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Les freins à disque offrent une puissance de freinage intransigeante et indépendante des conditions météorologiques, ainsi qu'une excellente modulation lors du freinage. Ils sont principalement utilisés dans le secteur du VTT, où des forces de freinage beaucoup plus importantes sont nécessaires par rapport au cyclisme sur route.

La fonctionnalité des freins à disque diffère considérablement de celle des freins sur jante. Au lieu de presser les plaquettes de frein contre les surfaces de freinage de la jante, les freins à disque pressent les plaquettes contre un disque fixé au moyeu. Les plaquettes de frein sont logées dans un étrier de frein spécialement conçu à cet effet.

Pour fixer les disques, un moyeu avec un support de disque est nécessaire, car les moyeux standard ne sont pas équipés pour les disques. Il existe deux standards de fixation : IS 2000 à 6 boulons, où le disque est fixé avec six boulons, et Centerlock, qui utilise une interface cannelée avec une bague de verrouillage semblable à celle des cassettes.

Les avantages des freins à disque parlent d'eux-mêmes. En étant fixés au moyeu, les freins de vélo sont largement protégés des éléments extérieurs tels que l'eau et la saleté. De plus, la surchauffe de la jante est évitée, ce qui peut entraîner des éclatements de chambre à air après des freinages prolongés. Par ailleurs, les disques, en tant que partenaires de friction, ne sont pas des composants porteurs comme les surfaces de freinage des jantes, mais des pièces simples et facilement remplaçables qui durent généralement plus longtemps que les jantes freinées par patins.

Les inconvénients des systèmes de freins à disque concernent principalement un poids plus élevé par rapport aux freins sur jante.

Les fabricants réputés de freins à disque pour vélos incluent Avid, Magura et Shimano.