Une masse en mouvement alternatif ne peut être parfaitement équilibrée que par une autre masse alternative égale et de sens opposé. Il faudrait donc monter sur le même axe deux pistons dotés de mouvement antagonistes.

image : "Boxer" 4 cylindres Subaru, 5 paliers et 4 manetons

Or, en pratique, les moteurs à cylindres opposés dits "boxer" ont des cylindres décalés, ce qui, pour des machines de 2 et 4 cylindres induit un couple "libre" (non équilibré à l'intérieur du vilebrequin) agissant horizontalement.

image : "Boxer" 4 cylindres Alfa Romeo 33, 3 paliers et 4 manetons

Sur un 4 cylindres en ligne, les forces d'inertie alternatives dites de "1er ordre" (c'est-à-dire celles qui changent de signe à chaque course du piston) sont équilibrées par l'opposition des deux pistons centraux avec les deux extérieurs. Elles se déchargent et s'annulent dans le vilebrequin. On diminue généralement toutefois les forces de flexion sur ce dernier en équilibrant par ses contrepoids la moitié de la masse alternative. La moitié de la force de 1er ordre est ainsi convertie en force transversale par rapport à l'axe du cylindre.

Par contre, en raison de l'obliquité des bielles, les accélérations de piston et donc les forces d'inertie qui en résultent ne sont pas symétriques entre le PMH et le PMB. Ces forces de 2ème ordre ne sont pas équilibrées et elles varient deux fois par tour de vilebrequin, donc avec une fréquence double de celles de 1er ordre. Si ses bielles avaient une longueur infinie, un 4 cylindres en ligne serait également équilibré en ce qui concerne les forces de 2ème ordre. En pratique, la longueur d'entre-axe de bielle est comprise entre 1,5 et 2 fois la course du piston. De longues bielles réduisent les différences respectives d'accélération de piston vers les PMB et PMH et réduisent donc les forces d'inertie de second ordre, mais elles augmentent la hauteur du moteur et le poids des masses en mouvement alternatif.

image : Moteur Saab 4 cylindres équipé d'arbres d'équilibrage

image : Vilebrequin et arbres d'équilibrage d'un 4 cylindres GM Vortec

Les forces d'inertie de 2ème ordre peuvent être équilibrées par un système de contrepoids, contitué de deux arbres tournant chacun dans un sens opposé à deux fois le régime du vilebrequin.

En pratique, un tel montage est utile sur les 4 cylindres de 1,8 litres au moins.

image : Vilebrequin du moteur V8 de la Porche Cayenne

Un V8 avec vilebrequin sur deux plans à 90°(cruciforme) est intrinsèquement équilibré en ce qui concerne les forces de 1er et 2ème ordre ainsi que les couples de 2ème ordre. Les couples de 1er ordre sont équilibrés par contrepoids intégrés.