比轮毂长度短 5 - 10mm；对于传递较大扭矩或要求定心精度高的场合，可采用花键连接，花键连接的承载能力强、定心精度高，但加工成本较高。此外，轴与轴承的配合需根据轴承的类型和工作要求确定，如与深沟球轴承内圈配合的轴颈，一般采用过渡配合，如 h6、g6，确保轴承内圈与轴颈紧密配合，同时便于安装和拆卸。
