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内燃機関は、回転数に比例して出力が増大するという基本的な性質を持つ。対して鉄道車両や自動車は、発進・加速時に最大の出力を必要とする。従って内燃機関をこれらの車両に使用する場合には、電動機のように静止状態から直結発進することはできない。動力伝達の段階において何らかの形でトルクを増大させる必要が生ずる。

近年、各種交通機関のエネルギー効率上昇に向けた取り組みが行われているが、現時点で内燃機関の熱効率の改善は限界に近付きつつあり、大幅な向上は見込めなくなってきている。一方、駆動系の伝達効率にはまだ向上の余地があり、世界各国で伝達効率の向上への取り組みが図られている。

鉄道車両用の動力伝達方式としては、一般に以下の3方式が存在する。

◆機械式

非自動の摩擦クラッチと、手動の選択摺動式、または、シンクロナイザー付き変速機(ギアボックス)を組み合わせた方式で、自動車で言う「マニュアルトランスミッション」と同様である。

この方式の長所短所は、次のとおりである。

;長所

:*構造が簡易で小型軽量

:*低コスト

:*パワーロスがほとんどなく、動力伝達効率が95%以上と極めて高い

;短所

:*運転操作に熟練を要する

:*クラッチ板の押し付け力や、歯車の強度の面から大出力エンジンへの使用が困難

:*そのままでは複数車両の変速機を遠隔操作できない(総括制御不能)海外においては、機械式でも電磁クラッチを利用した総括制御運転が行なわれているが、日本では採用例が無い。ため、連結運転時は1両ごとに運転士を必要とし、合理化に逆行する

日本では1953年以前の気動車、1950年代までの入換用・軽便鉄道用小型機関車のほとんどが該当したが液体式が実用化されると廃れた。現在、気動車では営業運転に用いられる例はないが日本での機械式変速機を搭載した営業用気動車としては、1997年に廃止された南部縦貫鉄道のレールバスであるキハ101・102が最後。、ディーゼル機関車においては大井川鐵道のDB8・9が現在も在籍していて、入換やまれに客車牽引にも使用されている。また石川県小松市には、旧・尾小屋鉄道の機械式変速機を持つディーゼル機関車DC121が動態保存されている以前は同地で動態保存されている気動車キハ1もオリジナルの機械式変速機を備えていたが、その後補修部品の入手難から液体式変速機に換装されている。。

保線用機械に属するモーターカーの一部でも機械式が使われている。

◇電子制御機械式変速機

日本国外では近年、小型軽量で、流体式トルクコンバータに比べ伝達効率も高い、という長所を伸ばす方向で、エンジンの回転数とトルクに応じたスムーズな変速と統括制御が可能な、電子制御機械式変速機の開発が行われている例としてデンマークの「IC3」は180km/hを可能としており、実用化に向けて200km/h運転も視野に入れた試験運転が行われている。。

ただしこの種の新しい変速機は、かつての完全非自動な機械式変速機とは全くの別物と見なければならない。21世紀初頭の現代では、流体式トルクコンバータを用いた鉄道用変速機もやはり電子制御式多段変速構造に進歩している。それらはロックアップクラッチを備えて、トルクコンバータに依存する領域を狭める努力が為されており、電子制御機械式変速機との本質的差異は、もはやトルクコンバータの有無ぐらいでしかない。

また、摩擦クラッチの電子制御のみに頼って発進・変速することは、トルクコンバータを併用する場合に比べると、大出力への対処能力やトルク確保、変速ショック対策などの面で依然として不利であり、効率面での絶対的優位性をスポイルする課題点である。

ハイブリッド気動車への応用例も出現している。2007年10月、JR北海道はモータアシスト方式ハイブリッド気動車の試作車を発表した同社キハ160形気動車の改造車。[外部リンク]http://www.jrhokkaido.co.jp/press/2007/071023-1.pdf。この車両には、「アクティブシフト変速機」と称する電子制御機械式変速機が使用されている。

◆電気式

英語ではガスエレクトリック、または、ディーゼルエレクトリックエンジンと呼ばれる。エンジンで発電機を駆動、発生した電力で電動機を回して走行する方式。発電機を積んだ電車・電気機関車と言えば理解しやすい。

この方式の長所短所は、以下の通り。

;長所

:*運転操作は簡易。出力調整については原則的に燃料噴射ポンプを電磁弁で遠隔操作するだけで済む。このため総括制御も容易。

:*駆動系が電気車と同等のため、部品(特に主電動機や駆動装置など)の共用によるコスト削減が可能。エンジン出力制御以外に、電気車両同様な制御を併用することで出力特性に幅を持たせることができる。

:*電動機は発進時から大きなトルクを発生出来る上、短時間であれば定格出力以上の出力での動作も可能。

:*変速機、逆転器(機)が不要モータアシスト方式ハイブリッド気動車を除く。モータアシスト方式ハイブリッド気動車は、エンジンの出力も直接動力として用いるため、少なくとも変速機は必要である。であるため、数千馬力の大出力エンジンであっても駆動系に関わる機械的な負荷に関する制約が少なく、特に多動軸の大型機関車には有利。

:*伝達効率は90%程度とかなり良好

:*電気車両としての特質を併せ持つことから、環境対策面でその性質を活かした技術的応用が可能である。

:**電化区間ではエンジンを停止させ、併設した集電装置を用いて、電車あるいは電気機関車として運行できるものもある世界的にはアメリカ合衆国などで、大都市や地下線区間に乗り入れる場合での採用が見られる。一例としてはスイスのレーテッシュ鉄道Gem4/4形ディーゼル/電気機関車などがあり、スイスでは他にも入換用機関車などに例がある。。

:**ハイブリッドシステムの導入も行いやすい。大容量の蓄電池(バッテリー)を持つシリーズハイブリッド方式による電気式気動車が日本で出現している日本の電気式気動車#電気式の将来(ハイブリッド気動車)・JR東日本キハE200形気動車 こちらも参照されたい。。

;短所

:*内燃車両としての機関や冷却系といった装備に加え、電気車としての発電セットや制御・駆動系の装備が必要になるため、大型化・複雑化の傾向があり、重量軽減やコスト抑制には不利。

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