気動車・ディーゼル機関車の動力伝達方式

気動車・ディーゼル機関車の動力伝達方式（きどうしゃ・ディーゼルきかんしゃのどうりょくでんたつほうしき）では、気動車やディーゼル機関車及びその他の内燃機関車の動力伝達方式について述べる。
内燃機関は、トルクの出方が山なりで、出力（馬力）は回転数に比例して増大するという基本的な出力特性を持つ。また、拘束状態からの起動は不可能であり、機関始動時には無負荷でなければならない。したが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ず、負荷を切り離す機構が必要となる。また、利用できる回転数が限られているため実用的な運転速度範囲を得るためには何らかの変速機構が必要となる。
世界各国で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、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。

欧州での事例

欧州では短編成で運用される気動車を中心に採用されて1930年代頃からは優等列車にも使用されており、特にイギリスやイタリアでは1970-1980年代まで製造が続けられていた。
イギリスでは1970年代には一般型気動車の大半が総括制御機能を持つ機械式で占められていて付随車や制御車も組み込んだ編成で運転されていた。
イタリアにおいては、1930年代にリットリナと呼ばれる車体長15-22m級で定格出力85-110kWの機関を1-2基と電磁空気制御式変速機を台車上に搭載した気動車がイタリア国鉄を中心に1000両近く導入されており、1933年には1両2機関搭載の形式が、1937年には重連総括制御可能な形式が実用化されている。第二次世界大戦直前に後述の液体式気動車が実用化された後も、これと並行して機械式気動車も1980年代まで製造されており、国際列車TEE用のALn442-448は2両固定編成で、定格出力360kWの機関と電磁油圧制御遊星歯車式5段変速機を1両あたり1式搭載していた。
ドイツにおいては1920年代に台車上に機関と電磁制御式変速機を搭載するパワートラック方式の機械式気動車が実用化され、1937年製のNEB（Niederbarnimer Eisenbahn）のT4型などでは速度信号と電磁弁による全自動変速装置が実用化されている。第二次世界大戦後は液体式が主流となったが、国鉄レールバス　キハ10000・10200（キハ01-03形）形の手本となった西ドイツのレールバスなどは総括制御機能のついた機械式となっており、その代表的な形式であるVT98型は定格出力110kWの機関を2基と遠隔制御式5段変速機2組を搭載しており、付随車・制御車の牽引も可能であった。
スイスでは、1937年製で、定格出力213kWのディーゼルエンジンに電磁空気式5段変速機、歯車式の2軸駆動台車を採用したRCm2/4形や、1927年製で、定格出力110kWのディーゼル機関と電磁空気式4段変速機を採用した全長11mの小型ラック式気動車であるフルカ・オーバーアルプ鉄道のBChm2/2形が製造されているが、電化の進展により本線用の気動車の製造例は少ない。

日本での事例

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。なお、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。
1937年には日本車輌製造で南満州鉄道向けに機関および電磁制御・遊星歯車式変速機を台車上に搭載したキハ4形101-102が製造されているが、日本国内向けには電磁制御式や総括制御可能な機械式気動車は製造されなかった。
2010年現在、気動車では営業運転に用いられる例はないが、ディーゼル機関車においては大井川鐵道のDB8・9が在籍しており、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。

電子制御機械式変速機

日本国外では近年、小型軽量で、後述する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。
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と歯車機構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、トルクコンバータに依存する領域を狭める努力がなされており、運転時における電子制御機械式変速機との差異は起動時にトルクコンバータを利用するか半クラッチ制御を利用するか程度のものでしかない。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、北海道旅客鉄道（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（キハ160形気動車の改造車）。この車両には、「アクティブシフト変速機」と称する電子制御デュアルクラッチトランスミッションが使用されている。2014年9月には、実用試作車となるキハ285系も落成したが、折からの不祥事続発により、同年に開発は中止された（後述）。

日本での事例

日本で電気式内燃車両を導入する試みは、技術不足によるエンジンの出力不足と発電効率の悪さに加え、低規格の線路条件による軸重制限という悪条件が重なり、長らく短所だけが目立つという状況が続いた。

機関車

機関車では、第二次世界大戦後にアメリカ陸軍が持ち込んだ8500形と呼ばれるキャタピラー社製180 PS級機関を2基搭載するゼネラル・エレクトリック社製ディーゼル機関車が好成績を残し、1950年代にはMANやズルツァーをはじめとする欧米大手エンジンメーカーと日本国内のメーカー各社の技術提携による大出力ディーゼルエンジンの導入に合わせ、いくつかの国鉄向け試作本線用電気式ディーゼル機関車が製造された。
国鉄では、これらのメーカー各社持ち込みの試作車群や、それらの使用実績を受けて開発されたDD50形での試行を経て、1956年（昭和31年）よりDF50形として、1,000/1,200 PS級機関を搭載し100 kW級電動機6基を駆動する電気式ディーゼル機関車が量産化された。だが、それらはいずれも代替されるべき蒸気機関車などに比して非力な割に自重が重くしかも高価であり、また検修設備をディーゼルエンジンのものと電気機関車用のものの2本立てとする必要があり、煩雑であった。そのため、これらは後に日本で独自開発された1,000 - 1,350 PS級エンジンを搭載する液体式ディーゼル機関車（DD51形など）の量産により、順次置き換えられて1980年代中盤までに全て淘汰された。
爾来長年にわたって、その後の国鉄の労使問題の悪化もあって日本で電気式ディーゼル機関車は主流にはなりえなかったが、国鉄民営化後、1,700 - 1,800 PS級の高効率直噴エンジンとブラシレス交流発電機、インバータ制御とかご形三相誘導電動機の組み合わせにより、1992年の日本貨物鉄道（JR貨物）のDF200形で再び電気式が採用された。また、2010年から投入されている蓄電池を併用する入換用ハイブリッド機関車HD300形も、基本は電気式である。

