牽引或推送鐵路車輛運行，而本身不裝載營業載荷的自推進車輛，俗稱火車頭。按運送每噸公裡消耗燃料量計算，機車是耗能最少的陸地運輸工具。它一般由蒸汽機、柴油機、燃氣輪機、牽引電動機等動力機械直接或通過傳動裝置驅動。動力機械使機車動輪產生力矩，同時鋼軌又給動輪以大小相等、方向相反的反作用力。各個動輪反作用力之和稱為機車牽引力。這個牽引力是由動輪周上作用力而產生的切向外力，所以又稱為輪周牽引力。為不使動輪在鋼軌上空轉，輪周牽引力不應大於動輪與鋼軌間的粘著力（摩擦阻力力），即不應大於機車的粘著重量(機車所有動輪作用於鋼軌上的垂直重量)與粘著系數（機車動輪不空轉時的最大輪周牽引力與粘著重量之比）的乘積。
簡史 世界上最早出現的機車是蒸汽機車，以後又出現電力機車、柴油機車、燃氣輪機車。（見彩圖）
蒸汽機車結構示意圖
梁守志繪
柴油機車
高速電力機車（最高速度380公裡/小時）
蒸汽機車發展過程 1803年英國的R.特裡維西克制造出第一臺在軌道上行駛的蒸汽機車（圖1）。1814年英國的G.斯蒂芬森制造出一臺5噸重的“皮靴”號蒸汽機車，被認為第一臺成功的機車。但真正在鐵路上使用並為現代蒸汽機車奠定基礎的是以斯蒂芬森，G.和其子R.斯蒂芬森為主要設計者建造的、並於1829年在比賽中獲獎的“火箭”號蒸汽機車(圖2）。它行駛速度達58公裡/小時(36英裡/小時)，創造瞭當時地面行駛車輛的最高速度。1831年美國土木工程師J.B.傑維斯首次在機車前部試裝一引導轉向架，使機車能夠在彎道上安全行駛。1836年美國H.R.坎貝爾設計一臺2軸引導轉向架2軸聯動的機車。但這一設計並不成功，直到同時代的機械工程師J.哈裡森進行瞭加裝車軸均衡機構的改進後，才成為完善的機車。不久這輛機車便成為美國的標準型機車，並命名為“美國人”型機車，被廣泛應用到19世紀90年代。該型999號機車於1893年創造瞭181公裡/小時（115.2英裡/小時）的最高速度。為瞭提高飽和蒸汽的利用率、加大機車的牽引力，並能更好地通過彎道，1888年瑞士造出第一臺關節復脹機車，由工程師A.馬勒設計，稱馬勒型機車。1904年美國引進並在山區使用瞭馬勒型機車，後改為單脹式，制造出最大的蒸汽機車2-4-4-2型。
進入20世紀，采用過熱蒸汽的蒸汽機車迅速推廣，這時的機車已向大蒸發量、大尺寸、大鍋爐的大型化發展。
中國於1881年制出自己的第一臺蒸汽機車“中國火箭”號，運行於唐山-胥各莊鐵路。
蒸汽機車雖經100多年的發展，但運用熱效率隻有6％左右，加上保養維修量大、污染嚴重、日運行裡程短，逐漸被熱效率高、運用率高的電力機車和柴油機車取代。美國於1960年，英國於1968年，法國於1972年，日本於1975年，聯邦德國和蘇聯均於1977年相繼停止使用蒸汽機車。
電力機車發展過程
圖3 “韶山”1型電力機車
1835年荷蘭的斯特拉廷和貝克爾兩人試制以電池供電的2軸小型鐵路電力機車。1842年蘇格蘭的R.戴維森制造出一臺由40組電池供電的標準軌距的電力機車。1879年德國的W.von西門子設計制造瞭一輛小型電力機車，電源由機車外部的150伏直流發電機供給，並通過兩軌道和其中間的第三軌道向機車輸入，電力機車首次成功行駛。1890年英國倫敦首次用電力機車在5.6公裡長的一段地下鐵道上牽引車輛。1895年美國的巴爾的摩鐵路隧道區段采用的幹線電力機車，功率為1070千瓦。20世紀初歐洲有幾個國傢曾建成幾段以三相交流電供電的電氣化鐵路。