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F40PH型柴油机车是在GP40-2型柴油机车基础上发展而来的干线客运用的四轴柴油机车，采用单司机室、底架承载结构、双侧内走廊的棚式车体。车体上部自前向后由司机室、电气室、动力室、冷却室四部分组成。机车走行部标准配置为两台布贝格M型二轴转向架，采用导框式轴箱定位、摇动台式摇枕弹簧悬挂、两系弹簧悬挂装置（一系为轴箱螺旋圆弹簧，二系为摇枕钢板弹簧）、心盘牵引装置、双侧闸瓦制动装置。动力装置为一台3,000马力、16气缸、二冲程、水冷式、涡轮增压的16-645E3型柴油机。传动系统采用交—直流电传动，柴油机输出轴通过联轴器驱动一台AR10型交流发电机，发出的交流电通过大功率硅整流装置转换为直流电，然后供给四台D77型直流牵引电动机。牵引电动机采用轴悬式驱动方式，牵引齿轮传动比为2.85（57：20）。F40PH型柴油机车设有列车供电装置，给旅客列车内的空调、电暖、照明等用电负载提供电源，电力来源为一台与柴油机同轴的三相交流工频同步发电机，额定功率为500千瓦（首批30台机车）或800千瓦（其余所有机车），输出电压为480伏交流电，供电频率为60赫兹。当机车向列车供电时为了保障供电稳定，柴油机转速固定保持在每分钟893转，此时司机控制器级位变动不再改变柴油机转速，而是通过控制牵引发电机的励磁电流来调节运行速度。