Nachdem alle Probefahrten mit Weber-Doppelvergasern gefahren worden waren, kam die Einspritzanlage in den Tests unmittelbar vor dem Großen Preis von Frankreich in Reims erstmals zum Einsatz. Der Verbrauch sollte nach den vorausgegangenen Berechnungen bei 35 Liter/100 km liegen, tatsächlich waren es aber 40, sodass der Tankinhalt von 185 Liter für die Renndistanz von 500 km nicht ausreichte. Nachtanken während des Wettbewerbs hätte zu viel Zeit gekostet; deshalb wurden in der Nacht vor dem Rennen auf der linken Cockpitseite provisorische Zusatztanks in die Wagen eingebaut.
Am 4. Juli 1954 – neun Jahre nach Kriegsende – trat der W 196 in Frankreich erstmals bei einem Formel-1-Rennen an. Schon in der Startaufstellung machten die in der ersten Reihe stehenden flachen und breiten „Silberpfeile“ von Juan Manuel Fangio und Karl Kling deutlich, dass eine neue Ära beginnt, denn die Konkurrenten saßen auf noch relativ schmalen, hochbeinigen älteren Konstruktionen. Nur der Nachwuchsfahrer Hans Herrmann mit dem dritten W 196 stand weiter hinten auf dem siebten Startplatz. Herrmann erzielte zwar bei der Aufholjagd die schnellste Rundenzeit (2:32,9 Min. = 195,6 km/h) und fuhr auf den dritten Platz, fiel aber in der 17. von 61 Runden mit Motorschaden aus. Fangio und Kling beendeten das Rennen über 506,4 km auf dem Hochgeschwindigkeitskurs mit einem sensationellen Doppelsieg in einer Zeit von 2:42:47,7 Stunden bzw. mit einem Durchschnitt von 186,638 km/h – ein Erfolg, vergleichbar mit dem Gewinn der Fußball-Weltmeisterschaft durch die deutsche Nationalmannschaft am selben Tag in Bern.
Der W 196 galt zwar fortan als seinen Konkurrenten überlegen, hatte aber auch Probleme. Beim nächsten Lauf auf dem Silverstone Circuit brachte die Stromlinienverkleidung kaum Vorteile. Die mit Fässern markierten Kurven auf dem Flugplatzkurs ließen sich wegen der schlechten Übersicht nicht optimal anpeilen. Fangio beschädigte gar beide vorderen Kotflügel beim Herantasten an die Fässer und wurde mit einer Runde Rückstand nur Vierter; Karl Kling belegte den siebten Platz.
Für den Lauf auf dem kurvenreichen Nürburgring am 1. August 1954 bekamen Fangio, Kling und der Vorkriegsfahrer Hermann Lang eine leichtere Variante des W 196 mit freistehenden Rädern, während Herrmann weiterhin mit einer Vollverkleidung vorliebnehmen musste, da nur drei Monopostos fertig wurden. Vom Start weg führte Fangio, wurde jedoch kurzzeitig von Kling verdrängt, der mit undichtem Tank vom letzten Platz der 20 Wagen gestartet war und im Verlauf seiner Aufholjagd mit 9:55,1 Minuten (138,0 km/h) die schnellste Runde fuhr. Kurz vor Schluss fiel Kling wegen eines Stoßdämpferschadens auf den vierten Platz zurück; Fangio gewann nach 3:45:45,8 Stunden bzw. 501,82 km mit einem Vorsprung von 1:37 Minuten vor dem Werks-Ferrari von Gonzales/Hawthorn. Hans Herrmann (gebrochene Benzinleitung) und Hermann Lang (Motorschaden) schieden in der 7. bzw. 11. von 22 Runden aus.
Auch in der Schweiz und in Monza, hier wieder mit der Vollverkleidung, siegte Fangio. Hans Herrmann wurde in Bremgarten bei Bern Dritter und in Monza Vierter. Kling fiel in beiden Rennen mit Motorschaden bzw. Unfall durch gebrochenen Ölschlauch aus. Der Große Preis von Berlin auf der AVUS, zu dem nur zehn Formel-1-Wagen antraten, zählte nicht zur Weltmeisterschaft. Das Rennen endete mit einem Dreifachsieg von Kling (Durchschnitt 213,5 km/h), Fangio und Herrmann ? drei Runden vor André Pilette auf Gordini. Zum Saisonabschluss in Spanien reichte es zwar nur zum dritten Platz für Mercedes-Benz und Fangio, der Weltmeistertitel war jedoch sicher.
Karl Kling wurde in Spanien Fünfter, Hans Herrmann fiel in der 51. von 80 Runden mit defekter Einspritzpumpe aus. Die Wagen hatten Probleme mit Laub in der Kühleröffnung, das sowohl Kühlung als auch Ansaugluft behinderte. Daraufhin wurde ein Gitter davor angebracht und der Luftansaugstutzen nach oben verlegt.