20世紀初，電力牽引的優越性已被公認，到20年代末幾乎每個歐洲國傢都已有占不同比例的電氣化鐵路。因三相交流供電系統和機車變流裝置復雜，電力機車逐漸趨向采用工頻單向交流電。50年代以後，隨著大功率汞弧整流器和引燃管整流器的出現，特別是矽二極管整流器的出現，促進瞭采用工頻交流電的電力機車的發展。70年代以來，幹線電力機車向大功率、高速度、耐用方向發展。客運電力機車的速度已從每小時160公裡提高到200公裡。中國1958年制成第一輛以引燃管整流的“韶山”型電力機車。1968年改用矽整流器成功，制成“韶山”1型電力機車（圖3）。
柴油機車發展過程 在柴油機車出現之前，1906年美國制造出電力傳動的汽油動車（本身裝載營業載荷的自推進車輛）。1913年瑞典制造出電力傳動的柴油動車，這些動車與柴油機車的構造類似。1924年蘇聯用一臺735千瓦潛水艇柴油機制成一輛電力傳動的柴油機車。1923年美國制成220千瓦的電力傳動的柴油機車。到30年代初，柴油機車進入瞭試用和實用階段、功率多在1000千瓦以內，主要以調車機車為主。到30年代後期出現瞭單節機車多節聯掛的幹線客運柴油機車。柴油機車的運行表明，它的經濟效益比同等功率的蒸汽機車高得多。1945年以後，柴油機車進入大發展的階段。柴油機上多配裝廢氣渦輪增壓系統，功率普遍提高。一般中速柴油機配裝直流電力傳動裝置；高速柴油機除電力傳動裝置外還配裝液力傳動裝置。50年代末和60年代初，柴油機車向更大功率（2000千瓦以上）發展，但受到直流電力傳動裝置的直流牽引發電機的限制，功率難以突破2200千瓦。這時聯邦德國制造出安裝兩臺高速柴油機的2940千瓦的液力傳動柴油機車。60年代中期，隨著大功率矽整流器的出現，人們制造出不受功率和轉速限制的交-直流電力傳動、功率為2940千瓦的柴油機車。後來，蘇聯制造交-直流電力傳動的柴油機車，單個柴油機的功率已達4000千瓦。隨著電子技術的發展，聯邦德國於70年代上半期制造出1840千瓦交-直-交電力傳動柴油機車。中國東北地區在30年代曾試用柴油機車，1958年開始制造柴油機車。
燃氣輪機車發展過程 最早的燃氣輪機車是從使用復式燃氣輪機開始的。1933年瑞典制成瞭480千瓦的自由活塞燃氣輪機車。1951年法國先後制成735千瓦和1770千瓦自由活塞燃氣輪機車。1954年蘇聯制造2210千瓦的自由活塞燃氣輪機。1941年瑞士首先制造出開式燃氣輪機車。40年代末和50年代，英國、美國、蘇聯和捷克斯洛伐克先後制造出不同功率的開式燃氣輪機車。
分類 機車可按所采用的動力裝置、用途和走行部形式分類。
按動力裝置分類 機車分為熱力機車和電力機車兩大類。
① 熱力機車：以熱機為原動機的機車，主要包括蒸汽機車、柴油機車和燃氣輪機車，都是自帶能源的機車。熱力機車受到軸重和鐵路軌道的限制，不能制造得過重過大；而機車內的動力和傳動裝置的重量和尺寸也受到約束。以柴油機和燃氣輪機為動力的機車又稱為內燃機車。柴油機車和燃氣輪機車按其中的傳動裝置不同，又分為機械傳動的、電力傳動的和液力傳動的。
② 電力機車：由外部經軌道上空的接觸網或敷設於行車軌道一側的第三軌道供電、由牽引電動機驅動的機車。電力機車具有功率大、短時過載能力強、速度高、加速快、牽引力大、不污染環境等優點，適用於運輸繁忙、坡度大或有長隧道的鐵路線上，尤其適用於大城市城郊和地下鐵道的運輸。電氣化鐵路對其附近的電信通信有一定的幹擾。
按用途分類 機車分為客運機車、貨運機車、客貨通用機車、調車機車和工礦機車5類。
