軸的設計始于小軸徑的估算，通常基于扭轉強度或經驗公式。在非標設計中，更需引入“裝配邏輯”來規劃階梯。應從軸的一端開始，根據軸上零件的安裝順序（如軸承、齒輪、隔套等），依次確定各軸段的直徑和長度。直徑應由小到大（或由大到小）單向變化，確保零件能順利安裝到位，避免“中段凸起”導致的無法裝配。
軸上零件的軸向固定至關重要。常用方法有：軸肩、套筒、圓螺母、彈性擋圈等。軸肩定位可靠，承載能力高，但需注意肩部圓角半徑應小于零件倒角，以確保貼合。在空間受限或軸肩不便設置時，套筒定位結構簡潔，但需增加長度精度高的零件。所有定位面都應保證良好的垂直度與表面質量，以減少累積誤差。
階梯軸截面突變處（如軸肩、鍵槽）是應力集中的高風險區。設計時應采用足夠大的過渡圓角（R角）。若受結構限制圓角較小，可考慮增設卸荷槽，或對鍵槽進行倒角拋光，以平滑應力流線。在重載或交變載荷工況下，此細節尤為重要，能顯著提升軸的疲勞壽命。
設計時需考慮加工工藝性。例如，磨削加工需要砂輪越程槽；車削螺紋需退刀槽。同時，應在軸上明確的軸向和徑向設計基準與測量基準（如兩個精加工的中心孔或精車軸頸），便于加工與質檢，保證終裝配精度。
