机车轮对（locomotive wheel set）是机车走行部中最重要的部件之一，由车轴、轮心及轮箍组成，具体结构详见图示。机车全部重量通过轴颈、轮对支承在钢轨上，轮对滚动使机车前进。牵引电动机驱动轮对回转时，车轮与钢轨的黏着产生牵引力，制动时轮轨间产生制动力。当车轮行经钢轨接头、道岔等线路不平顺时，轮对直接承受来自钢轨的全部垂向和侧向冲击力。因此轮对承受很大的静载荷和动载荷。

车轴压装在轮心内，轮箍热套在轮心上，这些都会引起轮箍、轮心和车轴的组装应力。闸瓦制动时，因摩擦发热，轮箍和轮心还产生热应力。因此轮对的应力情况复杂，应具有足够的强度。另外，轮对属于簧下部分，为了减轻对线路的动力作用，还要求尽量减小轮对的重量，这对于速度较高的机车尤为重要。有些机车特别是高速机车、动车组、地铁及轻轨车辆，通常采用整体辗钢车轮，取消了轮箍，以便减轻车轮重量并提高运用的可靠性，但车轮踏面磨耗到限度时必须更换整个车轮，而不是仅更换轮箍，因而经济性较差。此外，考虑到车轴中心部位的应力较小，材料强度特性未得到充分利用，为了减轻车轴重量，有些机车采用空心车轴。

轮心与车轴接触部分称轮毂，轮心和轮箍接触部分称轮辋。轮毂与轮辋之间的连接部分为轮辐。轮辐通常采用辐板式，车轮直径较大时，例如蒸汽机车的动轮，轮辐采用箱式或辐条式。轮心的结构要保证足够的强度又要尽量减轻重量。

轮毂上有一油孔，平时用螺堵堵上，需要从车轴上卸下车轮时，用专用的高压油泵，向油孔压油，可减少车轮退出所需的压力，也使接触面不易拉伤。

有一些内燃机车的车轴上，装有长毂和短毂两种轮心，在长毂轮心上套装从动齿轮，这可以比从动齿轮直接装在车轴上减小车轴应力和避免压装从动齿轮时擦伤车轴，但轮对重量有所增加。现代机车，特别是电力机车很少采用长毂轮心，而是把从动齿轮直接压装在车轴上。

车轴是轮对转动的中枢。为了运行的安全必须严格控制车铀的材质、制造及维修要求。车轴分轴颈、轴身、轮座等几部分。车轴受力复杂：机车重量及垂向动态附加载荷由轴箱压在轴颈上，牵引电动机的扭矩通过从动齿轮传给车轴，作用于轮周的牵引力、通过曲线时的侧压力等均对车轴产生弯曲作用。由于车轴在转动，上述载荷在车轴内产生的应力都是交变的，所以车轴的裂损都是疲劳引起的。因此必须注意减少车轴上的应力集中：车轴上直径不同处的交接均用圆弧过