① 客運機車：牽引旅客列車的機車，有較高的運行速度和起動加速度，並能長距離運行，但機車牽引力不一定很大。
② 貨運機車：牽引貨物列車的機車，有相當大的牽引力，能長距離運行，但運行速度不一定很高。
③ 客貨通用機車：牽引重的（輛數多的）旅客列車或較輕的快運貨物列車的機車，其性能介於客運機車和貨運機車之間。
④ 調車機車：在車站內或編組站（場）內，用於車列的解體和編組的機車，例如用於車輛的牽出、轉線和車輛的送取等作業。調車機車起動和停車、正向和反向行駛頻繁，應有足夠的粘著重量、牽引力、起動加速度和良好的換向性能。在車站進行客車車列或部分貨車列車摘掛和牽出作業的機車稱為站內調車機車。這種機車功率較小，也可用於工礦企業內部運輸。用於編組站（場）內進行車列解體、編組和牽出作業的機車稱為編組站調車機車，這種機車也可兼作短途運輸。
⑤ 工礦機車：在采掘、冶金、石油、化工、林業等部門內部運輸用的機車，如壓縮空氣機車、無火蒸汽機車和蓄電池機車等。工礦機車的功率較小、速度不高，但需要有足夠的牽引力，運送易燃、易爆物品需要有防火、防爆設施。
按走行部形式分類 分為車架式機車和轉向架式機車兩類。
① 車架式機車：動軸（驅動軸）以固定位置裝於剛性車架的機車。這類機車固定軸距（裝在剛性車架上的最前軸和最後軸中心的水平距離）長，通過彎曲路線較困難、不適合高速行駛。因此蒸汽機車與老式的電力機車和柴油機車裝有導輪轉向架，但這種機車仍屬於車架式機車。
② 轉向架式機車：車架兩端各裝一臺可水平旋轉的轉向架支撐的機車。電力機車、柴油機車和燃氣輪機車都采用這種形式。
構造和功用 機車的類型不同，能源供給的形式也不相同，但各種機車的構造卻有許多共同之處，如都包括車架、走行部、車體、車鉤緩沖裝置、制動裝置和司機室等。蒸汽機車構造比較特殊。電力機車、柴油機車和燃氣輪機車除動力裝置、傳動裝置不同外，其他部分基本相同或相似。
蒸汽機車的構造和功用 蒸汽機車主要由鍋爐、蒸汽機、車架、走行部和煤水車幾部分組成，其他還有車鉤緩沖裝置、制動裝置、控制和監測裝置、司機室、輔助裝置等部分。
① 鍋爐：產生和儲存蒸汽的裝置，是蒸汽機車的心臟。鍋爐由火箱、鍋筒和煙箱3部分組成。火箱是燃燒燃料的地方，分內火箱和外火箱兩部分，內、外火箱之間充以鍋水。火箱的底部是燃燒煤炭的爐床和存灰的灰箱。鍋筒在鍋爐的中部，筒內排列有大煙管和小煙管，大煙管內有使蒸汽幹燥和加熱的過熱管。鍋爐工作時，火箱產生的熱量經內火箱和小煙管傳給鍋水。鍋筒的頂部設有聚集蒸汽的蒸汽包。煙箱位於鍋爐的前部，內有煙筒、乏氣噴口、反射板和火星網等通風和排煙裝置。燃料投入爐床後，在火箱內與從灰箱風門進入的空氣混合後燃燒。熱能通過內火箱板和大小煙管傳遞給鍋水和過熱管。燃燒後的煙氣經煙箱由煙筒排出。高壓飽和蒸汽由蒸汽包經幹燥管和過熱蒸汽集汽箱的一側進入過熱管。加熱後的過熱蒸汽，再返回集汽箱裝的調整閥的一側。過熱蒸汽經調整閥和蒸汽管進入蒸汽機。
② 蒸汽機：它將蒸汽的內能轉變為機械功以推動機車運行。蒸汽機車一般裝有兩套蒸汽機，裝於機車的兩側。蒸汽機主要由汽室、汽缸、傳動機構、閥動裝置（配汽機構）等組成。汽室在汽缸的上面，過熱蒸汽經煙箱中的主蒸汽管，從汽室中部進入汽室。汽室與汽缸的兩端都有汽口相通。與活塞協調動作的閥動裝置帶動汽室中的汽閥作縱向往復運動，同時向汽缸配汽。過熱蒸汽在汽缸內膨脹作功，推動活塞與活塞桿運動，經傳動機構（十字頭、搖桿、連桿、曲拐銷）將活塞的往復運動變成機車動輪的旋轉運動。通過輪、軌接觸產生的牽引力基本符合機車牽引特性，又能逆轉，所以蒸汽機車不需要像內燃機車那樣的傳動裝置。
