Los árboles de equilibrio son más habituales en los motores de cuatro cilindros en línea que, debido a la asimetría de su diseño, tienen una vibración de segundo orden inherente (que vibra al doble de las RPM del motor) que no se puede eliminar por muy bien equilibrados que estén los componentes internos.
Los motores planos tienen los pistones opuestos horizontalmente, por lo que están equilibrados de forma natural y no incurren en la complejidad, el coste o la pérdida de potencia adicionales asociados a los árboles de equilibrio.
Esta vibración se genera porque el movimiento de las bielas en un motor en línea no es simétrico durante toda la rotación del cigüeñal; así, en un período dado de rotación del cigüeñal, los pistones descendentes y ascendentes no siempre tienen aceleraciones completamente opuestas, lo que da lugar a una fuerza de inercia vertical neta dos veces por revolución, cuya intensidad aumenta de forma cuadrática con las RPM, por muy ajustados que estén los pesos de los componentes.
El problema aumenta con la mayor cilindrada del motor, ya que las únicas formas de lograr una mayor cilindrada son un mayor recorrido del pistón, que aumenta la diferencia de aceleración, o un mayor diámetro del cilindro, que aumenta la masa de los pistones; en cualquier caso, aumenta la magnitud de la vibración inercial.
Durante muchos años, los dos litros se consideraron el límite de cilindrada «no oficial» para un motor de producción de cuatro cilindros en línea con características NVH aceptables.
El concepto básico de los árboles de equilibrio existe desde 1904, cuando fue inventado y patentado por el ingeniero británico Frederick Lanchester.
Dos árboles de equilibrio giran en direcciones opuestas al doble de la velocidad del motor.
Los pesos excéntricos de igual tamaño de estos ejes están dimensionados y sincronizados de modo que la reacción inercial a su contrarrotación se anula en el plano horizontal, pero se suma en el vertical, lo que da una fuerza neta de igual magnitud pero 180 grados desfasada respecto a la vibración de segundo orden no deseada del motor básico, cancelándola.
Sin embargo, la implementación real del concepto es lo bastante concreta como para ser patentada.
El problema básico que plantea el concepto es soportar y lubricar adecuadamente una pieza que gira al doble de la velocidad del motor en los regímenes altos donde la vibración de segundo orden se vuelve inaceptable.
Hay cierto debate sobre cuánta potencia cuestan al motor los dos árboles de equilibrio. La cifra básica que se suele dar es de unos 15 CV (11 kW), pero puede ser excesiva para pérdidas puramente por fricción. Es posible que se trate de un error de cálculo derivado del uso habitual de un dinamómetro de inercia, que calcula la potencia a partir de la aceleración angular en lugar de medir realmente el par en estado estacionario. Los 15 CV (11 kW), entonces, incluyen tanto la pérdida real por fricción como el aumento de la inercia angular de los ejes que giran rápidamente, que no sería un factor a velocidad constante. No obstante, algunos propietarios modifican sus motores retirando los árboles de equilibrio, tanto para recuperar parte de esa potencia como para reducir la complejidad y las posibles zonas de rotura en aplicaciones de alto rendimiento y competición, pues se cree (erróneamente) que la suavidad que proporcionan los árboles de equilibrio se puede lograr tras su retirada equilibrando cuidadosamente los componentes alternativos del motor.
