高性能齿轮作为风电、航空、航天、核电、舰船、车辆、机器人等领域高端装备中极其重要的关键基础件,其性能直接决定装备的服役寿命、可靠性和安全性。因齿轮弯曲疲劳失效导致装备故障甚至灾难性事故屡见不鲜。随着近年来新材料、新工艺的应用与齿轮制造水平的不断提高,齿轮弯曲疲劳性能得到了进一步的提升,然而随着高端重大装备对功率密度、服役寿命及可靠性等要求的不断提高,齿轮弯曲疲劳失效问题仍未能得到解决,成为制约国内外齿轮技术差距的“卡脖子”瓶颈之一。开展齿轮弯曲疲劳试验研究对提高齿轮服役性能、推动齿轮传动技术发展具有重要意义。齿轮弯曲疲劳试验具有试件需求量大、试验周期长、试验费用昂贵、数据离散性大的特点,如何基于试验数据建立合理的疲劳性能数据评价体系对于齿轮正向设计体系的完善具有重要工程指导意义。本文针对传统方法在小样本下数据处理精度与稳定性不足的问题,建立小样本下齿轮弯曲疲劳数据分析模型,开展喷丸、喷丸+滚磨光整渗碳硬化齿轮弯曲疲劳试验验证,发现小样本下本文所提出模型较传统方法具有更高的精度及稳定性;针对脉动型齿轮弯曲疲劳试验数据难以准确反映齿轮实际运行过程中疲劳性能的问题,结合最小次序统计量建立齿轮与轮齿疲劳性能转换关系,开发基于应力-强度干涉理论和Monte-Carlo模拟的齿轮弯曲疲劳可靠性评估模型,为高性能齿轮的抗疲劳设计提供理论支撑。论文主要研究内容如下:（1）开展20Cr2Ni4A喷丸、喷丸+滚磨光整齿轮弯曲疲劳试验。进行齿根弯曲应力相关参数的计算,结合常规疲劳试验数据统计分析方法对试验数据进行处理,获取齿轮弯曲疲劳P-S-N曲线与疲劳极限,喷丸、喷丸+滚磨光整齿轮99%可靠度下弯曲疲劳极限分别为681.69 MPa和732.83 MPa,较ISO标准推荐值分别提高36.34%和46.57%。（2）建立基于样本扩充与标准差修正的齿轮弯曲疲劳极限评估模型。基于Monte-Carlo模拟构建疲劳极限标准差修正公式,结合样本扩充方法发现22样本量下与传统Dixon-Mood法相对误差最大为0.96%。若将99%可靠度下齿轮弯曲疲劳极限估计误差控制在10%以内,传统方法需要样本量12-14个,而本文方法样本量为8个,为更少的样本量表征齿轮弯曲疲劳极限提供了基础。（3）构建基于分层贝叶斯的齿轮弯曲疲劳P-S-N曲线拟合模型。定义评价P-S-N曲线拟合稳定性的相对斜率比指标,结合齿轮弯曲疲劳试验进行分析,发现在大样本下传统方法与本文方法拟合寿命最大误差不超过3.81%,随着样本量的变化,传统模型相对斜率比变化率最大为20.13%,而所提出模型的相对斜率比变化率仅为0.68%,具有更好的稳定性,提供了鲁棒性更高的分析手段。（4）建立齿轮-轮齿概率疲劳性能转换与可靠性分析模型。发现试验条件下齿轮较轮齿弯曲疲劳极限最高可降低4.03%;齿轮和轮齿弯曲疲劳寿命分布在3倍和4倍分散带内,齿轮弯曲疲劳寿命为轮齿弯曲疲劳寿命的31.02%-76.61%。基于应力-强度干涉理论和Monte-Carlo模拟建立了评估齿轮弯曲疲劳可靠性分析模型,可被用以量化不同材料或表面处理条件对疲劳可靠性的影响,以实现可靠安全设计。