③ 車架和走行部：車架是由兩片棒式或板式側梁和若幹橫梁組成的結構，它是安裝鍋爐和汽機的基礎。走行部是機車承重和在軌道上走行的部分。車架和走行部主要由車架、彈簧懸掛裝置、動輪、從輪、導輪、各輪的轉向架、軸箱、牽引裝置、基礎制動裝置等構成。
④ 煤水車：機車上裝載煤、水、油脂和存放工具的部分，用牽引桿掛在車架後面。煤水車由煤槽和水櫃組成。煤水車車架由兩臺轉向架支承，車架後端裝有車鉤緩沖器以牽引列車。大功率蒸汽機車的煤水車上還裝有推煤機和輸煤機，能將煤從爐口均勻地噴到爐床各處。
⑤ 司機室：即司機、副司機、司爐工作的處所，裝於鍋爐後端車架上，有操縱控制和監視儀及座位。司機室與煤水車相連，便於司爐燒火。
電力機車的構造和功用 電力機車（圖4）是靠外部供給電能由牽引電動機驅動的機車。電能由電力系統經傳輸線、牽引變電所、接觸網或第三軌道輸入機車的牽引電動機，再驅動機車前進。電力機車是非自帶能源的機車。電力機車的機械部分主要由轉向架、車架、車體、司機室、車鉤緩沖裝置和制動裝置等組成。轉向架上的每個動軸均由一臺牽引電動機驅動。轉向架上還裝有制動基礎裝置，它將牽引力和制動力傳給車架。車架一方面承受車體、司機室和設備重量，另一方面傳遞牽引力給車鉤緩沖裝置以牽引列車。電氣部分主要由牽引電動機、牽引變壓器、受電弓、主斷路器、交流電力機車的整流裝置、控制、輔助和監測裝置等組成。
① 受電弓：電力機車從接觸網上受取電能的裝置。受電弓安裝在車頂上，可分單臂弓和雙臂弓兩種。它的主要部件包括集電頭、上框架、下臂桿底架、引弓彈簧、傳動氣缸和支持絕緣子等。受電弓的升降由壓縮空氣控制。
② 主斷路器：電力機車上接通或分斷電源的總開關，兼作各種過載、短路故障的主保護開關，安裝在機車的頂部。
③ 牽引變壓器：在工頻單相交流電供電的機車上，用於改變電源電壓的裝置。它安裝於車架上，能承受較強的沖擊振動和較高的電磁負荷。改變牽引變壓器的輸出電壓可以調節機車運行速度。
柴油機車的構造和功用 柴油機車(圖5)是以柴油機為動力的機車，比蒸汽機車有更高的熱效率，不需要頻繁地加入燃料，持續工作時間較長。柴油機車主要由柴油機、傳動裝置、車架、車體、轉向架、車鉤緩沖裝置、制動裝置、輔助裝置和控制與監測裝置組成。
① 柴油機：柴油機車的動力裝置，也是柴油機車中易損部件多、維修量大的設備。對機車柴油機的要求是：可靠性好，燃料消耗率低、靈敏性好和單位功率的重量與尺寸小。現代機車用的柴油機都裝有廢氣渦輪增壓器（見廢氣渦輪增壓），它能大大提高柴油機的功率和熱效率。
② 傳動裝置：用於變換車軸和原動機輸出軸的轉速比和轉矩以傳遞動力的裝置。柴油機不能在有負荷情況下起動，起動後達到一定工作轉速後才有輸出功率和轉矩。柴油機必須通過傳動裝置來適應機車牽引特性的要求。機車的傳動裝置分為機械傳動裝置、液力傳動裝置和電力傳動裝置3類。機械傳動裝置主要是通過離合器和多檔的齒輪變速箱來改變柴油機的輸出轉速和機車動軸間的轉速比。機械傳動裝置簡單、造價低，適用於小功率的機車。液力傳動裝置是用一個或數個液力變扭器與齒輪箱組合，來傳遞柴油機到機車動軸之間動力的裝置。液力傳動裝置的優點是能自動無級調速，換檔無沖擊，起動加速快而平穩。電力傳動裝置將柴油機發出的機械功變換成電能，再由電能轉換成機械功以驅動車輪的傳動裝置。柴油機帶動牽引發電機，供電給牽引電動機驅動車輪。按所使用的牽引發電機和牽引電動機的類型，電力傳動裝置分為直-直流電力傳動裝置、交-直流電力傳動裝置和交-直-交流電力傳動裝置。
