与聚晶金刚石复合片钻头（即ＰＤＣ钻头）不同，牙轮钻头设计更难趋于平衡状态，原因在于其几何空间的局限性、滚动牙轮及其众多的设计变量。为了克服这一难点，国外科研人员开发了优化技术，使得牙轮钻头的平衡状况先得到测评，其次再使其体积与压力得到平衡。体积的平衡是均衡各牙轮间的岩屑切除量，而压力的平衡则能确保各牙轮所受的钻压、弯曲扭矩和轴承压力几乎相同。如此一来，便没有任何一个牙轮或轴承系统会产生受力过大的情况。

　　这种钻头能够镶装具有专利权的定向齿和凿形镶齿，并以垂直于切削方向的方式装齿，从而使切削的岩石量更大，并同时提高机械钻速。此外，定向齿能提供均匀的压力，因为这种齿可以防止齿的角部承受高负荷，从而减少了齿的破碎和断齿现象。

　　均匀的压力还表现在切削齿上几乎没有扭矩，从而减少了因转动而引起的掉齿现象。另外，虽然锥形或半圆形镶齿不能被定向安装，但仍有办法使钻头切削结构和轴承系统达到能量平衡与力平衡状态。因此，虽然并不是所有钻头都有定向齿，但它们都能从能量与力平衡设计技术中受益。

　　当所有牙轮和轴承处于相同压力下时，切削结构就达到了"压力平衡"状态。在钻井期间当所有牙轮排出的岩屑量相同时，切削结构就达到了"体积平衡"状态。"能量平衡"（ＥＢ）的钻头是指它既达到了"压力平衡"，又达到了"体积平衡"。

　　能量平衡牙轮钻头的优点是，通过平衡所钻岩石的量以及每个牙轮的受力，改善牙轮钻头切削结构与岩石界面的动力状态。实验室和现场试验表明，能量平衡钻头所钻的井底更平滑，且钻头所受的碰撞力最小，从而提高了钻头的切削能力。平滑、低振动的钻井也有助于改善定向响应，减小牙掌疲劳失效的风险和对灵敏钻柱部件的损害。