Das formelfreie Rennen am 30. Januar 1955 in Buenos Aires, bei dem der W 196 mit dem 3-Liter-Motor des Rennsportwagens 300 SLR eingesetzt wurde, gewann – wie auch den in großer Hitze ausgetragenen GP – Fangio vor Moss; Karl Kling wurde Vierter. Beim britischen Grand Prix in Aintree gewann Neuzugang Stirling Moss für Mercedes, nachdem ihm Fangio bei seinem Heimrennen möglicherweise den Vortritt gelassen hatte. Das Rennen in Monaco erwies sich als Pleite, denn alle W 196 fielen aus und Hans Herrmann verunglückte im Training schwer. Nach der Le-Mans-Katastrophe wurden einige Läufe zur Formel-1-Weltmeisterschaft 1955 abgesagt, unter anderem der Große Preis von Deutschland auf dem Nürburgring. In der Schweiz gab es fortan gar keine Rennen mehr. Den Saisonabschluss in Monza gewann wieder ein Stromlinienmodell. Somit wurde Juan Manuel Fangio auch 1955 Formel-1-Weltmeister mit Siegen in vier von nur sechs Rennen (Argentinien, Belgien, Niederlande und Italien).
Sportwagen Mercedes-Benz 300 SLR
Für die 1955 neu eingeführte Sportwagen-Weltmeisterschaft wurde vom W 196 eine Sportwagenvariante abgeleitet, der Mercedes-Benz 300 SLR. Im Gegensatz zum sechszylindrigen Straßenwagen 300 SL mit Flügeltüren war der SLR ein offener Zweisitzer, dessen Gitterrohrrahmen weitestgehend dem des Formel-1-Wagens entsprach.
Der Radstand betrug 2380 mm. Eine Besonderheit für den Einsatz in Le Mans war die Luftbremse, ein breiter Schild hinter dem Fahrer, der hydraulisch aufgestellt werden konnte, um den Luftwiderstand drastisch zu erhöhen und die Bremswirkung der Trommelbremsen aus hohen Geschwindigkeiten zu unterstützen. Im Gegensatz zu Mercedes hatte die Konkurrenz von Jaguar schon Scheibenbremsen.
Der Achtzylinder-F1-Motor wurde auf drei Liter bzw. 2983 cm³ (Bohrung und Hub 78 mm) erweitert und leistete 196 kW (266 PS) bei 7450/min; maximales Drehmoment 295 Nm bei 5950/min. Damit war man den deutlich größeren Motoren von Jaguar und Ferrari unterlegen. Die Höchstgeschwindigkeit des 300 SLR lag bei 290 km/h (Le Mans, Mulsanne-Gerade). Das Triebwerk war so ausgelegt (Verdichtung 12 : 1), dass es keinen Spezialtreibstoff brauchte, sondern mit Superbenzin zu fahren war. Seinen letzten Test bestand der 3-Liter-Motor im Grand-Prix-Wagen W 196 beim formelfreien Rennen am 30. Januar 1955 in Buenos Aires.
Das erste Rennen für den 300 SLR war am 1. Mai 1955 die Mille Miglia, die Stirling Moss mit Beifahrer Denis Jenkinson gewann. Wenige Wochen später beim Eifelrennen auf dem Nürburgring siegte Fangio vor Moss; Kling wurde Vierter.
Das 24-Stunden-Rennen von Le Mans fuhr Mercedes nicht zu Ende, nachdem sich am frühen Abend des 11. Juni 1955 der tragischste Unfall der Motorsportgeschichte ereignet hatte. Nach einem rücksichtslosen Manöver des Engländers Mike Hawthorn (Jaguar) kollidierte der französische Mercedes-Fahrer Pierre Levegh mit dem wesentlich langsameren Austin Healey von Lance Macklin und schleuderte in die Zuschauermenge. Neben Pierre Levegh kamen über 80 Zuschauer ums Leben. Der Mercedes-Vorstand zog daraufhin in der Nacht als Zeichen des Respekts die verbleibenden SLR zurück.
Beim Großen Preis von Kristianstad am 7. August (Schweden) erzielten Fangio und Moss einen erneuten Doppelsieg, dem am 17. September ein Dreifacherfolg von Moss/Fitch, Fangio/Kling und Trips/Simon bei der TT in Dundrod (Nordirland) folgte.
Am 16. Oktober 1955 gewannen Stirling Moss/Peter Collins auf Mercedes-Benz 300 SLR vor ihren Markengefährten Fangio/Kling die Targa Florio und sicherten Mercedes-Benz die Sportwagen-Weltmeisterschaft.
1955 entwarf Rudolf Uhlenhaut auf Basis des 300 SLR ein Coupé, von dem nur zwei Exemplare gebaut wurden. Dabei setzte Uhlenhaut die Flügeltüren des ein Jahr zuvor vorgestellten Mercedes-Benz W198 ein. Dieses „Uhlenhaut-Coupé“ hatte die zwölffache Leistung eines damals üblichen Volkswagens mit 25 PS und war mit einer Höchstgeschwindigkeit von 290 km/h das schnellste Fahrzeug mit Straßenzulassung.
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