国鉄キハ40系気動車 (2代) 構造
このほか直通予備ブレーキ装置と、酷寒地形・寒地形は耐雪ブレーキ装置を装備する。直通予備ブレーキは富士急行列車脱線転覆事故の対策として、空気ブレーキ装置の多重化のためキハ66系から装備されたもので、運転台でのスイッチ操作により、S抑圧装置の電磁弁と圧力調整弁の作用により4.5 kg/cm2のブレーキが作用するが、引通し線の本数不足の関係でキハ40系のみの編成でも先頭車にのみ動作する（KE93電気連結器装備車は引通し線の準備工事）。耐雪ブレーキは制輪子と車輪間の雪氷の介在によるブレーキ力低下を防止するためのもので、運転台でのスイッチ操作により、電磁弁とB8A圧力調整弁の作用により0.5 kg/cm2のブレーキが作用する。
また、1963年度本予算車以降のキハ58系の一部から装備された機関ブレーキ機構が本形式でも装備される。惰行運転中に運転台でマスター・コントローラーの主ハンドルを「1」ノッチとして機関ブレーキスイッチを操作すると変速機が直結となり（運転台の運転表示灯「B」「直」が点灯）、この状態で主ハンドルを「切」もしくは「停」とするとエンジンブレーキが作用するもので、その後、再度主ハンドルを「1」ノッチとすると機関ブレーキが解除され（運転表示灯の「B」「直」が消灯）、「切」とすることで惰行運転に戻る。
暖房はキハ20系の後期製造車やキハ45系の温水暖房式から、一部のバスでも採用されている温風暖房式となった。これは、機関冷却水を熱源として床下の熱交換器で温風を作り車内に循環させる方式で、客室空気は室内天井付近のリターン口から吸入され、車体側面の外気導入口からの新鮮外気と混合されて熱交換器で加熱された後、併設の送風機で客室側壁下部の送風ダクトに送り込まれ、ダクトの送風口から客室・運転室・トイレ内に送出される。気温が低い時、下り勾配、停車時など、機関の廃熱だけでは冷却水温が上がらない場合には、運転席からのスイッチ操作により、外気導入の導入を停止させることや、WH250B形機関予熱器を動作させて機関冷却水を60-80°Cに保つことが可能となっているが、外気温が0°C程度までであれば機関予熱器の使用は不要とされている。1両あたり2基搭載された重量125 kg、放熱器水容量14.3 lの熱交換器により暖房能力は公称30000 kcal/hとなり、従来の軽油燃焼式温気暖房に比して著しく強力な暖房能力を得た。
運転室内には客室と同じ温風暖房に加え、自動車用温水暖房装置であるWH33形が運転席側、助士席側に各1基ずつ設置される。また、酷寒地形・寒地形にはキハ45系の酷寒地形で採用された乗降扉ステップ下部の温水暖房を装備するほか、酷寒地形にはKE53形電気連結器にも温水暖房装置を装備する一方で、マスターコントローラー内部、給水装置類、ブレーキ・笛等空気関係装置類、温水暖房装置が設置されない電気連結器には電気暖房装置を装備する。エンジンからの暖房用温水回路は客室用暖房装置から室内の温風ダクト内を通って乗降扉ステップ暖房（酷寒地形・寒地形）、運転室暖房および電気連結器暖房（酷寒地形）を経由してラジエーターに戻るもので、暖房不使用期間は客室用暖房装置 - ラジエーター間が短絡される。
一方、冷房装置は製造時には設置されず、準備工事も見送られた。当時は地方路線の冷房化は時期尚早であると判断されたほか、車体の大型化や事故対策などで車両重量が増加したため、さらなる重量増となる発電機の搭載や機関出力を消費する直結式冷房装置の搭載が困難であったことも理由である。
1977年度1次債務車までは、各種電気信号用の電気連結器として、在来の一般形気動車と共通のKE53形（接点数15）を2個（制御・補助用）と放送回路用KE66形（接点数2） を1個、電磁自動空気ブレーキ用のKE67形（接点数2） を1個の計4個の電気連結器を装備する。一般形気動車ではこの4個の電気連結器が標準で、冷房を搭載する急行形気動車ではこれに加えて冷房制御・放送・電磁ブレーキ用のKE53形1個と電源供給用のKE8形（接点数8）1個を装備する。
しかし、この構成は、装備の追加に伴い後追いで電気連結器を追加した結果であるため、キハ66系のキハ66形とキハ67形の間に使用された、KE91形（接点数90）へ集約することが検討され、1977年度1次債務車では準備工事として妻面向かって左下にKE91形用栓納めを設置する縦長の窪みを設け、運転室部のものは塞ぎ板で塞いでいる。