気動車

日本では気動車においても、1930年代と1950年代にそれぞれ少数が製作されたのみであった。特に第二次世界大戦後は国鉄で限定して試作されるに留まり、それらも後に全て液体式に改造されている。
しかし2000年代に入り、機関車同様の交流電動機普及と省エネルギー化を背景に、蓄電池を併用するハイブリッド型として電気式の制御・駆動方式を備える気動車の研究が進められ、2007年には東日本旅客鉄道（JR東日本）によって営業運転用としてキハE200形 が導入されたのを皮切りに、その後も2010年に観光用のHB-E300系、2015年に一般用のHB-E210系が投入されている。また2016年に新製されたE001形「トランスイート四季島」は、基本は電車であるが、非電化区間では電気式気動車として機能するハイブリッド（EDC方式）車両である。
JR北海道のモータアシスト式ハイブリッド気動車キハ160形（2007年に試作車発表）は、電動機の出力とエンジンの出力を電子制御機械式変速機に入力するものである。発電電源でモーターを回す点は電気式気動車であり、同時にその出力配分装置も兼ねた機械式変速機を用いる機械式気動車である点で、従来と異なる特異な例といえる。この方式は、同社の次期特急形気動車キハ285系に採用される予定で試作車も落成したが、安全への傾注方針により、2014年に開発は中止され、試験を行わないまま2015年3月31日付で廃車、2017年3月に解体された。
JR東日本はのちにハイブリッド型ではないGV-E400系も導入している。JR北海道でもこれと基本的な仕様を共通とするH100形を導入している。

リスホルム・スミス型

トルコンは1個で、これに直結･変速クラッチが内蔵された変直クラッチ部、カウンターシャフト式変速ギア、遊星歯車式変速ギア、それに組込まれた湿式多板クラッチを組み合わせたタイプであり、構造的には自動車用自動変速機に類似している。変速の制御はトルコンとギアの切り替えで行う。比較的コンパクトで、日本の鉄道においては、ほとんどの気動車に採用されているが、直結段に変速する際にはクラッチによる切替が必要であり、変速の際のショックが大きいため、大出力の機関の組合わせには無理があり、機関車では、DMF31S形エンジンを装備したDD13形、DD14形、DD15形に使用されている。

フォイト型

フォイト型はホイト式とも称される。非常に複雑な方式であるが、原理的にはトルコンを2個以上並列で使用し、それぞれのトルコンに専用のギアを備えたタイプ。変速の制御は、使用するギア段のトルコンのみにオイルを満たして動力伝達させ、使用しないギア段のトルコンはオイルを抜いて空回りさせるため、充排油式とも呼ばれる。リスホルム・スミス型と比べて直結段がなく、大出力、大トルクの機関にも適するが、その反面スペースを取るため、機関車向きの方式とされる。日本の鉄道においては、強力なDML61Z形エンジンを装備したDD51形以降の機関車に用いられている。

メキドロ式変速機

旧西ドイツなどで採用され、日本ではDD91形とDD54形に用いられた、1個のトルコンに多段式の歯車変速機を組み合わせたものである。歯車変速機が自動で変速を行うことから全領域で効率が高く、起動時のトルクも大きいが、変速に際して一度トルコンの出力軸を歯車変速機から外し、歯車の切替を行った後に再度出力軸を接続するため、変速機本体や機関に加わる衝撃を緩和する装置を必要とし、歯車変速機も自動変速の複雑な構造のものとなる。

アメリカ合衆国での流体式変速機

アメリカ合衆国では電気式が主流であったが、1960年代に西ドイツのクラウス＝マッファイ社から導入した流体式変速機を搭載した機関車、ML-4000形がサザン・パシフィック鉄道 (SP) とリオグランデ・ウェスタン鉄道 (RGW) に存在した。
SPは1950年代からより強力な機関車を欲していた。SPとRGWは当初3両ずつ発注した。初期の成績が良かったのでSPは15両追加発注した。山岳地帯の運用には適していなかったので平坦地で運用された。最初の3両はキャブ・ユニットで2次車はフード・ユニットの形態であった。より強力なEMDSD40形等の導入により1960年代末には使用が停止され、1970年代に解体された。その後、1両はカメラカーとして乗員の訓練に使用され、2010年時点では復元のうえで保存され、将来的には動態保存が予定されている。

近年の液体式変速機搭載機関車

2010年現在、各国で生産されているディーゼル機関車は電気式が主流であるが、液体式も生産されている（en:Voith Maxima,de:Voith Gravita,de:Vossloh G 2000 BB）。