国鉄キハ181系気動車
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1968年に竣工した、キハ181系第1陣となる量産先行車は同年10月1日から中央西線の特急「しなの」に投入され、最高速度は95 km/hのままながら大出力を利した加速性能の引き上げで大幅な所要時間短縮を実現した。もっとも、特に初年度は変速機故障が頻発した。この際、予備車が製造されていなかったため、一時は制御信号が共通で走行性能も同一のキハ91形を編成に組み込んで急場をしのぐことさえ行われる有様であった。
1969年8月7日には、しなの（8M1T編成）において、故障が相次ぎエンジンの負担が増大しオーバーヒート、62分の遅れが生じている。内容は3両目のキハ181-13が変速機不調によりエンジンカット（7M2Tとなる）で運転開始したところ、桑ノ原へ走行中に6両目のキハ180-3から黒煙が出ていたためエンジンカット（6M3T）、桑ノ原を通過すると前から5両目のキハ180-6が変速機不調によりアイドル（5M4T）、姨捨駅場内信号機外にて前から4両目のキハ180-1と8両目のキロ180-1が温度高となり、いったん停車して冷却と変速機不調のキハ180-6を再起動させた。ところがキハ180-6の変速機に再び異常が生じ、先頭キハ181-1・4両目キハ180-1・最後尾キハ181-2が温度高になり、この状態で冠着トンネルに入ったところ、キハ180-1がエンストして自然停止した。結局、停車してもキハ181-2の強制通風の冷却性能不足で温度が下がらなかったため、トンネルから出て姨捨へ退行し、機関冷却と点検によりキハ180-3を確認したところ、黒煙は排気管ボルト緩みによるものと分かり再起動。キハ180-1は水ポンプメカニカルシートの漏れにより冷却水が不足したため、エンジンカット、6M3Tで運転を続け62分遅れで松本駅に到着した。主な原因は変速機不調が3件発生、ボルト緩みが1件、水ポンプ漏れが1件であった。
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 : ← 塩尻長野・名古屋 → 
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| 形式 | キハ 181 | キハ 180 | キハ 180 | キハ 180 | キサシ 180 | キロ 180 | キハ 181 |
備考: 編成の塩尻寄りにキハ181形+キハ180形を増結する場合もあった。
本系列はキハ80系と比較して最高速度・加速・勾配での均衡速度を向上し、1970年（昭和45年）2月から急勾配の板谷峠を経由する奥羽本線の特急「つばさ」にキハ80系を置き換える形で投入されたが、未成熟な新しいメカニズムを採用していたことと、高効率ダイヤの下で酷使を重ねた結果、故障が多発した。こういったトラブルは、電車・機関車等でも当時の国鉄においては日常的に発生していた。ことさら本系列の不具合が目立つのは、新システムであったことと、故障時に代走できる車両がキハ90系以外に存在しなかったこと、それにキハ90系で長期実用試験のデータが揃わない時点で見切り発車的に本格設計を開始し、同系列の運用・保守を担当した名古屋工場などの現場から既に指摘されていた各部設計の重大な問題点について、設計を担当した国鉄車両設計事務所のスタッフがまともに認識も対応もせず無視し、それらについての根本的な改善が何ら実施されないまま漫然と量産が強行されたためである。ただし、名古屋工場はキハ91、キハ181が従来型よりも複雑な配線や継電器があるため、故障時に電気的故障と決めつけ誤った判断を下し失敗した経歴も持つ。
これらの問題解決が行われるのは、1970年末に車両設計事務所で人事異動が行われ、本系列を担当する動力車担当次長として、それまで技師長室で標準化担当として品質管理に携わっていた石田啓介（前苗穂工場次長。EF81形電気機関車の主任設計者）が着任して以降となる。なお、この人事異動は本系列で深刻なトラブルが頻発していた時期であったにもかかわらず、新たに赴任する石田に対する工作局からのその事に対する事前説明も、前任者からの引き継ぎも一切行われなかったという極めて異様なもので、石田は人事で裏に何かありそうな気がした、と後年のインタビューで証言している。