燃氣輪機車的構造和功用
燃氣輪機車是以燃氣輪機為動力的機車（圖6）。它與柴油機車相比，除用燃氣輪機代替柴油機外，其他構造基本相同。燃氣輪機車主要由燃氣輪機、傳動裝置、車架、車體、轉向架、車鉤緩沖裝置、制動裝置、控制和監測裝置以及柴油發電機組等組成。
① 燃氣輪機：它是燃氣輪機車的動力裝置，多用開式燃氣輪機。復式燃氣輪機(自由活塞式燃氣輪機)已不再使用。開式燃氣輪機主要由渦輪機、渦輪壓氣機和獨立的燃燒室組成，有的還裝有回熱器。
② 傳動裝置：燃氣輪機車的傳動裝置分為電力傳動和機械傳動兩種，以用電力傳動的為多。用電力傳動裝置的燃氣輪機因燃氣輪機的轉速很高，在它的輸出軸和牽引發動機之間需要裝齒輪減速箱。用機械傳動裝置的燃氣輪機車隻有前進和後退的換向檔，無變速檔。
③ 柴油發電機組：它是燃氣輪機車中的輔助動力裝置，其作用是啟動燃氣輪機，當燃氣輪機未開動或未達到工作轉速時供電給輔助裝置。在機車出入庫低速運行時，不必開動燃氣輪機，而由柴油發電機組供電給一兩個牽引電動機。
軸（輪）排列式 簡稱軸（輪）列式，是用數字或字母標出機車走行部的結構特點的簡單方法。排列的方法是以安裝於同一剛性構架（車架或轉向架）中的車軸（輪）數，用數字或符號劃分成組。符號自左至右依次表示機車從前到後各組的車軸（輪）數。軸列式分車架式機車軸列式和轉向架式機車軸列式兩種表示法。
車架式機車軸（輪）列式表示法 這種方法多用於蒸汽機車，常用的有3種。① 數字軸數表示法：表示順序為：導軸數-動軸數-從動軸數。② 數字輪數表示法：表示順序為：導輪數-動輪數-從動輪數。③ 數字與字母軸數表示法：以數字表示導軸和從動軸數，以大寫拉丁字母表示動軸數，如A代表1，B代表2，C代表3等，表示順序為：導軸數-動軸數-從動軸數。
例如，某機車有1根導軸、4根動軸而無從動軸，用上面3種表示法分別為：1-4-0，2-8-0和1D；又如某關節式機車的前車架有1根導軸和4根動軸，後車架有4根動軸和2根從動軸，用上面表示法分別為1-4+4-2或1-4-4-2、2-8-8-4、1D-D2。
轉向架式機車軸列式表示法 以數字或字母表示每臺轉向架的動軸數和非動軸數。以註腳“0”表示每一動軸為單獨驅動，無註腳表示動軸為成組驅動。表示順序為：前轉向架軸數-後轉向架軸數。
例如，某機車有兩臺轉向架，每臺由3根單獨驅動的動軸構成，可用數字和字母分別表示為：30-30和C0-C0；如同樣機車為成組驅動的轉向架，則分別表示為：3-3，C-C。又如某機車由兩臺3軸轉向架構成，每臺轉向架中間軸為非驅動軸，則分別表示為：l01l0-l01l0，Α01Α0-Α01Α0。
發展趨勢 蒸汽機車由於熱效率低、維修、整備頻繁、經濟效益低、對環境污染嚴重，在鐵路運輸中已讓位給柴油機車、電力機車和專為客運使用的柴油動車組、燃氣輪動車組、電力動車組。柴油機車和電力機車是現代牽引動力的主力，除向更大功率發展外，主要是進一步提高熱效率、耐久性、可靠性和舒適性，從而提高經濟效益。以燃氣輪動車組和電力動車組以及電力機車為主力的客運機車，正向更高的速度發展，80年代已達到每小時200公裡到250公裡，正向每小時300公裡的速度邁進。車輪與鋼軌的相互作用問題，輪、軌間的粘著、粘著系數、轉向架和受電弓與接觸網等在高速運行中引起的各種問題，是機車發展中的重要研究課題。