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In der Rennsaison 1936 findet die Mannschaft um Alfred Neubauer in den Werksteams von Auto Union und Alfa Romeo bei den Rundstreckenrennen ihre Meister. Nur vereinzelt siegt der W 25, seine Dominanz ist gebrochen.
Die Erfahrungen mit den erstarkten Wettbewerbern liessen eine Umstrukturierung der Rennabteilung sinnvoll erscheinen, neuer Chef-Konstrukteur wurde der junge Ingenieur Rudolf Uhlenhaut. Seine Analysen des W 25 führten schliesslich zum W 125. Das Fahrwerk erfuhr drastischere Änderungen als das aufgeladene Achtzylinder-Triebwerk. Von einem völlig neuen V12 wurde aus Gewichtsgründen wieder Abstand genommen, so bekam der bewährte Reihenmotor hinsichtlich Hubraum, Vergaser und Kompressor eine gründliche Überarbeitung verordnet. Die knapp 5,7 Liter grossen Motoren leisteten bis zu 646 PS. Mit dem W 125 war man im Rennjahr 1937 allen anderen Herstellern einen deutlichen Schritt voraus. Rudolf Caracciola holt sich die Deutsche Meisterschaft ebenso zurück wie den Europameistertitel.
Als echtes Highlight dieses für Mercedes-Benz so erfolgreichen Jahres darf ohne Zweifel das Internationale AVUS-Rennen gelten. Der inzwischen zum Werkspiloten beförderte Rennmechaniker Hermann Lang fuhr im Endlauf einen konkurrenzlosen Schnitt von 261,7 km/h; bei dem Rennen wurden Spitzentempi von bis zu 380 km/h erreicht, erst 1959 sollte dies übertroffen werden.
Immer stärker und immer schneller: Im Laufe weniger Jahre strebten die Rennwagen der 750-kg-Formel zu neuen Höchstleistungen. Leistungen von über 650 PS und die bei Rekordfahrten erzielten Höchstgeschwindigkeiten von mehr als 400 km/h verlangten eine technische Abrüstung. Die 3-Liter-Formel sah vor, dass Kompressor-Motoren nicht mehr als drei Liter Hubraum haben durften, für Motoren ohne Aufladung wurden 4,5 Liter Hubraum als Limit festgesetzt.