小田急3100形電車
1966年の増備車からは、ヒートポンプ式の空調装置の採用をとりやめ、能力は同等ながら冷房専用の装置に変更した。採用された冷房装置は三菱電機製CU-22形、展望室専用の冷房装置は三菱電機製CU-21形である。これと同時に、吹出口の向きも一部変更された。座席下の暖房器は1966年の増備車から能力を増強した。
集電装置(パンタグラフ)は、2号車・7号車の屋根上新宿側車端部と、5号車・10号車の屋根上小田原側車端部に設置した。補助電源装置は、出力60kVAのCLG-326A型電動発電機(MG)を1・2・10・11号車に搭載した。電動空気圧縮機(CP)についてはロータリー式のAR-1形を1・4・8・11号車に搭載した。電動空気圧縮機については、1966年の増備車からはAR-2形に変更された。
運転士が乗務する乗務員室(運転室)は2階に上げた構造とした。座席定員制の特急車両であり、箱根特急では途中での乗務員交替がないので、運転席への出入り口として運転席下にシャッターを設置、運転士が昇降する際にはアルミニウム合金製の梯子を使用し、梯子を使用しないときは運転室内と客室に設けた梯子掛けに収納することとした。車掌が乗務する乗務員室(車掌室)は先頭車の連結面寄りの片隅に設け、中間車からの前方視界を妨げないようにした。なお、工場の構内における入れ替え運転用に、客室最前部のキセ内に簡易運転装置が組み込まれ、ブレーキハンドル1本で力行と制動の両方の操作が出来るようにしたが、1966年の増備車以降はこの簡易運転台は廃止されている。補助警報音については、SE車ではエンドレステープであったものを、NSE車ではトランジスタ発振器に変更した。スピーカーは前面スカート内に収納された。
この時点では、屋根上に冷房装置を搭載する方式は塵埃・振動のいずれの面からも条件が良いことが判明していなかったため、この後に通勤車両の冷房化を行なう際には、1968年から3年間の実用テストを行なっている。
その後、1966年から1967年3月までに3編成が増備され、箱根特急は検査時以外はNSE車だけで運用できるようになった。1966年には展望室の簡易運転台撤去と列車無線設置が行なわれた。さらに、1968年にはOM-ATSと信号炎管の追設が行なわれた。
NSE車の製造数が7編成となったのは、当時目標として設定されていた「新宿と小田原を60分」での運行となった場合、1編成が折り返し時間を含めて1往復するのに要する時間を180分と考え、30分間隔で運行した場合は6編成あれば足りることから、検査入場時の予備車を考慮して全部で7編成必要、という計算であった。しかし、通勤輸送の需要予測の誤りと、それに伴う新宿駅の再度の大改良工事などの影響で、1972年には2度のダイヤ改正が行なわれたが、これ以後特急の所要時間は新宿から小田原まで最速でも69分にスピードダウンを余儀なくされた。この後しばらくは特急車両の新造はなかった。
通常は2回路並列接続で抵抗制御と界磁制御を行い、低速運転時には2回路を直列に接続(8S1P)できるようにした。また、制御装置が1台故障した際には、1台で16基の電動機の制御を行う(1C16M)ことも可能とした。
制動装置(ブレーキ)については、SE車と同様の電空併用のHSC-D形電磁直通ブレーキが採用されたが、NSE車では電気制動を最大限に使用し、ブレーキハンドルの角度が浅いうちは付随台車の空気制動が動作しない仕様とした。また、空車走行時に発生するスキッドを防止し、また乗車率に関わらず減速度を一定させるため、応荷重装置を設けた。主抵抗器は自然通風式とした。基礎制動装置はシングル式(片押し式)とした。
台車は、連接電動台車が車輪径860mmのFS346A、先頭電動台車が車輪径860mmのFS346B、連接付随台車が車輪径762mmのFS46である。これらの台車はいずれも住友金属工業製のミンデンドイツ式空気ばね台車であるが、小田急ではミンデンドイツ式台車・空気ばね台車とも初の本格採用となった。曲線通過時の遠心力による車体外傾を抑制するためにアンチローリング装置を設置したが、これは前述の車体傾斜制御試験の成果が反映されたものである。編成中での台車の配置については編成表を参照。
空調装置については、低重心化のため床下にヒートポンプ式冷暖房装置を設置することになり、9,000kcal/hの能力を有する三菱電機製CHU-40形を1両あたり2台搭載したほか、列車両端の展望室には4,500kcal/hの能力を有する三菱電機製CHU-20形を1台搭載した。空調装置からの送風は、窓下のダクトを通して、各座席のテーブル付近に設けられた吹出口に送られる。
小田急では「新宿と小田原を60分で結ぶ」という目標を設定していたが、1960年代に入ってからSE車による高速試験を行なった結果、小田急線内での速度向上においては、優れた曲線通過性能と、上り勾配での速度を保つ必要があると判断された。そこで小田急では、1961年と1962年に車体傾斜制御の試験を行なった。しかし、「自然振り子車」は問題が多く、また当時の技術では曲線進入の検知が困難であったため、実用化は見送られた。しかし、これらの試験の成果の一部はNSE車の設計に反映されている。
主電動機については、1トンあたりの出力を大きくとった上で中・高速域での加速性能を極力高くし、曲線速度制限の多い区間で効率的な走行を可能とすることをねらって、出力110kW(端子電圧375V・定格回転数2,250rpm・最弱界磁率35%)の直流直巻電動機である東洋電機製造のTDK-807-A形を採用した。駆動装置は中空軸平行カルダン駆動方式(撓み板継手方式)で、歯数比は75:19=3.95とした。これにより、上り25パーミル勾配での均衡速度は115km/hとなり、SE車の上り25パーミル勾配均衡速度90km/hと比較すると大幅に向上した。また、平坦線均衡速度は170km/hとなった。
制御装置はSE車に引き続き東京芝浦電気(東芝)製となり、発電・抑速制動付電動カム軸式抵抗制御装置であるMM-15A形を採用し、1編成で2台搭載した。SE車では制御器1台で4基の電動機の制御を行っていた(1C4M)が、NSE車では制御器1台で8基の電動機の制御を行う方式(1C8M)となり、主回路接続は、4基の電動機を全て直列に接続したものを1回路として、これを2回路並列させた(4S2P)ものとした。
1963年1月から2月にかけて2編成が入線し、同年3月14日には試運転中に130km/hの速度を記録したが、これは当時の小田急線内での最高速度記録である。同年3月16日から運用を開始したが、折りしも前年の1962年には小田急百貨店が営業を開始しており、1963年の夏には宣伝として、NSE車を使用した箱根特急の車内で水着ショーが開催され、話題を提供した。さらに2編成が増備され、SE車とNSE車はともに4編成ずつとなった。この年の11月ダイヤ改正からは、箱根特急は完全30分ヘッドによる運行となり、同時に新宿から小田原までの所要時間は62分にまでスピードアップされた。翌1964年には鉄道友の会よりブルーリボン賞を授与された。この年の2月から3月にかけて、わずかな期間ながら6両連接で営業運転を行なっている。
しかし、低重心化のために採用した床下ヒートポンプ式空調装置は、塵埃によるフィルターの目詰まりと、振動によるガス漏れによるトラブルが続いた。