国鉄591系電車
高速道路網の発達に対応すべく、新幹線網完成までの在来幹線、特に特急「ひばり」が走行する東北本線上野駅 - 仙台駅間を念頭に、130 km/h 運転と自然振子式車体傾斜などによる曲線区間の通過速度向上によって、さらなる表定速度の向上を図ったうえで、現行の特急列車より1ランク上の高速列車を設定し、上野駅 - 仙台駅間を4駅停車で3時間20分程度で走破することを目指し、その試作車として川崎重工業兵庫工場により製作された。
形式の付番は新性能電車の車両形式に基づき、十の位が「試作車・試験車」を表す「9」となってはいるが、用途記号は事業用車にあたる「ヤ」ではなく営業用に準じ普通車を表す「ハ」を用いている。
本車試験中の全国新幹線網の建設計画進展により、東北本線をはじめとする主要幹線を車体傾斜式の高速列車で高速化することはなかったが、高速化の一環として取り入れられていた自然振子式車体傾斜など本形式で試験された要素の多くは、亜幹線の高速化を実現させた381系電車の開発に反映された。
1973年(昭和48年)には本系列における試験結果を反映し、日本初の営業用自然振子式車体傾斜車両、381系電車が中央西線・篠ノ井線で営業投入されることとなった。
381系は591系の試験結果や改良点が多く反映され、たとえば、技術面ではアルミ合金製車体による軽量化、台車における軸距2,300 mm の採用、ころ式自然振子装置、非常制動まで含めた電空併用の制動、床下搭載の冷房装置などが継承され、試験の結果問題がないとされた通常のボギー車による、従来型特急車同様のMM'ユニット方式の踏襲、高運転台の採用、より振子作用を容易とするために振子中心高さを上げる(レール面上2,100 mm →2,300 mm)、ころに焼入れをすることによる転動面の寿命延伸、雪対策を応用したころ装置の密閉・与圧による防塵対策、といった改良がなされた一方で、投入線区の実情などに合わせた装備の最適化・省略が下記の通り行われている。
直線区間の多い東北本線への投入ではなく、ほぼ半分が曲線となる中央西線・篠ノ井線へ投入となったため、投入線区の線路状態、130 km/h運転対応に要する設備投資の費用対効果などから、最高速度は従来車と同様の 120km/h 、曲線通過速度は本則+25 km/hとした。
台車心皿移動装置は、先頭台車用としては十分効果ありとなったが、構造・操作が複雑であり、電化に伴う軌道強化で対応可能との判断から、装備されなかった。
将来想定される運転線区も直流電化線区が想定されたため、交流電化区間への対応はされなかった。
4系統独立発電ブレーキ制御を行う場合、効果を十分に発揮するためには全電動車方式が要求され、変電所の増強などコスト面で過大となる。