Без устали" является наречием или же наречным сочетанием, которое произошло от слияния предлога с существительным и отвечает на вопрос (как?) без устали.Это, как раз, то наречие, которое надо просто запомнить, так как под него нет никакого правило, поэтому сверившись с орфографических словарем, пишем правильно, раздельно - без устали, также, как и - без оглядки, без ведома, без толку...Он работал без устали, зная, что его ждет дома большая семья.