その後、1978年度本予算車からは栓納め設置用の窪みや塞ぎ板はそのまま、接点数61のKE93形 1個で従来のKE53形3個（キハ40系では使用されない冷房用を含む）とKE66形・KE67形各1個を置き換えることとしつつ、当面の措置としてKE93形にKE94形アダプタ をボルトで固定してKE53形2個を備える一般形気動車と併結可能としている。KE53形3個とKE66形・KE67形各1個で計49接点を使用するが、これをKE93形に代替して増加する16接点は直通予備ブレーキ、火災警報、暖房や扇風機等の総括制御回路、行先表示器、戸閉回路等に割り当てる予定とされ、一方で、KE93形をKE94形アダプタを介して使用する場合にはKE53形と同じ接点数15 × 2（制御・補助用）となり、KE66形・KE67形（および冷房用のKE53形）の接続が必要となる。
空気圧縮機はキハ90系、キハ181系、キハ65形等に使用された、3気筒（ピストン径×行程：73.1 × 60 mm）、機関直結・水冷・歯車駆動式のCW750系のうち、キハ183系にも使用されるCW750D形を1基搭載しており、これはキハ66系のCW750C形から、吸込チリコシを圧縮機本体に直接設置するよう変更して配管を簡略化したものとなっている。また、本系列はキハ181系やキハ66系と同様に従来の気動車が装備していた圧力490 kPaの制御空気系を省略しており、従来これを使用していた戸閉機械・トイレの水揚装置および各種電磁空気動作式の補機類にも580 - 690 kPaの元空気溜系の圧縮空気を使用している。
先行量産車を使用した性能試験の結果と評価は以下の通り。
本系列と同様の構成の従来形式との比較においては、キハ45形が自重33.0 tであるのに対し、キハ47形0番台が35.5 - 35.6 t（いずれも全長21.3 m、片運転台、トイレ付、両開き2扉、暖地向け）、キハ24形の34.5 tに対しキハ40形100番台が36.8 - 37.6 t（いずれも全長21.3 m、両運転台、トイレ付、片開き2扉、酷寒地向け）で、7 - 9 %程度自重が重いのに対し、搭載機関の連続定格出力は約22 %高い220 PSで、動輪周引張力は例えば10 - 55 km/hの速度域では約15 - 45 %高くなっている。また、本系列による代替の対象となったキハ10系は1機関搭載・運転台付の車両で自重が29.5 - 34.0 t、同じくキハ20系で30.0 - 33.1 tであり、単位重量あたりの出力ではキハ10系とキハ20系の1機関搭載車とおおむね同等であった。新形式車両でありながら走行性能は大きくは改善しておらず、地方線区の経営改善のためのダイヤ改正にも支障となるものとして批判された。本系列（暖地向け車）を使用した普通列車（普気）の速度種別設定は「停気F1」で、上り10パーミル勾配における均衡速度は51 km/h、25パーミル勾配では26 km/h であった。
本系列の性能や、それを招いた国鉄の開発思想に対して部外者からは批判があった。1980年代後期から1990年代にかけて、曽根悟らがこの過重量と出力不足を批判しており、特に曽根は、本形式の性能を「（数世代前の）キハ42500形にも劣る」と評価している。
2機関搭載車との比較においては、2機関搭載のキハ51形やキハ52形などには大きく劣っており、平坦な非電化線区においても機関2基搭載車基準のダイヤでは運行できず、本形式が運用に入る列車は別途遅いダイヤを設定しなければならないなど、スピードアップの阻害要因となることが多かった。
電車との比較においては、従来の気動車と同様、電化区間へ乗り入れる場合は、電車列車より加速力が大きく劣るため足並みが揃わず、ダイヤ作成の障害となった。
低出力による加速力の低さに加え、変速機の特性上、低速域の引張力が小さいため、起動はキハ20形などと比べても鈍重で加速も悪く、乗客には低性能ぶりが一層強く印象付けられることとなり、1980年から1990年代の鉄道旅行誌の掲載記事等においては、新系列車両であるにもかかわらず執筆者から「旧式気動車」などと記されてしまうこともあった。
DMF15HSの定格時燃料消費率は185 g/PS/hであり、基本設計が1941年であるDMH17系（190 g/PS/h）と同水準で、のちにJR東海がカミンズNTA855-R1（JR形式C-DMF14HZ）（154 g/PS/h）に換装した際には、燃費が換装前の71 %に改善 した。また変直切替速度が高く、変速段とエンジンの高回転域を多用する変速機の非効率がそれを一層助長した。排気系の過熱防止のため全出力運転が5分までに制限されるDMH17系と異なり、DMF15HS系は全出力運転の時間制限がなかったため、運行中はほぼ全出力で運転できてしまい、かえって燃料消費量も増加した。DMH17系機関を1基搭載する車両の代替は可能であったが、加減速の多い仕業や勾配路線向きの形式は製作されなかった。