К осени 1962 года казалось, что все проблемы с машиной ЗИЛ-135Л благополучно завершились, но неожиданно в ходе подготовки их серийного выпуска в Брянске возникли новые и очень серьезные осложнения. Они заключались в категоричном отказе руководства БАЗа от обременительного изготовления сложных автоматических коробок передач, ссылаясь на отсутствие на заводе необходимого оснащения и квалифицированных кадров. По другой версии считается, что это была всего лишь форма противостояния между двумя предприятиями: своим убийственным требованием в Брянске просто пытались остановить внедрение у себя московской машины и подвигнуть военное руководство страны к переориентации на свое шасси БАЗ-930, хотя и оно снабжалось автоматической трансмиссией. Ни Министерство обороны, ни Московский автозавод эта перспектива совершенно не устраивала, поэтому Грачев предложил компромиссное решение о замене «автоматики» на две механические трансмиссии с обычными 5-ступенчатыми коробками передач ЯМЗ-204, хотя отлично понимал, что разрыв потока мощности при выборе ступеней отрицательно скажется на проходимости автомобиля. Для разработки проекта размещения новых агрегатов и создания более сложной системы рычажного синхронизированного управления в ноябре 1962 года на ЗИЛе был срочно разобран и перестроен последний четвертый автомобиль ЗИЛ-135Л, не успевший отбыть в Волгоград. Параллельно с ним спешно собирали новую 9-тонную машину ЗИЛ-135ЛМ с механическими трансмиссиями и весьма сложным дистанционным приводом переключения передач, состоявшим из рычага управления, продольного и двух поперечных карданных валов и двух механизмов переключения. Единственный образец 135ЛМ с бортовым кузовом был готов 4 марта 1963 года. Его снаряженная масса практически не изменилась, но полная возросла до 19840 кг.
Единственный образец автомобиля ЗИЛ-135ЛМ с механической трансмиссией. 1963 год
На очередных сравнительных полигонных испытаниях в 21 НИИИ автомобиль ЗИЛ-135ЛМ соперничал с тем же грузовиком БАЗ-930 и новым бронницким вездеходом И-21-15. Московский вариант показал хорошую проходимость, но не имел столь плавного хода, как раньше, зато стал чуть экономичнее, чем предшественник 135Л. В отчете от 12 августа 1963 года по результатам испытаний было в целом подтверждено соответствие машины 135ЛМ требованиям Минобороны с констатацией снижения ее эксплуатационных качеств и надежности, усложнения работы водителя и с рекомендацией перехода на полностью независимую подвеску. Вновь переделывать ее уже не позволяли темпы внедрения комплекса «Луна-М», и 12 октября вариант 135ЛМ был рекомендован к производству. В СКБ пришлось перерабатывать уже отправленную в Брянск конструкторскую документацию, и только к лету 1964 года этот процесс был завершен. Между тем в Москве так и не смогли смириться с внедрением в их конструкцию чужеродного элемента и в период с августа 1964-го до марта 1965 года провели серию испытаний ЗИЛ-135ЛМ на строительстве газопроводов в Средней Азии и в районе Тюмени, доказавших ухудшившиеся тягово-динамические качества и пониженные показатели проходимости. Однако инициатива дальнейшей модернизации машины уже перешла к Брянскому автозаводу: серийный выпуск автомобиля ЗИЛ-135ЛМ был развернут там в декабре 1964 года.