「つばさ」運用では、当初は速度種別の査定通り板谷峠での単独登坂運行を行っていたが、変速機不調を中心とする故障車のエンジンカットも頻繁に実施されており（このことから本系列の平坦線での高速運転性能には、大出力機関搭載を利してある程度の余裕があったことが見て取れる）、実質的な負担が規定以上という状態が恒常化していた。また、福島以北の区間での遅れを取り戻すための回復運転も福島以南の東北本線上で実施されており、機関出力が整備上のばらつきで規定値以上を発揮していたこと（燃料噴射ポンプのプランジャーと各ノズルの噴射量にばらつきがあった場合、多いものに揃えられる傾向があった）も手伝って、実際には120 km/h 以上で運転されていたとの証言（本系列の速度計は120 km/h が上限となっており、それが振り切れていたという。直結段での速度ゆえ、当然過回転である）もあり、東北本線上での機関の酷使は著しいものであった。このような事情から、夜間間合いを利用した臨時「つばさ」が計画された際には、「夜間の検修時間を取り上げられては定期「つばさ」の運行もままならなくなる」と検修側から反対の声が上がるという事態にもなった。奥羽本線の勾配区間においても、機関の定格出力いっぱいの運転が実施された結果、ヘッドガスケットの吹き抜け、排気マニホールドの過熱 → 発火・焼損等といった熱設計不備と燃料噴射量過大に起因する致命的な事故が頻発した。そのため一時は故障車続出で予備車確保もままならず、定時運行はおろか定期列車運行の維持そのものが危ぶまれる状況に追い込まれた。
この問題の対策として、1972年（昭和47年）10月のダイヤ改正で運用の見直しが実施され、過熱による排気管や機関のトラブルの原因となっていた、「変速6ノッチ」（変速段でのフルスロットル）の取扱について、DMH17系機関と同様、連続最大5分の使用可能時間制限が設けられ、加えてキハ80系時代と同様にEF71形の補機に牽引されて板谷峠を登るように改められた。さらに1973年（昭和48年）10月のダイヤ改正では、予備車確保を目的としてキハ180形1両の減車が行われ、ダイヤ上の余裕時分を確保するため、東北本線上野 - 福島間において所要時分が伸びた。また、この改正では中央西線の「しなの」についても、機関の負担軽減に加えて、食堂営業における要員事情や採算性の問題もあり、食堂車キサシ180形を不連結とした。その後「しなの」は1975年（昭和50年）3月のダイヤ改正で381系電車の運用に統一され、キハ181系は中央西線から撤退した。
「つばさ」の後は、急勾配からその性能を必要とした伯備線（1971年に新大阪 - 出雲市間で「おき」運行開始、1972年3月より岡山発着の「やくも」に変更）、および同様に本系列の性能が必須であった土讃本線を運用区間に含む四国島内向けに製造・投入された。また、「つばさ」の間合い運用として、北上線経由で東北内の仙台・秋田間を結んだ「あおば」が1971年に臨時列車として設定され、1972年3月から定期運行化された。
一方で、西日本を起点とする主要幹線ではこの当時「かもめ」「なは・日向」や、「白鳥」がキハ80系で運用されていた。山陽本線系の前2者は山陽本線（瀬野八を含む）や鹿児島本線でキハ181系の性能を適切に発揮すれば電車特急並への速度向上が可能で、現場や旅客からは導入の要望があった[要出典]。しかし、「なは・日向」は電車化が視野に入っていた（「なは」は1970年10月以降全線電化された環境で気動車で残っていたが1973年に、「日向」も1974年に電車化）上、残る「かもめ」も既に山陽新幹線岡山・博多間が着工済で、新幹線開業後の車両転用事情もあり、計画はおろか構想の議題にすらならず、見送りとなった。後者も日本海縦貫線の全面電化が間近だったこともあり、投入が見送られた。