Тепловоз серии ТЭЗ (рис. 98, 99) имеет две трехосные тележки, на которые через четыре опоры, концентрично расположенные вокруг центрального шкворня, опирается главная рама, несущая силовую установку и вспомогательное оборудование. Опоры тележек размещены непосредственно над рессорами на сварных полых боковинах рамы, что позволило уменьшить вес междурамного крепления. Каждая опора состоит из корпуса, двух плит и двух роликов.

Верхняя плита, имеющая шаровую пяту, перемещается по нижней в направлении, перпендикулярном оси роликов, а нижняя плита, лежащая на роликах, перекатывается на последних. Так как нижняя поверхность плиты и внутренняя поверхность корпуса имеют наклонные плоскости, то при перекатывании возникают силы, возвращающие тележку в исходное положение (вдоль продольной оси тепловоза).

Кабина машиниста представляет собой светлое, просторное помещение, охлаждаемое летом и обогреваемое зимой, с хорошим обзором, в ней расположен удобный пульт управления с приборами контроля и управления дизелем.

Тепловоз имеет кузов и снабжен автоматически работающим подогревательным котлом. Нагретая в котле вода служит для поддержания зимой заданной температуры масла и топлива при неработающем дизеле. Летом машинное помещение вентилируется специальным электровентилятором.

Силовая установка тепловоза состоит из вертикального 10-цилиндрового, двухтактного, бескомпрессорного дизеля марки 2Д100 с непосредственным впрыском топлива и прямоточной продувкой (рис. 100). Дизель имеет сварной цилиндровый блок, два чугунных литых коленчатых вала, десять вертикально расположенных в один ряд цилиндров с противоположно движущимися поршнями. Верхний коленчатый вал соединен зубчатыми колесами с воздуходувкой и двумя распределительными валами топливных насосов. Верхний и нижний коленчатые валы связаны так называемой вертикальной передачей, состоящей из двух коротких вертикальных валов, упругой пружинной муфты и конических шестерен. Коленчатые валы вращаются шатунами соответствующих поршней, причем верхние поршни управляют впуском воздуха в цилиндр, а нижние — выпуском газов, открывая или закрывая продувочные окна цилиндровых гильз. На каждую гильзу напрессована стальная рубашка, в которой циркулирует охлаждающая вода. Поршни охлаждаются маслом, подводимым через отверстие в головках шатунов.
Дизель соединен полужесткой пластинчатой муфтой с генератором. В задней части тепловоза размещен компрессор с приводом от коленчатого вала через редуктор с гидравлической муфтой. Через этот же редуктор приводятся в действие вертикальный вал вентилятора холодильника и вентилятор для продувки тяговых электродвигателей задней тележки.

На тепловозе серии ТЭЗ применена электрическая передача с автоматическим регулированием при помощи специального возбудителя с расщепленными полюсами. Тяговые электродвигатели постоянно соединены в три параллельные группы по два двигателя последовательно. Схема предусматривает две ступени ослабления поля: до 53 и 35%. Автоматическое управление тепловозом осуществляется посредством саморегулирования генератора с возбудителем и автоматического регулирования мощности тяговых электродвигателей. Для изменения мощности двигателя на тепловозе предусмотрен контроллер управления, главная рукоятка которого имеет шестнадцать положений. На XV— XVI положениях реализуется номинальная мощность дизеля 10000 л. с., на остальных мощность соответственно уменьшается.

В схеме предусмотрено дополнительное регулирование возбуждения посредством тахогенератора и дополнительной регулировочной обмотки. Такая схема дает возможность полностью использовать мощность дизеля при различных температурах обмоток возбуждения генератора. Для улучшения пусковой характеристики тепловоза применен также узел регулирования пускового тока.

В процессе эксплуатации тепловозов ТЭЗ наблюдались повреждения блоков дизелей 2Д100, особенно в начальный период. Испытание блоков на вибрацию в лабораторных условиях дало возможность выяснить распределение усилий и изгибающих моментов в основных элементах блока. В результате соответствующих Мероприятий по улучшению технологии сварки выход из строя блоков дизеля 2Д100 был резко снижен. Большую работу в этом отношении провели научные работники ЦНИИ П. Н. Дорохин, В. А. Крылов, В. Г. Резаков.

На поршнях дизеля 2Д100 часто появлялись трещины как в днище поршня, так и на цилиндрической части против первого ручья. Основными причинами преждевременного выхода из строя поршней являлись, как было установлено исследованиями Р. А. Насырова и П. М. Егунова, недостаточное охлаждение их маслом, в результате чего на внутренней поверхности накапливался нагар, резко ухудшающий охлаждение. Возникла необходимость повысить производительность масляного насоса, что и выполняется заводом в настоящее время.

Большим недостатком было, да остается в известной степени и в настоящее время, разжижение масла вследствие попадания в него несгоревшего в цилиндрах топлива при малых числах оборотов. Изучение этого вопроса позволило дать ряд предложений. В частности, было рекомендовано установку топливных насосов на двигатель производить путем подбора их по градациям подачи, что должно производиться при испытаниях плунжерных пар (А. Н. Гуревич) и др. В зимних условиях (при низких температурах наружного воздуха) имелись обрывы трубок масляных секций холодильника и нестабильность температур масла и воды.

Для улучшения работы холодильника тепловоза была повышена предельная температура охлаждающей воды в дизеле 2Д100 до 90—92°С и понижена предельная температура масла с 83 до 75° С. В зимних условиях была рекомендована и проверена в эксплуатации (Е. Я. Рогачевым) рециркуляция части теплого воздуха в системе секции холодильников.