单轨迹车辆包括自行车、摩托车等,由于其机动灵活性和环保性,被广泛应用于交通、竞赛以及军事等方面。相较四轮的乘用车和商用车来说,尽管单轨迹车辆承载着最危险的道路用户,但其操纵稳定性并没有得到充分的研究。本文建立了单轨迹车辆人-车动力学模型,从车辆固有特性的角度分析了车辆稳态直行和稳态回转时的稳定性问题。具体进行了以下几个方面的研究:首先,基于齐次坐标矩阵建立了包含大侧倾角“魔术公式”轮胎的11自由度非线性单轨迹车辆动力学模型,为了求解车辆的稳态运动,建立了基于预瞄跟随理论的驾驶员模型。利用增广法结合Baumgarte稳定化方法将所建立的人-车模型转化为状态空间形式进行了求解,通过与商业化软件Bikesim的仿真对比,验证了本文所建立DOF11-Bike人-车模型的正确有效性。其次,将单轨迹车辆的直线运动稳定性问题转化为平衡稳定性问题,从而求得了系统线性化的扰动方程。通过绘制根轨迹,得到了车辆转向摇晃、倾覆、迂回穿行等重要模态,并根据Lyapunov一次近似理论得出:在本文采用的车辆参数下,车辆能够在9m/s-67m/s的理论速度下保持直线行驶的稳定性;在过低或过高车速下,受扰车辆会有不同的失稳形式。通过系统的脉冲响应分析验证了根轨迹计算的正确性,证明了将单轨迹车辆直线运动稳定性问题转化为平衡稳定性问题的可行性。考虑车辆参数对模态影响的两面性,提出了基于特征根的车辆参数优化方法。最后,针对在全局坐标系下建立的状态变量不能保证车辆稳态回转时其导数为零,即不存在系统线性化要求的工作点的问题,本文根据Lyapunov直接法中将自由系统平衡状态移到空间原点的原理,通过坐标变换求解了车辆稳态回转时的工作点,并用变量扰动的方法反向求得了线性化的系统。通过根轨迹分析,可知在高速时容易由前轮跳模态导致轮跳和转向运动发散而使车辆失稳。为此,考虑系统输入不变的条件下,分析了悬架阻尼对稳态回转车辆稳定性的影响。通过系统的阶跃响应分析,验证了根轨迹计算的正确性和坐标变换线性化方法的可行性。本文建立的单轨迹车辆人-车动力学模型和基于车辆固有特性的稳定性分析,对单轨迹车辆研究具有一定的理论意义。