В феврале 1960 года А.И. Титков назначается начальником СКБ – главным конструктором завода и работает на этом посту до ноября 1969 года.
В 1963 году Государственный комитет по промышленности СССР поручает А.И. Титкову срочно разработать, а заводу – организовать серийное производство народнохозяйственного автомобиля грузоподъемностью 8 тонн с нагрузкой на ось не более 6 тонн на базе автомобиля «Урал-375». В том же году была разработана конструкция и изготовлены опытные образцы такого автомобиля. В 1964 году проведены заводские доводочные, а затем и приемочные испытания межведомственной комиссией. В 1965 году был начат серийный выпуск автомобиля «Урал-377» грузоподъемностью 7,5 тонны. На базе этой модели были созданы также седельный тягач и машина с пониженной погрузочной высотой. Как выяснилось позже, основной целью этого проекта было определение оптимального объекта производства для намечавшегося строительства Камского автозавода. По сути, проведенные работы определили структуру производства будущего КамАЗа.
В ноябре 1969 года А.И. Титков переводится на работу в Министерство автомобильной промышленности СССР на должность начальника управления конструкторско-экспериментальных работ (УКЭР).
За 22 года работы А.И. Титкова на Уральском автозаводе, семнадцать лет из которых он руководил конструкторской службой завода, УралАЗ стал одним из ведущих предприятий страны. В течение этого периода на заводе было разработано 29 моделей автомобилей и двигателей, из них 21 модель внедрена в серийное производство.
К работе в должности начальника УКЭР Минавтопрома А.И. Титков приступил в тот период, когда специалисты конструкторско-экспериментальных отделов (КЭО) ряда заводов трудились над созданием конкретных объектов производства для нового Камского автозавода. Разработка базовых моделей автомобилей была поручена КЭО ЗИЛ, силовой агрегат разрабатывал КЭО ЯМЗ, а самосвальную установку – КЭО МАЗ. Все эти коллективы и их руководители имели огромный опыт и пользовались заслуженным авторитетом. Задача УКЭР министерства заключалась в координации этой колоссальной работы и выведении ее на конкурентоспособный уровень с сохранением такового в течение длительного срока.
Анатолий Иванович, изучив разрабатываемые проекты и имея богатый опыт создания и организации производства аналогичных автомобилей, находил в себе силы и решимость оспаривать некоторые авторитетные мнения, в том числе одобренные на самом высоком уровне. В частности, он пришел к выводу, что конструкция проектируемого на ЯМЗ двигателя не является перспективной. Для КамАЗа там разрабатывался короткоходный дизель, который под влиянием работ видного советского ученого Брилинга и ряда зарубежных фирм представлялся целесообразным решением для массового производства в СССР. Однако, А.И. Титкову, под руководством которого еще в 1962 году был создан аналогичный короткоходный дизель «Урал-645», были хорошо известны существенные недостатки, присущие короткоходным дизелям, в первую очередь повышенная дымность выхлопа и токсичность отработавших газов, которая не позволила бы им обеспечить соответствие будущим экологическим нормам. Вторым серьезным недостатком проектируемого ЯМЗ дизеля был шестеренчатый привод верхних кулачковых валов. Это конструктивное решение предусматривало ручной подбор пар шестерен по толщине зуба, что было бы неприемлемо при массовом выпуске.
Министр А.М. Тарасов внимательно отнесся к возражениям А.И. Титкова и назначил несколько комиссий, которые, к сожалению, однозначного ответа не дали. Решение уйти от короткоходного дизеля и шестеренчатого привода было принято министром после показа мотора главному конструктору фирмы Daimler-Benz, который сказал: «Двигатель хорош, но зачем вам на грузовик нужен двигатель гоночной машины?». Таким образом, специалист подтвердил перспективность длинноходных дизелей. В результате министр обязал главного конструктора ЯМЗ увеличить ход поршня и ликвидировать шестеренчатый привод. Новый дизель стал размерностью 120х125 мм с увеличением рабочего объема до 11,15 литра и снижением максимального числа оборотов до 2 300 об/мин. Перспективность принятого по настоянию А.И. Титкова решения подтверждается тем, что и после запуска 50-летнего производства дизелей КамАЗ такая размерность остается наиболее распространенной.