用机械方式变换机车动轮和原动机(柴油机)的转速比和转矩比以传递动力的装置。柴油机经过主离合器与多档位的齿轮变速箱相连，变速箱的输出轴通过万向轴和车轴齿轮箱连接(或通过曲拐和连杆)，驱动机车车轮。启动柴油机时，先将主离合器脱开。柴油机工作平稳后,闭合主离合器,使机车起动。随着机车速度的加快，柴油机转速也成正比地上升。到柴油机转速上升到接近最高转速时，必须及时换接齿轮变速箱的下一档位，以减小变速箱输出轴和输入轴的转速比。换档时，先降低柴油机转速。换档完成后，再提高柴油机转速以增加机车速度，直至柴油机又达到最高转速，再换接到下一档位。柴油机在每一变速档位下的转速与机车速度成正比，它的功率也就基本上与机车速度成正比，因而柴油机几乎总是不能发挥它的全部功率的潜力。机车牵引曲线只能呈阶梯形，阶梯的级数等于变速的档位数。级数越多，功率的利用越好，但传动装置也越复杂、越重、越贵。柴油机车的机械传动装置一般为4~5级。

主离合器的摩擦副在机车起动过程中相对滑转。产生磨耗和发热。变速箱在换档同步的接合过程中，换档齿轮难免发生撞击，换档离合器会滑转磨耗。机械传动装置在换档时又有牵引力中断的缺点。所以机械传动装置尽管效率高于其他种类的传动装置，仍只用在小功率的机车上,用于柴油机车的机械传动装置却不超过400千瓦。

燃气轮机车的机械传动装置用两级变速，但未取得成功。这一方面是因为机车功率大、离合器不适用，一方面是由于机车车轮发生空转时使燃气轮机的叶轮超速旋转会带来危害。